詹 剛， 許玉德， 周 宇

(1．鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司 線站處，天津 300142;2．同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

0 引言

在小半徑曲線上，外軌嚴(yán)重側(cè)磨，內(nèi)軌嚴(yán)重壓潰，以及鋼軌波浪形磨損，大大惡化了輪軌接觸狀況，增加了輪軌動力作用，影響了行車品質(zhì)，縮短了鋼軌使用壽命，增加了鐵路的養(yǎng)護維修成本。而外股鋼軌磨損下道也一直是小半徑曲線鋼軌更換的主要原因，是工務(wù)養(yǎng)護維修工作的重點［1］。尤其是隨著重載鐵路車輛軸重的增加、車流密度的增大和列車速度的提高，曲線鋼軌磨損問題日趨嚴(yán)重。

由于鋼軌磨損加劇而導(dǎo)致的過早、過頻的更換鋼軌，除了增加養(yǎng)護維修工作量，還會給運輸生產(chǎn)帶來極大的干擾。因此掌握曲線鋼軌的磨損情況以及摸清其型面變化規(guī)律，并且采取有效措施，以減緩曲線鋼軌的磨損，延長鋼軌使用壽命尤為重要。

然而國內(nèi)目前尚未見對一個使用壽命周期內(nèi)鋼軌軌頭型面變化的跟蹤觀測，也缺少對鋼軌型面的分析軟件。本文通過借鑒鐵路軌頭輪廓制定標(biāo)準(zhǔn)［2］和歐盟鐵路制定的鋼軌打磨、銑磨作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的橫斷面驗收標(biāo)準(zhǔn)［3］開發(fā)了鋼軌型面管理軟件(RPM)。鋼軌型面管理軟件提供的型面變化均值統(tǒng)計功能也使得鐵路工務(wù)部門可以對軌檢車采集到的大量鋼軌型面數(shù)據(jù)進行分析和評估，從而制定合適的鋼軌養(yǎng)護維修計劃。利用鋼軌型面管理軟件對某重載鐵路小半徑曲線鋼軌型面進行了從新軌上道到下道的跟蹤觀測，并分析型面變化發(fā)展的規(guī)律。這將有助于指導(dǎo)鋼軌的打磨和銑磨作業(yè)，為制定打磨周期和打磨量提供依據(jù)。而對鋼軌型面變化的分析也為鋼軌的型面優(yōu)化提供參考。

1 試驗介紹及鋼軌型面管理軟件(RPM)

1．1 試驗介紹

隨著重載鐵路運量和速度的不斷提高，鋼軌傷損出現(xiàn)頻率加快，曲線外軌磨耗下道是重載鐵路鋼軌常見的病害。本次試驗以某重載鐵路的小半徑曲線為對象，采用75 kg/m 鋼軌，曲線半徑500 m，外軌超高90 mm，圓曲線長度393 m，緩和曲線長110 m，曲線線路縱坡7‰。共測試9 次，測試時間分別為新軌上道后、累計通過總重10 Mt、30 Mt、60 Mt、100 Mt、150 Mt、210 Mt、280 Mt 和320 Mt。外軌每隔5 m 設(shè)一個觀測點，共計設(shè)置了126 個觀測點。每次利用采用鋼軌型面測量裝置(儀器精度0．02 mm)現(xiàn)場測量了每個點的鋼軌型面數(shù)據(jù)，共計9 次，取得1 134 個鋼軌型面數(shù)據(jù)，并進行了分析總結(jié)，以了解新軌上道之后，隨累積通過總重的增加，鋼軌型面的發(fā)展變化。

1．2 鋼軌型面管理軟件(RPM)

垂磨和側(cè)磨是檢測鋼軌狀態(tài)時用以評價鋼軌傷損程度的兩個重要指標(biāo)，而在鋼軌打磨或銑磨時采用的鋼軌橫斷面驗收標(biāo)準(zhǔn)又是利用打磨或銑磨后的鋼軌橫斷面與理想橫斷面(也就是基準(zhǔn)鋼軌的橫斷面)在軌頭打磨區(qū)內(nèi)的偏差程度來制定。而鋼軌型面管理軟件(RPM)則是利用變化后的鋼軌型面與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面的偏差程度來分。為此，將測量的鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌型面的內(nèi)側(cè)下顎位置對準(zhǔn)，即測算與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面切線相垂直的方向兩斷面之間的偏差，軟件對標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面在各個角度的偏差量(磨損量)進行了分析。標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面上某點的角度定義為此點切線與水平線的夾角，工作邊角度大于0°，非工作邊角度小于0°。圖1 為標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面非工作邊-40°角所在位置。

2 鋼軌型面變化發(fā)展規(guī)律分析

鋼軌上最大垂、側(cè)磨點是控制其因磨損下道的關(guān)鍵。但在平時養(yǎng)護維修及鋼軌狀態(tài)檢測時，比較不同位置的鋼軌哪個磨損速率快，需要重點關(guān)注，哪個需要優(yōu)先更換時，一些鐵路將整段曲線或單位長度的直線段鋼軌作為單個的評價對象，得到其隨通過總重的變化，鋼軌磨損的變化情況。對某段曲線從新軌上道，隨通過總重增加，圓曲線鋼軌型面的變化情況進行了分析總結(jié)。

2．1 鋼軌型面隨通過總重增加的變化規(guī)律

圖2 為典型圓曲線鋼軌型面隨累計通過總重變化圖，從新軌上道到累積通過總重10 Mt，圓曲線的外軌型面在軌距邊有輕微的塑性變形出現(xiàn);10 ～30 Mt 時，這些塑性變形被磨損掉;30 Mt 以上后，外軌軌距邊逐漸發(fā)生側(cè)磨，在小于60 Mt 時，型面還能保持較好的形狀;累積通過總重達到100 Mt 時，外軌型面軌距邊由于較明顯的側(cè)磨而變形，側(cè)磨下緣出現(xiàn)肥邊;之后，隨著通過總重的累積，側(cè)磨越來越大，肥邊越來越突出，外軌型面的軌距邊越來越向內(nèi)凹;在200 Mt 以后，過度的側(cè)磨同時引起垂磨的增加，鋼軌最后因磨損下道。由此可見，此點圓曲線外軌的型面受側(cè)磨和垂磨雙重影響，且在鋼軌使用的后期，塑性變形對鋼軌的型面的發(fā)展變化有重要影響。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面角度位置示意

2．2 鋼軌型面磨損量隨通過總重的發(fā)展規(guī)律

利用鋼軌型面管理軟件(RPM)提供的型面變化均值統(tǒng)計功能，得到了圓曲線上所有測點的鋼軌型面在各角度磨損量的平均值，如圖3 所示?，F(xiàn)場觀測鋼軌表面接觸帶位置分布，外軌輪軌接觸帶很少在小于-10°角的非工作邊接觸，因此統(tǒng)計時，分析了從非工作邊-10°角到工作邊80°角鋼軌的磨損情況。由圖可知，隨著通過總重的增加，各角度處鋼軌的磨損量都在增加，但增加的程度不一樣。從非工作邊到工作邊，隨著角度的增加，鋼軌的磨損量也在增加。以5°角處為明顯的分界線，大于5°角處的點，鋼軌磨損量相對較大，小于5°角的，磨損量相對較小。在通過總重為3．2 億t 時，-10°角處鋼軌的磨損量為0．5 mm，而此時80°處的鋼軌磨損量已達到13．1 mm。即外軌工作邊軌距角處的鋼軌磨損量是最大的。由此可見，對于圓曲線鋼軌，輪軌接觸區(qū)主要發(fā)生在鋼軌軌距角和軌頂，軌頂和軌距角處鋼軌的磨損較大。

圖4 為圓曲線外軌各角度的磨損速率統(tǒng)計，由圖4 可知，在10 Mt 通過總重時，磨損速率最快的在鋼軌的5°角和60°角的接觸范圍內(nèi)，此時由于通過總重較小，鋼軌頂面以下16 mm 處的側(cè)磨位置到鋼軌的80°角附近，鋼軌磨損不大。當(dāng)鋼軌通過總重大于30 Mt 后，鋼軌軌距角處附近的磨損速率在增大，鋼軌軌頂中心非工作邊側(cè)的磨損速率較小。在通過總重達到100 Mt 后，隨角度的增加，鋼軌的磨損速率也在變大，即磨損速率與角度成正比。通過總重為2．8 億t 后，鋼軌軌距角的磨損速率比軌頂中心附近增長的更快。

圖3 圓曲線外軌各角度磨損量

圖4 圓曲線外軌各角度磨損速率

圖5 為圓曲線外軌各角度磨損速率的平均值隨通過總重的變化示意圖。由圖5 可知，重載鐵路此段外軌磨損的發(fā)展規(guī)律為“浴盆曲線”形式，曲線的形狀為兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為三個階段:快速發(fā)展期(磨合期)，平穩(wěn)發(fā)展期，急劇發(fā)展期。第一個階段:快速發(fā)展期(磨合期)，即通過總重為0 ～30 Mt，新軌上道后，由于鋼軌表面脫碳層的存在，鋼軌制造工藝的缺陷以及輪軌型面的磨合，在此階段鋼軌的磨損快速發(fā)展;第二階段:平穩(wěn)發(fā)展期，即通過總重在30 ～210 Mt，鋼軌磨損量平穩(wěn)增長，平均磨損速率為0．014 6 mm/Mt，此階段使得鋼軌的磨損速率較新軌上道減緩并趨于穩(wěn)定;第三階段:急劇發(fā)展期，即通過總重為210 MT 以后，鋼軌磨損急劇增加，由鋼軌型面分析可知，在此階段，外軌軌距角有嚴(yán)重的塑性變形出現(xiàn)。對各階段鋼軌磨損速率進行擬合，得到從新軌上道到鋼軌下道，鋼軌磨損發(fā)展各階段的磨損速率擬合直線，見表1，其中，x 為通過總重，V 為磨損速度，Z 為磨損量。圖6 為該段曲線鋼軌的磨損量分段擬合曲線。

圖5 圓曲線外軌各角度平均磨損速率

圖6 圓曲線外軌各角度平均磨損量的擬合曲線

表1 圓曲線外軌各角度平均磨損及其擬合函數(shù)

2．3 鋼軌型面磨損規(guī)律與鋼軌打磨的關(guān)系

在鐵路運輸系統(tǒng)中，鋼軌的使用壽命主要由磨耗和滾動接觸疲勞決定。要延長鋼軌的使用壽命，需要考慮鋼軌制造和養(yǎng)護維修兩個方面。具體地說，就是生產(chǎn)高質(zhì)量鋼軌，有效地潤滑輪軌界面和對鋼軌斷面進行科學(xué)打磨。鋼軌打磨是線路養(yǎng)護維修中的重要手段［4］。鋼軌打磨技術(shù)主要分新軌預(yù)打磨，預(yù)防性打磨和修復(fù)性打磨。而鋼軌打磨(銑磨)最理想的狀態(tài)是在鋼軌疲勞裂紋發(fā)展較緩慢的短小裂紋時，自然磨損與人工打磨(銑磨)相結(jié)合使得鋼軌表面材料的磨損剛好抑制小疲勞裂紋在鋼軌中的發(fā)展，即使鋼軌疲勞和磨損處于平衡狀態(tài)，這種鋼軌表面材料的清除量稱之為“最佳磨耗率”［5］。

而鋼軌磨損發(fā)展的三個明顯的階段為三種不同的鋼軌打磨技術(shù)提供了介入時機:在快速發(fā)展期，即新線鋼軌鋪設(shè)后，或者大修鋼軌更換后對新鋪鋼軌進行打磨，消除鋼軌生產(chǎn)及運輸過程中產(chǎn)生的原始不平順、軌頭表面脫碳層、軌頭表面殘余應(yīng)力層，并盡量減小軌頭表面的原始粗糙度，從而加速輪軌型面的磨合新軌預(yù)打磨;而在鋼軌磨損的平穩(wěn)發(fā)展期則進行周期性的、快速的、打磨量較少的鋼軌打磨，打磨量(銑磨量)則根據(jù)鋼軌磨損的平穩(wěn)性以確定其“最佳磨耗率”，從而維持一個優(yōu)化的鋼軌外形斷面，改善輪軌接觸關(guān)系，最大限度地預(yù)防鋼軌表面疲勞裂紋的出現(xiàn);而在鋼軌磨損的急劇發(fā)展期之前，則應(yīng)對鋼軌進行修復(fù)性打磨(銑磨)，以消除鋼軌的各種缺陷為重點，采用大打磨量，重塑鋼軌型面，恢復(fù)與車輪型面能良好匹配、得到應(yīng)力較小的鋼軌型面，從而達到延長鋼軌使用壽命周期、減少養(yǎng)護和管理成本的目的。國外試驗研究證明，在鋼軌傷損初期進行預(yù)防性打磨(銑磨)作業(yè)，其成本低于修復(fù)性打磨(銑磨)的成本。同時，由于預(yù)防性打磨(銑磨)作業(yè)占用的作業(yè)時間少，因此對軌道影響小，運營成本也得到節(jié)約。因此，在鋼軌磨損的平穩(wěn)發(fā)展期應(yīng)注重并加強對鋼軌的預(yù)防性打磨(銑磨)。

3 結(jié)論

此段曲線鋼軌新軌上道后，隨著通過總重的增加，利用鋼軌型面管理軟件，對鋼軌型面的發(fā)展變化進行分析，得到以下結(jié)論:

(1)將某段曲線或某單位長度的直線鋼軌作為評價鋼軌狀態(tài)檢測的評價對象，更有利于客觀、系統(tǒng)、有效地評價鋼軌的狀態(tài)，用以制定合適的鋼軌養(yǎng)護維修計劃，但如何將軌檢車的海量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到鋼軌型面管理軟件，則有待進一步研究。

(2)重載鐵路此段外軌磨損的發(fā)展規(guī)律為“浴盆曲線”形式，曲線的形狀為兩頭高，中間低，具有明顯的階段性，可劃分為三個階段:快速發(fā)展期(磨合期)，平穩(wěn)發(fā)展期，急劇發(fā)展期。第一個階段:快速發(fā)展期(磨合期)，即通過總重為0 ～30 Mt，新軌上道后，由于鋼軌表面脫碳層的存在，鋼軌制造工藝的缺陷以及輪軌型面的磨合，在此階段鋼軌的磨損快速發(fā)展;第二階段:平穩(wěn)發(fā)展期，即通過總重在30 ～210 Mt，鋼軌磨損量平穩(wěn)增長，平均磨損速率為0．014 6 mm/Mt，此階段鋼軌的磨損速率較新軌上道減緩并趨于穩(wěn)定;第三階段:急劇發(fā)展期，及通過總重為210 Mt 以后，鋼軌磨損急劇增加，由鋼軌型面分析可知，在此階段，外軌軌距角有嚴(yán)重的塑性變形出現(xiàn)。

(3)在新軌上道后不久進行新軌預(yù)打磨(銑磨)，將加速輪軌型面的磨合;在鋼軌磨損的平穩(wěn)發(fā)展期可以利用其平穩(wěn)發(fā)展規(guī)律得到的最優(yōu)磨損率指導(dǎo)預(yù)防性鋼軌打磨(銑磨);在鋼軌磨損的急劇發(fā)展期開始之前應(yīng)當(dāng)進行鋼軌型面的修復(fù)性打磨(銑磨)，重塑鋼軌型面。為了有效利用鋼軌型面發(fā)展變化規(guī)律及得到最佳磨損率，指導(dǎo)鋼軌打磨或銑磨，還需要進一步研究鋼軌疲勞裂紋的萌生和發(fā)展規(guī)律。

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