邢志忠　潘金柱

摘 要： 將從輪軌相互作用的角度闡述導(dǎo)致鋼軌的傷損與失效的原因及其機(jī)理，從理論和實踐經(jīng)驗上論證如何防止或減弱這些原因的形成，進(jìn)而提出一整套鋼軌保護(hù)技術(shù)。這種鋼軌保護(hù)技術(shù)是延長鋼軌壽命和預(yù)防重大事故的最有效，最經(jīng)濟(jì)的方法。結(jié)合在大秦運煤專線上運用這套保護(hù)技術(shù)的初步試驗結(jié)果，進(jìn)一步驗證它的有效性。

關(guān)鍵詞： 鋼軌；保護(hù)技術(shù)；蠕滑

中圖分類號： TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

文章編號： 16723198（2013）06016401

1 鋼軌的主要破壞形式

由于車輪在極大的載荷下滾動在鋼軌上，磨損往往是不可避免的。上股道鋼軌的磨損主要發(fā)生在內(nèi)側(cè)。下股道和直線上的鋼軌的磨損發(fā)生在頂部。

疲勞破壞是輪軌另一種最主要的破壞形式，也是更換軌道的主要原因之一。其微觀結(jié)構(gòu)有以下特點：

（1）在金屬表面層出現(xiàn)明顯的塑性流動。

（2）在塑性流動的流線上，形成初始裂紋。初始裂紋的方向與流線方向相同。

（3）初始裂紋可能發(fā)生在表面，也可能在表層以下生成。

（4）裂紋在深層（塑性流動層以下）無規(guī)則擴(kuò)展，呈樹枝狀。

（5）相鄰的裂紋有可能連接在一起，形成疲勞剝落。

根據(jù)斷裂理論，疲勞破壞的形成過程中一定存在生成初始裂紋和裂紋擴(kuò)展兩個階段，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定階段后，才會產(chǎn)生鋼軌斷裂。如果沒有初始裂紋的生成，就沒有裂紋的擴(kuò)展，也就沒有鋼軌斷裂。因而，控制初始裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，是鋼軌保護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵。

我們注意到裂紋的產(chǎn)生主要發(fā)生在彎道的鋼軌上。而在直線上，裂紋和剝離掉塊則很少發(fā)生。在直線和彎道上鋼軌承受的垂向載荷可以認(rèn)為是一樣的。因此，造就裂紋的原因不完全在垂向載荷上。直線和彎道上鋼軌受力狀況的最大區(qū)別在于表面切向力的是否存在。而切向力的產(chǎn)生是由于輪軌表面的相對滑動而引起的。在直線上，車輪在鋼軌上近乎純滾動，幾乎沒有滑動，或只存在微小的微觀滑動。因而，在輪軌接觸表面的切向力或者沒有，或者很小。而在彎道上，實踐證明輪軌之間一定會產(chǎn)生相對滑動和極大的切向力。這種相對滑動和切向力就是所謂的蠕滑和蠕滑力。

2 蠕滑的產(chǎn)生機(jī)理

輪軌蠕滑的產(chǎn)生有兩個原因。第一個原因是在接觸點上的滾動半徑差，它可以生成輪軌的縱向蠕滑，第二是輪軌接觸沖角，它可以導(dǎo)致輪軌的橫向蠕滑。

由于車輪是剛性的，左右輪的轉(zhuǎn)動速度永遠(yuǎn)是相同的。在左右兩軌上各有一個接觸點。在接觸點上，左右車輪的滾動半徑分別為r1 和r2。如果r1 和r2相等，在左右車輪接觸點上的線速度相同。如果r1 和r2不等，那么，左右車輪接觸點上的線速度也不等，半徑大的車輪線速度高，且高于車輛的行走速度；半徑小的車輪速度低，而且低于車輛的行走速度。這樣，在大半徑的車輪上，形成了一個正向的車輪對鋼軌的相對滑動。同樣，在小半徑的車輪上，形成了一個負(fù)向相對滑動。當(dāng)輪對向左移動時，左輪的滾動半徑大于右輪的滾動半徑，在左輪上形成正向蠕滑，而在右輪上形成負(fù)向蠕滑。反之，當(dāng)輪對向右移動時，在左輪上形成負(fù)向蠕滑，而在右輪上形成正向蠕滑。由于在左右輪上的蠕滑而產(chǎn)生的蠕滑力在輪對上形成了一個轉(zhuǎn)向力矩。這個力矩使車輪在直線線路上穩(wěn)定于沿直線行駛，在彎道上幫助轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向。因此，這個轉(zhuǎn)向力矩對于車輛行走是有益處的。然而，對鋼軌有害的在鋼軌接觸部位的蠕滑也隨之產(chǎn)生了。

滾動半徑差與蠕滑的輪軌接觸還可能產(chǎn)生在同一個車輪上。當(dāng)輪軌存在兩點接觸時，就必然存在滾動半徑差，從而就必然會導(dǎo)致輪軌蠕滑，而且在兩個接觸點上的蠕滑力的方向是相反的。這種蠕滑不僅會增大磨損，加速疲勞破壞，而且減弱了轉(zhuǎn)向架上的轉(zhuǎn)向力矩。因而，理想的輪軌接觸應(yīng)該是貼合式的一點接觸，這樣就不會在同一輪上產(chǎn)生滾動半徑差。但是，任何一處的鋼軌每天都要和成千上萬廓形各不相同的車輪相接觸，理想的輪軌一點接觸是不現(xiàn)實的。因此，現(xiàn)實而又近乎理想的輪軌接觸應(yīng)該是貼合式的兩點接觸。所謂貼合是由輪軌兩點接觸之間的最大縫隙厚度來評估的。當(dāng)該厚度小于0.4毫米時，稱之為貼合式接觸，否則為非貼合式接觸。貼合式兩點接觸所產(chǎn)生的滾動半徑差應(yīng)小于4毫米。實現(xiàn)貼合式接觸的重要手段則是鋼軌打磨。

由于軌道的彎曲和轉(zhuǎn)向架的特點，車輪行進(jìn)的方向與鋼軌的縱向一定會形成一個夾角，輪軌的相對蠕滑一定是沿著車輪行進(jìn)的方向發(fā)生的。而蠕滑可以分解為縱向蠕滑和橫向蠕滑。因而，輪軌之間的縱向蠕滑力和橫向蠕滑力也隨之產(chǎn)生。正是這個橫向蠕滑力將車輪推向上股道，造成輪緣和軌側(cè)的接觸與摩擦。橫向蠕滑力越大，在輪緣和軌側(cè)之間的接觸壓力也越大，自然，輪軌的磨損也就越大。同時，橫向蠕滑力相對于轉(zhuǎn)向架中心產(chǎn)生了一個力矩，造成轉(zhuǎn)向力矩減小，阻礙著轉(zhuǎn)向架在彎道的轉(zhuǎn)向。橫向蠕滑力的產(chǎn)生是由于沖角的存在，其大小也隨沖角的增大與減小而增大與減小。可見橫向蠕滑力對于輪軌關(guān)系是有害的，它不僅導(dǎo)致輪緣軌側(cè)的磨損，而且減小了轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)向力矩。

總之，控制滾動半徑差和沖角，控制縱向和橫向蠕滑力是鋼軌保護(hù)的最基本的兩項原則。

3 裂紋擴(kuò)展的機(jī)理-油楔效應(yīng)

裂紋擴(kuò)展還有一個重要的因素，就是液體的油楔效應(yīng)。當(dāng)車輪滾壓在裂紋前端時，裂紋張開。如果液態(tài)潤滑劑或雨水在裂紋端口，液體會滲入裂紋。當(dāng)車輪滾壓在裂紋的后側(cè)，裂紋關(guān)閉，液體被密封于裂紋內(nèi)。又由于液體的不可壓縮性，在車輪壓力的作用下，在裂紋頂端形成極大的高壓，促使裂紋向薄弱的方向擴(kuò)展。其薄弱的方向并不一定是塑性流線方向，因而，裂紋也不一定沿塑性流線方向擴(kuò)展，而是無規(guī)則地擴(kuò)展。正是由于裂紋擴(kuò)展的不規(guī)則性，常常將相鄰的裂紋相連接，從而形成鋼軌表面材料的剝離脫落。這樣，可能在很短的時間內(nèi)，裂紋會擴(kuò)展至鋼軌的深層，導(dǎo)致早期損壞。因此，油楔效應(yīng)應(yīng)該在軌道維護(hù)中得以根除或減弱。

4 鋼軌保護(hù)技術(shù)

根據(jù)上面的闡述，鋼軌保護(hù)技術(shù)應(yīng)該包括以下幾個方面：

（1）修正在上股道上的鋼軌廓面形狀，使輪軌呈現(xiàn)貼合式兩點接觸，以減小在同一車輪上的滾動半徑差；

（2）修正在下股道上的鋼軌廓面形狀，實現(xiàn)較大的左右輪之間的滾動半徑差，增大轉(zhuǎn)向架上的轉(zhuǎn)向力矩；

（3）改善轉(zhuǎn)向架的動態(tài)特性，以減小輪軌沖角，從而減小輪軌橫向力；

（4）使用摩擦調(diào)節(jié)劑，以減小輪軌橫向力；

（5）絕對禁止使用液態(tài)輪軌潤滑劑和摩擦調(diào)節(jié)劑，以避免油楔效應(yīng)。