張文生+黃守剛

摘 要：世界各地的鐵路工作者，包括一些力學(xué)、材料、機械、摩擦磨耗及潤滑的研究工作者，都對鋼軌磨耗問題進行了長期的研究，其目的是為了減緩曲線的外軌側(cè)磨、內(nèi)軌壓潰、波浪形磨耗，以及降低軌道部件的力學(xué)傷損。由于世界各國鐵路的列車運行情況不同，就是國內(nèi)鐵路，各條線路的列車運行情況也不相同，所以影響曲線鋼軌側(cè)磨的因素也就各不相同，因此我們應(yīng)該采取的減緩磨耗措施也就各不相同，有提高鋼軌材質(zhì)、改善輪軌潤滑條件；有改善機車車輛轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向性能、改變車輪踏面形狀、鋼軌預(yù)打磨；也有改變軌道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)等。但目的只有一個，就是降低鋼軌側(cè)面磨耗的速率和減少軌道部件的傷損，延長鋼軌的使用壽命，從整體上提高鐵路運輸?shù)慕?jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：鋼軌側(cè)面磨耗；曲線超高；原因分析；整治措施

一、選題的背景和意義

軌道是列車運行的基礎(chǔ)，鋼軌是鐵路運輸?shù)闹匾A(chǔ)設(shè)施之一。保持鋼軌性能的良好和完整，是鐵路運輸?shù)幕厩疤?。近年來，隨著我國鐵路的全面提速以及重載鐵路的發(fā)展，行車密度日益增加，鋼軌的傷損日趨嚴(yán)重，尤其是重載干線和小半徑曲線，這一問題尤為突出。鋼軌的傷損主要表現(xiàn)為銹蝕、魚鱗紋、磨耗和折斷等，其中以鋼軌磨耗最為嚴(yán)重，縮短了鋼軌的使用壽命， 干擾正常運輸任務(wù)的完成，對行車安全造成重要的影響，嚴(yán)重制約了鐵路運輸?shù)陌l(fā)展。

根據(jù)調(diào)查資料，小半徑曲線軌道上的鋼軌，有98%是由于磨耗超過限度而報廢。因此，探討一種有助于改善曲線側(cè)磨條件的可行性建議和結(jié)論，減緩小半徑曲線鋼軌側(cè)面磨耗的速率， 延長鋼軌使用壽命，降低維修費用，保證行車安全，是工務(wù)工作的一項重要任務(wù)，同時對于我國鐵路運輸發(fā)展也具有重大的意義。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鋼軌側(cè)面磨耗和軌道其他的永久變形一樣，是不可避免的，但是通過各方面的努力，減少和緩和鋼軌側(cè)面磨耗是可能的。列車通過曲線時，輪軌產(chǎn)生兩點接觸以及在接觸點上輪軌間的相互作用——滑移和摩擦是產(chǎn)生曲線軌道上鋼軌側(cè)面磨耗的根源。實踐表明，要減緩鋼軌的側(cè)面磨耗，必須從機車車輛、軌道以及輪軌關(guān)系等方面入手，改善輪軌的接觸條件和摩擦條件。世界各地的鐵路工作者，包括一些力學(xué)、材料、機械、摩擦磨耗及潤滑的研究工作者，都對鋼軌磨耗問題進行了長期的研究，其目的是為了減緩曲線的外軌側(cè)磨、內(nèi)軌壓潰、波浪形磨耗，以及降低軌道部件的力學(xué)傷損。但世界各國鐵路的列車運行情況不同，就是國內(nèi)鐵路，各條線路的列車運行情況也不相同，所以影響曲線鋼軌側(cè)磨的因素也就各不相同，因此我們應(yīng)該采取的減緩磨耗措施也就各不相同：有提高鋼軌材質(zhì)、改善輪軌潤滑條件；有改善機車車輛轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向性能、改變車輪踏面形狀、鋼軌預(yù)打磨；也有改變軌道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)等。但目的只有一個，就是降低鋼軌側(cè)面磨耗的速率和減少軌道部件的傷損，延長鋼軌的使用壽命，從整體上提高鐵路運輸?shù)慕?jīng)濟效益。

練松良、孫琦和王午生根據(jù)輪緣導(dǎo)向理論提出影響曲線鐵路鋼軌軌頭側(cè)面磨耗的主要原因是輪軌之間的導(dǎo)向力和沖角。導(dǎo)向力指的是機車車輛通過曲線鐵路時，外軌軌道施加給機車車輛外輪輪緣的作用力；沖角指的是輪軌滾動軸線與曲線半徑方向的夾角。曲線半徑越小，導(dǎo)向力越大，沖角也越大，所以，曲線半徑越小，鋼軌軌頭的側(cè)磨也就越嚴(yán)重。另外，在曲線鋼軌磨耗及其減緩措施中，還對輪軌接觸幾何關(guān)系、曲線軌道受力和輪軌接觸面的受力進行了詳細(xì)分析，并著重分析了改變軌道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對鋼軌磨耗的影響，同時還分析了鋼軌材質(zhì)、養(yǎng)護條件和機車車輛構(gòu)造性能及軸重等因素對曲線鋼軌側(cè)磨的影響，并提出了了相應(yīng)的改善措施。

趙國堂和曾樹谷在《曲線半徑與過、欠超高對鋼軌側(cè)磨的影響》一文中首先介紹了曲線鋼軌側(cè)磨規(guī)律和鋼軌磨耗評價體系，隨后建立計算模型，應(yīng)用車輛動力學(xué)分析程序NUCARS，建立了49個自由度的輪軌相互作用分析模型，模擬了車輛在曲線上運行過程中的側(cè)磨規(guī)律分析了采用Vogel側(cè)磨指數(shù)和輪軌接觸摩擦功作為鋼軌側(cè)磨指標(biāo)時，不同曲線半徑和過欠超高下側(cè)磨的變化特點。

陳鵬，高亮和郝建芳運用SIMPACK虛擬樣機技術(shù)，從線路設(shè)計及養(yǎng)護維修的角度出發(fā)，對鐵路曲線上車輛速度、軌底坡、曲線超高及鋼軌涂油對輪軌磨耗的影響進行仿真計算和分析。分析結(jié)果表明：為降低輪軌磨耗及保證行車安全， 車輛速度以及線路條件決定的最高行車速度略低為宜；曲線超高過低或過高均會增大輪軌磨耗，由于小半徑曲線上設(shè)置的超高一般偏大，故而適當(dāng)降低小半徑曲線的超高對于降低輪軌磨耗是有利的；軌底坡的適當(dāng)增大可使得輪軌磨耗有一定降低，但效果不明顯，且軌底坡過大會加劇輪軌磨耗；對鋼軌進行適當(dāng)?shù)耐坑涂捎行Ы档洼嗆壞ズ模珣?yīng)進行嚴(yán)格控制，涂油太多對于降低輪軌磨耗反而不利。

三、數(shù)據(jù)采集

大準(zhǔn)鐵路是國家 “八五”計劃重點建設(shè)項目“準(zhǔn)格爾項目一期工程”三大主體工程之一，大準(zhǔn)鐵路東起山西省大同市，西至內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗薛家灣，正線全長264公里，途徑兩省六旗縣（市），是已形成的“西煤東運”大通道，大秦線的向西延伸。1998年隨準(zhǔn)格爾能源公司劃歸神華集團，是神華集團四條自營鐵路之一，也是目前我國煤炭系統(tǒng)最長的企業(yè)自建自管的專用鐵路，屬I級單線電氣化鐵路，設(shè)計年運輸能力1500萬噸，2006年完成擴建改造后運輸能力已達(dá)到4800萬噸，是目前我國第二條開行萬噸列車的鐵路，遠(yuǎn)景規(guī)劃可達(dá)到1-1.5億噸的運輸能力。大準(zhǔn)鐵路地處山區(qū)，曲線居多，尤其小半徑曲線，本課題選取了27條曲線，每條曲線設(shè)置5個測點進行鋼軌側(cè)面磨耗觀測。

四、曲線段未被平衡超高與側(cè)面磨耗關(guān)系

超高是影響車輛在曲線軌道上運行的主要因素之一，一旦線路實設(shè)超高確定后，在運行過程中是不能隨意改變的，但是通過曲線的列車速度有高有低。當(dāng)實際列車速度大于或小于曲線的平均速度時，就會產(chǎn)生未被平衡的橫向加速度，從而產(chǎn)生輪載偏載，使一股鋼軌上的輪載增加，另一股鋼軌上的輪載減小。超高設(shè)置不當(dāng)，會引起鋼軌偏載和輪軌的不正常接觸，從而影響到鋼軌的側(cè)面磨耗。

分析曲線段鋼軌未被平衡超高對曲線的側(cè)磨影響所用數(shù)據(jù)見表1。

（一）曲線段未被平衡超高與側(cè)面磨耗數(shù)據(jù)分析

所調(diào)查數(shù)據(jù)共包括27條曲線，其中設(shè)置欠超高的數(shù)據(jù)共有15條，設(shè)置過超高的曲線有12條，現(xiàn)將兩部分曲線分別進行分析。

1、曲線段欠超高與側(cè)面磨耗數(shù)據(jù)分析

對設(shè)置欠超高的曲線磨耗數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)見表2。

由于測點M1和測點M5的磨耗值都為0，所以在此只分析磨耗比較嚴(yán)重的M2點、M3點和M4點，在分析時對曲線進行篩選，剔除壞值。為了更好的研究欠超高與鋼軌側(cè)磨之間的關(guān)系，依據(jù)表4-2中的數(shù)據(jù)繪制散點圖，見圖1、圖2和圖3。

從圖1可以分析得出，欠超高與應(yīng)設(shè)超高的比值在0.26～0.40范圍內(nèi)，鋼軌測點M2的平均側(cè)面磨耗值最小。

從圖2可以分析得出，欠超高與應(yīng)設(shè)超高的比值在0.28～0.42范圍內(nèi)，鋼軌測點M3的平均側(cè)面磨耗值最小。

從圖3可以分析得出，欠超高與應(yīng)設(shè)超高的比值在0.04～0.20范圍內(nèi)，鋼軌測點M4的平均側(cè)面磨耗值最小。

對設(shè)置欠超高的所有曲線中的測點M2、測點M3和測點M4的磨耗值分別取平均值，得到曲線中測點M2、測點M3和測點M4的平均磨耗值分別為3.27mm、3.67mm和1.67mm。測點M2、測點M3和測點M4的平均磨耗值在總平均磨耗值所占的比重分別為0.38%、0.43%和0.19%?，F(xiàn)在對圖1、圖2和圖3分析得到的測點平均磨耗值最小時欠超高與應(yīng)設(shè)超高的比值范圍做加權(quán)平均，可以求得欠超高與應(yīng)設(shè)超高比值的取值范圍為0.23～0.37。從而得出，欠超高與應(yīng)設(shè)超高的比值在0.23～0.37范圍內(nèi)，鋼軌平均磨耗值最小。

2、曲線段過超高與側(cè)面磨耗數(shù)據(jù)分析

對設(shè)置過超高的曲線磨耗數(shù)據(jù)進行分析，數(shù)據(jù)見表3。

由于測點M1和測點M5的磨耗值大多為0，所以在此只分析磨耗比較嚴(yán)重的M2點、M3點和M4點，在分析時對曲線進行篩選，剔除壞值。依據(jù)表3中的數(shù)據(jù)繪制散點圖，見圖4、圖5和圖6。

從圖4可以分析得出，過超高與應(yīng)設(shè)超高的比值在0.48～0.64范圍內(nèi)，鋼軌測點M2的平均側(cè)面磨耗值最小。

從圖5可以分析得出，過超高與應(yīng)設(shè)超高的比值在0.52～0.68范圍內(nèi)，鋼軌測點M3的平均側(cè)面磨耗值最小。

從圖6可以分析得出，過超高與應(yīng)設(shè)超高的比值在0.52～0.68范圍內(nèi)，鋼軌測點M4的平均側(cè)面磨耗值最小。

對設(shè)置過超高的所有曲線中的測點M2、測點M3和測點M4的磨耗值分別取平均值，得到曲線中測點M2、測點M3和測點M4的平均磨耗值分別為5.50mm、7.83mm和3.92mm。測點M2、測點M3和測點M4的平均磨耗值在總平均磨耗值所占的比重分別為0.32%、0.45%和0.23%?，F(xiàn)在對圖4、圖5和圖6分析得到的測點平均磨耗值最小時欠超高與應(yīng)設(shè)超高的比值范圍做加權(quán)平均，可以求得過超高與應(yīng)設(shè)超高比值的取值范圍為0.51～0.67。從而可以得出，過超高與應(yīng)設(shè)超高的比值在0.51～0.67范圍內(nèi)，曲線鋼軌的平均磨耗值最小。

3、曲線段過超高曲線與欠超高曲線磨耗數(shù)據(jù)對比分析

分別對欠超高和過超高兩組曲線的磨耗求平均值，所求結(jié)果見表4。

從表4的數(shù)據(jù)可以分析得出，設(shè)置欠超高的一組曲線的總平均磨耗值為1.72mm，而設(shè)置過超高的一組曲線的總平均磨耗值為3.67mm，將兩組曲線對比，設(shè)置欠超高的曲線磨耗平均值明顯小于設(shè)置過超高的曲線磨耗平均值。

（二）針對未被平衡超高因素采取的減緩鋼軌側(cè)磨的措施

超高大小對輪軌之間的導(dǎo)向力及沖角的影響相當(dāng)敏感，所以超高對鋼軌的側(cè)磨具有很大的影響。由于超高直接引起導(dǎo)向力和沖角的變化，所以也就直接影響鋼軌軌頭側(cè)磨速率的大小。列車通過曲線時，橫向力隨著欠超高的增加而增大，當(dāng)此時橫向力小于輪軌接觸面上的橫向蠕滑力時，輪對可實現(xiàn)蠕滑導(dǎo)向而輪緣不與鋼軌軌頭側(cè)面接觸。在小半徑曲線上，由于鋼軌所受的橫向力遠(yuǎn)大于輪軌接觸面上的蠕滑力，所以要有輪緣力參與導(dǎo)向，此時在鋼軌軌頭側(cè)面就會發(fā)生磨耗。

但在過超高條件下，雖然輪軌之間的蠕滑力小于摩擦力，但由于存在較大的沖角是輪緣與鋼軌接觸，從而產(chǎn)生鋼軌軌頭的側(cè)磨。為了減緩曲線鋼軌的側(cè)磨，就要求內(nèi)輪產(chǎn)生向后蠕滑，而要達(dá)到這一目的就要求外輪所受的荷載大于內(nèi)輪所受的荷載。如果在曲線上設(shè)置的超高小于用平均速度計算所得到的超高，則大部分機車車輛通過曲線時都是以欠超高形式通過曲線，外輪荷載大于內(nèi)輪，就達(dá)到了內(nèi)輪產(chǎn)生蠕滑的目的，也就達(dá)到了減緩曲線鋼軌軌頭側(cè)磨的目的。針對此次調(diào)查的15條曲線鋼軌的實際側(cè)磨數(shù)據(jù)來看，當(dāng)欠超高與應(yīng)設(shè)超高的比值在0.23～0.37范圍內(nèi)時可以顯著減輕此路段各曲線段的鋼軌側(cè)磨現(xiàn)象，所以，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，盡量將設(shè)置過超高的曲線通過調(diào)整超高，設(shè)置為欠超高曲線，并且將欠超高與應(yīng)設(shè)超高的比值控制在0.23～0.37之間。

參考文獻(xiàn)：

[1]練松良，孫琦，王午生.鐵路曲線鋼軌磨耗及其減緩措施[M].北京：中國鐵道出版社；2001.