論小半徑曲線鋼軌磨耗原因及防治
2010-12-31 00:00:00韓冰
現代商貿工業 2010年16期
摘要:針對鐵路運輸小半徑曲線軌道鋼軌磨耗嚴重，危及鐵路行車安全的問題，闡述了鋼軌磨耗產生的機理，分析了導致鐵路曲線鋼軌磨耗嚴重的原因，介紹了相應的防治措施。
關鍵詞:
力;小半徑;曲線鋼軌;磨耗;影響;防治措施
中圖分類號:U2
文獻標識碼:A
文章編號:1672-3198(2010)16-0355-02
1 前言
鐵路鋼軌在大自然的影響和列車作用下，會因銹蝕、磨耗和傷損到一定程度而不斷更換。在曲線軌道，特別是在小半徑曲線軌道上，磨耗更為嚴重。我們遼源礦業集團鐵路運輸公司始建于1931年，鋼軌型號復雜，設備陳舊老化，小半徑曲線多，坡度大，鋼軌磨耗更為嚴重。在養護維修中，近幾年發現二百半徑處鋼軌磨耗遠比其它處嚴重，表現為踏面磨耗、鋼軌飛邊、擦傷、剝落掉快和側面磨耗，尤以側面磨耗嚴重，需經常換軌。而換軌大修費用十分昂貴，且浪費工時，人員勞動強度大，成本消耗大。
2 鋼軌磨耗產生的機理和影響因素
機車車輛在軌道上運行時，會產生各種復雜地振動，導致復雜地作用與軌道上的荷載，產生各種各樣的力。
行駛中的機車車輛作業于鋼軌上的力是非常復雜的。大體可分為垂直于軌面的豎向力，垂直于鋼軌的橫向水平力和平行于鋼軌的縱向水平力三種。軌道在這些力的作用下，產生各種各樣的應力和變形。
這些力或由于機車車輛與軌道之間的相互作用，或由于軌道本身溫度變化或其它原因而產生，對鋼軌產生不同影響。
2.1 豎向力的影響
豎向力是指作用于鋼軌的車輪荷載。豎向力包括靜輪重和附加動壓力兩部分，隨行車速度的增加而增加，過大可以造成鋼軌壓潰現象。
影響豎向力的主要原因有:
(1)車輪踏面因制動或其它原因被擦傷而形成扁瘢。有扁瘢的車輪每轉動一周要撞擊鋼軌一次，產生具有沖擊性質的輪載，使動力附加值增加。
(2)車輪輪箍和輪心因圓周不同心而形成偏心。有偏心的車輪在行駛過程中對鋼軌施加沖擊力，猶似蒸汽機車的過量平衡錘一樣，使動力附加值增加。
(3)機車車輛通過曲線軌道時，因未被平衡的外軌超高而產生的輪載偏載，使一股鋼軌上的輪載增加，另一股鋼軌上的輪載減小。
(4)機車車輛通過鋼軌接頭時，由于軌縫、錯牙和折角的影響而產生的沖擊附加力。
(5)機車車輛通過軌道不平順時，由于簧上結構(輪對彈簧裝置以上部分)和簧下部分(輪對彈簧裝置以下部分)作復雜的空間振動，使作用于軌道上的動輪載有所增加。
(6)機車車輛通過鋼軌頂面有類似擦傷一樣的短波長單獨不平順時，產生與扁瘢車輪完全相同的沖擊性輪載，使動力附加值增加。
(7)機車車輛通過曲線軌道時，作用于轉向架上的橫向力，使同一輪對上左右兩車輪的輪載偏載。
2.2 橫向水平力的影響
橫向水平力是指車輪輪緣作用于軌頭側面上的力，是由未被平衡的離心力，線路不平順及車輛搖擺的動力作用以及轉向架、輪軸間相互作用所引起的力。在曲線地段，特別是在小半徑曲線地段，橫向水平力一般要大出直線地段好幾倍。橫向水平力受機車車輛、軌道結構類型、曲線半徑、輪軌摩擦系數和軌道側向剛度等眾多因素的影響。機車車輛輪緣作用于鋼軌上的橫向水平力等于車輪通過曲線時的導向力與車輪循轉向架轉動中心轉動時輪軌間摩擦力之差或之和，隨車輪的轉動方向而定。導向力根據轉向架通過曲線時作用于其上的離心力、向心力、摩擦阻力的平衡條件計算求得。橫向水平力能使鋼軌的側面磨耗加大。
影響橫向水平力的主要因素有:
(1)機車車輛在方向不平順的軌道上時(方向錯亂，接頭死彎，道岔上尖軌、轍岔翼軌和護軌等處所)，因車輪輪緣或車輪內側面沖擊鋼軌而引起的。
(2)機車車輛通過有未被平衡外軌超高的曲線軌道時，因離心力與向心力不能相互抵消而引起的的，能引起外軌或內軌的偏載。
(3)機車車輛通過曲線軌道時，因車架或轉向架轉向，使車輪輪緣作用于鋼軌側面上，這是產生橫向水平力的主要原因。
2.3 縱向水平力的影響
產生縱向水平力的主要因素有:
軌道縱向爬行時的爬行力，坡道上列車重力的縱向分力，制動力，摩擦縱向力，因軌溫變化而在鋼軌內部產生的溫度力。
3 產生鋼軌磨耗的原因
3.1 鋼軌的位置不正確
鋼軌的位置不正確是造成鋼軌磨耗的主要原因。由于鋼軌位置不正確，使里外股鋼軌受力不均勻，發生鋼軌偏壓，列車行車不平穩，產生附加力打擊鋼軌而加速軌面磨耗。
(1)超高度不適合。
超高過大或過小都會引起鋼軌的偏載和輪軌不正常的接觸。超高過大，則列車的重量偏載于里股鋼軌，使里股鋼軌的垂直磨耗加大，出現碾壓現象，同時對外軌的側面磨耗也不利。超高過小，列車外輪緊貼外軌運行，對鋼軌的側向磨耗也不利。因此說，超高度不適合，就能產生里外股鋼軌偏載和輪軌的不正常接觸，從而加劇鋼軌的磨耗。
(2)鋼軌軌底坡不正確。
鋼軌軌底坡不合適使鋼軌頂面與車輪踏面不相吻合，鋼軌頂面受偏壓，會加速鋼軌的磨耗。曲線鋼軌均是外側鋼軌長，內側鋼軌短，不能滿足輪軌受力關系的要求。曲線內側鋼軌和車輪的接觸面沒有位于鋼軌的軸心，而在鋼軌外側，鋼軌受力不合理，從而造成內側鋼軌軌面外側磨耗以及外側鋼軌軌面不均勻磨耗現象。
只有當外軌的滾動半徑大于內軌的滾動半徑時，機車車輛的轉向架才能順利通過曲線鋼軌，車輪在與鋼軌的滑動摩擦距離得以減少。通常情況下，可以對曲線里股鋼軌增大軌底坡，以減緩鋼軌側面磨耗。
軌底坡設置是否合理，可根據鋼軌頂面上的由車輪碾磨形成的光帶位置來判定。若光帶偏離軌頂中心向內，說明軌底坡設置不足，若光帶偏離軌頂中心向外，說明軌底坡設置過大，若光帶偏離軌頂中心居中，說明軌底坡設置合適。3.2 養護不良
曲線狀態的好壞，對鋼軌磨耗也會產生直接的影響。如果養護的曲線不良，則鋼軌磨耗就大，反之，養護好的曲線，鋼軌磨耗就小。
(1)軌距超限。
由于軌距超限，使車輪與鋼軌的內接情況不好，阻力增加，增加車輛的不穩定性和橫向力，增加導向力和沖擊角，引起行車搖晃，造成鋼軌磨耗。
(2)緩和曲線超高度遞減距離不夠。
由于緩和曲線受地形的限制，長度不能滿足順坡遞減率的要求，順坡率過大，引起列車在緩和曲線運行時發生振動，搖晃和沖擊，加速鋼軌磨耗。
(3)方向不圓順。
在撥道時為圖方便省事，經常把鋼軌向上撥，使誤差都集中在緩和曲線頭，造成曲線“鵝頭”，曲線方向不順，列車通過曲線鋼軌時，產生的導向力和沖擊角不同，曲線鋼軌受到的側面磨耗影響也不同。理論上的計算表明，曲線鋼軌正矢的變化與導向力和沖擊角成正比。曲線鋼軌鵝頭狀或者方向不圓順，均會使列車通過時產生搖晃，加速鋼軌的磨耗。
(4)道床不潔，搗固不良，線路上有三角坑，暗坑和吊板等病害或線路翻漿帽泥，線路質量變化，這些都會加速鋼軌的磨耗。
(5)曲線若位于坡道上，坡度不良，使機車車輛在各種力的作用下對鋼軌的磨耗加大。
3.3 其它原因
除了上述兩大方面的原因外，還有其它方面的原因也能造成鋼軌磨耗。
(1)鋼軌本身硬度不夠或鋼軌未予及時修整，鋼軌有低接頭、硬彎，加大了車輪對鋼軌的打擊力。
(2)防爬設備、軌枕、聯結零配件的數量缺少或失效，不能牢固的固定鋼軌，也會使鋼軌磨耗加劇。
(3)曲線軌道下股鋼軌輪軌接觸點上接觸應力過大，在已經磨耗的車輪踏面邊緣出現半徑很小的反向凸緣，是曲線下股鋼軌軌頭壓潰的主要原因。
(4)輪對通過小半徑曲線時的“粘著——滑移”效應而產生鋼軌波形磨耗，鋼軌材質對波形磨耗的形成和發展也有很大影響。
(5)貨物超載。
鋼軌頭部傷損幾乎全是疲勞傷損，大都由超載引起。重載貨物列車，即使運行速度不高，對鋼軌的破壞也比一般高速列車大。我們公司主要承擔礦山煤炭及其附屬產品生產的裝車和運輸，自備車時有超載現象，對鋼軌的損傷也加大了。
(6)機車車輛維修不及時，機車車輛輪對尺寸超限，車輪輪箍和輪心因圓周不同心而偏心或車輪踏面有擦傷等都會增大對鋼軌的沖擊力，使鋼軌的磨耗現象加大。
4 鋼軌磨耗的防治
鋼軌磨耗超限，唯一的辦法就是換軌。這樣即浪費材料又浪費工時。因此，必須盡量減少換軌工作，把鋼軌磨耗這一病害消滅在萌芽之中。即采取有效措施防止鋼軌磨耗發生，或使鋼軌磨耗的程度減緩。
4.1 正確調整鋼軌位置
(1)正確調整曲線外軌超高度，合理設置外軌超高。
設置曲線外軌超高度，其目的有三點:第一是防止車輛通過曲線時向曲線外側傾倒，第二是使上下股鋼軌的荷載平衡，減少鋼軌磨耗，第三是使列車安全平穩通過曲線，使乘客感到舒適。如果超高度不正確，就會加大鋼軌的磨耗，使軌距擠開，造成機車車輛脫軌或傾覆。超高值大小需結合列車不同運行地段的實際速度進行調整，合理設置相應地段的曲線外軌超高。
我公司2003年前為蒸汽機車、牽引力大，列車速度高，外軌超高為60毫米，2003年改為內燃機車，機車平均速度下降，為25公里/小時，最高行車速度為40公里/小時，最低行車速度為10公里/小時。如果仍按原有超高運行，必會產生較大的向心力，甚至有傾覆的危險。這就需要改變原有的外軌超高度。
根據公式外軌超高度h=11.8V2平均/R=11.8*25*25/200=39.8≈40毫米。
《線路維修規程》規定，未被平衡的欠超高不大于75毫米，未被平衡的余超高不大于50毫米.。欠超高和余超高是未被平衡的離心加速度和未被平衡的向心加速度的另一種表示方法。
經過檢測，把超高h=40毫米代入公式中，算出欠超高、余超高。
未被平衡的欠超高Δh=11.8V2max/R-h=11.8*40*40/200-40=54<75毫米;
未被平衡的余超高Δh=h-11.8V2min/R=.40-11.8*10*10/200=35<50毫米。
欠超高、余超高，皆在《線路維修規程》允許范圍內。
我們把外軌超高度改設為40毫米，超高調整后，減少了未被平衡的離心力，鋼軌的磨耗現象有所緩解。
(2)及時調整軌底坡。增大曲線下股鋼軌的軌底坡，及時更換壓潰大膠墊，使車輪的重心落在鋼軌頂面中央位置上，以增加輪軌接觸面面積。
4.2 加強養護，消滅超限
經常保持曲線狀態良好，保持方向圓順，正矢好，軌面平，軌距水平不超限，道床石碴清潔、飽滿、夯實，以減少列車的搖晃，減輕車輪的沖擊力。
4.3 其它防治措施
(1)在小半徑曲線，可以廣泛使用合金鋼軌或淬火鋼軌，以提高鋼軌的耐磨性。但由于造價高，我公司沒有采用。
(2)整修鋼軌與零件的缺陷。
及時矯直鋼軌的硬彎，整治接頭支嘴，低接頭與病害，二百半徑處原低接頭較多，經過起小坑，低接頭現象得到改善。同時對缺損的聯結零配件、防爬設備進行了補充，使鋼軌固定在正確位置，使軌枕扣壓力達到規定標準，減輕了鋼軌的磨耗。(3)在已經磨耗的車輪踏面邊緣出現半徑很小的反向凸緣，是曲線上下股鋼軌軌頭壓潰的主要原因。消滅磨耗踏面上的反向凸緣，是防止軌頭壓潰的最有效的補救措施。
(4)定期涂油。鋼軌側面涂油是減少曲線外股鋼軌側面磨耗的有效、經濟的好方法，可以降低輪緣與鋼軌作業邊的摩擦系數，減輕輪緣的磨耗，并可節約機車所消耗的燃料。
定期對鋼軌進行涂油，降低摩擦系數，減少鋼軌磨耗，延長了鋼軌的使用壽命。
(5)杜絕超載現象。
鋼軌頭部傷損幾乎全是疲勞傷損，大都由超載所引起。重載貨物列車，即使運行速度不高，對鋼軌的破壞，也比一般高速列車大。我公司所載重車皆為煤車，時有超重的現象。認識到這個問題的嚴重性以后，我們對超載重車進行了整治，超載現象基本上杜絕了。減少了對鋼軌的磨耗。
(6)曲線軌道上股鋼軌的側面磨耗與機車車輛的通過條件密切相關。減少鋼軌側面磨耗的最有效措施是改善機車車輛的通過條件，力求使列車輪輪緣導向力最小。加強對機車車輛的檢修，使機車車輛的輪對尺寸不超限，輪緣車輪踏面無扁瘢，減少對鋼軌的沖擊力。
(7)及時對鋼軌頭部進行打磨，在波形磨耗還沒有深到一定程度使打磨無效之前，予以徹底清除。
(8)把曲線的鋼軌與直線的鋼軌交換使用
將曲線上使用一年或二年的鋼軌與直線上的鋼軌倒換使用，減輕鋼軌的磨耗。曲線與直線上鋼軌的磨耗程度不同，互相倒換還可延長鋼軌的使用壽命，但要注意不要調邊使用。
5 結束語
通過以上整治，我公司二百半徑處鋼軌磨耗現象得到了減緩，減輕了維修工作強度，延長了曲線鋼軌的使用周期。同時在經濟效益上起到了增收節支重要作用。
以上幾個方面的防治措施，是我們在多年的維修工作中，通過實踐積累起來的，有些可能很不完善，在今后生產實踐應用中，我們將會不斷完善和更新。
參考文獻
[1]童大塤.鐵路軌道[M].北京:中國鐵道出版社，1988.
