上海地鐵一號線曲線鋼軌側磨研究

陳 佳 君

(1.同濟大學經濟與管理學院，上海 200000;2.上海軌道交通維護保障中心工務公司，上海 200129)

0 引言

地鐵發展日新月異，據了解，至2009年底，上海將開通10條線路，共310 km的線路。隨著接管的線路越來越多，作為地鐵保障單位的工務分公司責任也愈顯重要，因此對于現有的曲線側磨軌要進行及時的控制與更換。根據資料顯示，我國98%的小半徑曲線鋼軌是由于側面磨耗超限而報廢的。嚴重的鋼軌側面磨耗減少了鋼軌的強度，縮短了鋼軌的使用壽命，不僅浪費了大量的資金，而且還干擾著運營任務的完成。隨著軌道交通運量的不斷增長，曲線側磨超限的問題越來越突出。研究曲線側磨超限及防治技術就顯得越來越迫切。近年來，隨著列車牽引重量的增加和列車通過速度的提高，無縫線路曲線鋼軌側磨日益嚴重，側磨速度不斷加快，尤其是小半徑曲線上股鋼軌的側磨更為嚴重。因此，我們必須正確認識和掌握曲線側磨的發展規律，主動進行超前防范。

1 曲線鋼軌側磨形成的機理

1.1 鋼軌曲線側磨的形成過程

通常情況下，機車車輛轉向架通過曲線時，轉向架第一輪對的外輪總是貼靠外軌的內側面軌距側，轉向架車輪輪緣與鋼軌發生接觸，這是曲線鋼軌發生磨耗最主要的原因。而其余輪對則視列車通過曲線的速度而定。據統計，650 m半徑以下小半徑曲線的側磨超限尤為嚴重，這是因為小半徑曲線曲率越大，未被平衡的離心力就越大，輪軌之間接觸加劇(見圖1)。

圖1 側磨形成的位置

在曲線鋼軌側磨出現的初期，由于鋼軌表面微觀上來看是一個較為粗糙，是一系列凹凸點構成的面，而未被平衡離心力造成的橫向力在鋼軌軌頭側面產生過大的接觸應力(見圖2)。即作用在鋼軌軌頭側面上的荷載較大，根據摩擦原理輪軌之間摩擦力與荷載成正比，原本凸出點發生斷裂脫離母材形成凹坑，而原來的凹坑成為凸點，往復進行就形成了鋼軌軌頭側面的磨耗，這是曲線側磨發展的第一階段。

隨著磨耗的發展，車輪與鋼軌的接觸面積亦隨之增大，當鋼軌受到的摩擦力在其自身耐磨強度允許范圍內，鋼軌的磨耗趨于緩和。繼續發展下去鋼軌內部先出現疲勞裂紋，加速了鋼軌磨耗發展速率，直至成為重傷軌，這是曲線側磨發展的第三階段。

1.2 接觸疲勞裂紋的形成過程

鋼軌出現疲勞裂紋與多種因素有關(見圖3)，包括列車通過頻率、運量、軸重、曲線半徑、軌道不平順度等，可以說是一個復雜的多項參數漸變的過程，總之由于鋼軌工作疲勞緊張才是最主要原因。

圖2 輪軌之間二點接觸

圖3 接觸疲勞裂紋的形成過程

上海地鐵一號線自1997年全線貫通至今，相鄰列車間隔的時間根據城市軌道交通的發展縮短了不少，現在高峰時期列車間隔時間為150 s左右，運量也處于逐年遞增的趨勢。頻繁的車次和高運量是造成鋼軌工作緊張度增加的原因，另外上海地區處于軟土層，路基無論是隧道、地面還是橋梁，本身就發生不同程度的沉降，軌道也因此存在各種各樣的不平順。鋼軌處于這樣高強度工作條件下，軌頭工作面因時效效應發生冷硬化致使其硬度不斷增長，輪軌關系始終處于“硬碰硬”的狀態(見圖4)。這是造成鋼軌疲勞裂紋的內因。

圖4 鋼軌金相發生變化示意圖

2 曲線鋼軌側磨情況分析

2.1 工務保養改善曲線側磨

由于我國目前城市軌道交通采用的磨耗形車輪踏面，其斜率并非是一常數，也即當輪對有一橫移量時，其兩輪輪徑差的變化并非線性，離輪緣跟部近，則車輪踏面斜率就較大，輪徑的變化較大;離輪緣跟部遠，踏面斜率小，輪徑變化也小。圖5表明，在同樣輪對橫移量的條件下，軌距小，則輪徑差就大，從而有利于降低輪軌之間的沖擊角，減小鋼軌側面磨耗系數。結果當月測得的磨耗值增加量有明顯的減少。

2.2 凹形車輪對內軌外側表面傷損的影響

在徐家匯車站附近線路踏勘時發現，除鋼軌表面有剝離掉塊外，內軌軌頂面外側有一明顯的擦痕，如圖6所示。根據輪軌接觸幾何條件，認為這主要是由于假輪緣在軌頂面摩擦所引起。

圖5 凹形車輪踏面

圖6 假輪緣與軌頭外側接觸的光彈應力圖

列車在線路上運行，車輪踏面要發生磨損，如磨損不均勻，就會形成凹形車輪踏面，如圖5所示，車輪踏面的外側稱為假輪緣。如將未磨損和磨損的車輪踏面形狀進行對比，如圖7所示。

圖7 未磨損和磨損車輪踏面的對比

在圖7中，將車輪踏面分幾部分:輪緣面、輪緣跟部、輪踏面和踏面外側(軌道外側)，當輪對中心線偏離軌道中心線不同距離時，輪軌的接觸部位也發生變化。在正常情況下，是輪踏面與鋼頂面接觸。當列車通過曲線時，一輪對的外輪輪緣貼靠鋼軌側面，造成曲線外軌的側面磨耗，此時外輪輪緣與外軌側面間無間隙，所有輪軌間隙都在內輪與內軌軌距側之間，內輪的踏面外側與軌頭外側接觸，如此時車輪為凹形磨耗形踏面，則就會造成假輪緣與軌頭外側接觸，如圖6所示。從圖6中可知，由于假輪緣為凸出狀態，且曲率半徑很小，往往造成很大的輪軌接觸應力，對輪軌的傷損產生很大的影響。

上海地鐵曲線軌道內軌的受力沒有圖6所示的極端嚴重狀態，但由于鋼軌側磨軌距擴大，輪軌間隙增大，造成輪對橫移量增大，但輪踏面部分仍與鋼軌頂面踏部分接觸，假輪緣與軌頭外側接觸，從而造成軌頭外側的擦傷現象。為避免這一現象，應適當調整軌距，對車輪進行鏇輪，減小假輪緣與軌頭外側接觸的概率。

3 曲線鋼軌側磨減緩措施

3.1 預利用設備資源檢查軌道動態情況

通過三全檢查，我們可以對軌道靜態幾何狀態有詳細的了解。然而由于軌下基礎受到質量、剛度和阻尼等作用限制，光檢驗靜態幾何狀態并不能滿足現代軌道交通工務保障的要求，如何了解動態幾何狀態，尤其是鋼軌踏面是否不平順越發重要。

3.2 巡檢及測量工作

巡檢中要求人員對于出現磨耗的曲線要重點觀察磨耗發展情況，并且進行涂油工作。由于鋼軌疲勞裂紋容易出現在那些鋼軌踏面不平順的區域，作為工務線路工區，每周兩次的巡檢除了全面看之外還應該增加重點觀察和檢查。

3.3 小半徑曲線的日常養護

加強小半徑曲線的維護，首先要加強小半徑曲線的檢查。工區每個季度檢查一遍曲線正矢，適時采用改道的方法來進行整治，重點消滅由于不圓順度造成的附加正矢量，減少由于軌道幾何狀態不良造成的列車橫向偏移。

［1］顏秉善，王其昌.鋼軌力學與鋼軌傷損［M］.成都：西南交通大學出版社，1989.

［2］練松良，孫 琪，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.

［3］王午生.鐵路線路工程［M］.上海：上海科學技術出版社，1999.

［4］龔積球.曲線鋼軌損傷的起因及對策［J］.上海鐵道科技，2004(6)：31-32.

［5］孫建業.通過綜合養護工作延長曲線鋼軌使用壽命［J］.科技情報開發與經濟，2003(2)：68-69.