上海地鐵一號線曲線鋼軌側(cè)磨研究

陳 佳 君

(1.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200000;2.上海軌道交通維護(hù)保障中心工務(wù)公司，上海 200129)

0 引言

地鐵發(fā)展日新月異，據(jù)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(wù)分公司責(zé)任也愈顯重要，因此對于現(xiàn)有的曲線側(cè)磨軌要進(jìn)行及時的控制與更換。根據(jù)資料顯示，我國98%的小半徑曲線鋼軌是由于側(cè)面磨耗超限而報廢的。嚴(yán)重的鋼軌側(cè)面磨耗減少了鋼軌的強(qiáng)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(wù)的完成。隨著軌道交通運量的不斷增長，曲線側(cè)磨超限的問題越來越突出。研究曲線側(cè)磨超限及防治技術(shù)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(cè)磨日益嚴(yán)重，側(cè)磨速度不斷加快，尤其是小半徑曲線上股鋼軌的側(cè)磨更為嚴(yán)重。因此，我們必須正確認(rèn)識和掌握曲線側(cè)磨的發(fā)展規(guī)律，主動進(jìn)行超前防范。

1 曲線鋼軌側(cè)磨形成的機(jī)理

1.1 鋼軌曲線側(cè)磨的形成過程

通常情況下，機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架通過曲線時，轉(zhuǎn)向架第一輪對的外輪總是貼靠外軌的內(nèi)側(cè)面軌距側(cè)，轉(zhuǎn)向架車輪輪緣與鋼軌發(fā)生接觸，這是曲線鋼軌發(fā)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(jù)統(tǒng)計，650 m半徑以下小半徑曲線的側(cè)磨超限尤為嚴(yán)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(cè)磨形成的位置

在曲線鋼軌側(cè)磨出現(xiàn)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(gòu)成的面，而未被平衡離心力造成的橫向力在鋼軌軌頭側(cè)面產(chǎn)生過大的接觸應(yīng)力(見圖2)。即作用在鋼軌軌頭側(cè)面上的荷載較大，根據(jù)摩擦原理輪軌之間摩擦力與荷載成正比，原本凸出點發(fā)生斷裂脫離母材形成凹坑，而原來的凹坑成為凸點，往復(fù)進(jìn)行就形成了鋼軌軌頭側(cè)面的磨耗，這是曲線側(cè)磨發(fā)展的第一階段。

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

1.2 接觸疲勞裂紋的形成過程

鋼軌出現(xiàn)疲勞裂紋與多種因素有關(guān)(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(fù)雜的多項參數(shù)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(jù)城市軌道交通的發(fā)展縮短了不少，現(xiàn)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(qū)處于軟土層，路基無論是隧道、地面還是橋梁，本身就發(fā)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(qiáng)度工作條件下，軌頭工作面因時效效應(yīng)發(fā)生冷硬化致使其硬度不斷增長，輪軌關(guān)系始終處于“硬碰硬”的狀態(tài)(見圖4)。這是造成鋼軌疲勞裂紋的內(nèi)因。

圖4 鋼軌金相發(fā)生變化示意圖

2 曲線鋼軌側(cè)磨情況分析

2.1 工務(wù)保養(yǎng)改善曲線側(cè)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(shù)，也即當(dāng)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(yuǎn)，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(cè)面磨耗系數(shù)。結(jié)果當(dāng)月測得的磨耗值增加量有明顯的減少。

2.2 凹形車輪對內(nèi)軌外側(cè)表面?zhèn)麚p的影響

在徐家匯車站附近線路踏勘時發(fā)現(xiàn)，除鋼軌表面有剝離掉塊外，內(nèi)軌軌頂面外側(cè)有一明顯的擦痕，如圖6所示。根據(jù)輪軌接觸幾何條件，認(rèn)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(cè)接觸的光彈應(yīng)力圖

列車在線路上運行，車輪踏面要發(fā)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(cè)稱為假輪緣。如將未磨損和磨損的車輪踏面形狀進(jìn)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(cè)(軌道外側(cè))，當(dāng)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(fā)生變化。在正常情況下，是輪踏面與鋼頂面接觸。當(dāng)列車通過曲線時，一輪對的外輪輪緣貼靠鋼軌側(cè)面，造成曲線外軌的側(cè)面磨耗，此時外輪輪緣與外軌側(cè)面間無間隙，所有輪軌間隙都在內(nèi)輪與內(nèi)軌軌距側(cè)之間，內(nèi)輪的踏面外側(cè)與軌頭外側(cè)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(cè)接觸，如圖6所示。從圖6中可知，由于假輪緣為凸出狀態(tài)，且曲率半徑很小，往往造成很大的輪軌接觸應(yīng)力，對輪軌的傷損產(chǎn)生很大的影響。

上海地鐵曲線軌道內(nèi)軌的受力沒有圖6所示的極端嚴(yán)重狀態(tài)，但由于鋼軌側(cè)磨軌距擴(kuò)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(cè)接觸，從而造成軌頭外側(cè)的擦傷現(xiàn)象。為避免這一現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整軌距，對車輪進(jìn)行鏇輪，減小假輪緣與軌頭外側(cè)接觸的概率。

3 曲線鋼軌側(cè)磨減緩措施

3.1 預(yù)利用設(shè)備資源檢查軌道動態(tài)情況

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

3.2 巡檢及測量工作

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

3.3 小半徑曲線的日常養(yǎng)護(hù)

加強(qiáng)小半徑曲線的維護(hù)，首先要加強(qiáng)小半徑曲線的檢查。工區(qū)每個季度檢查一遍曲線正矢，適時采用改道的方法來進(jìn)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(tài)不良造成的列車橫向偏移。

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