小半徑曲線鋼軌磨耗研究

吳 野 上海鐵路局南京橋工段

1 引言

曲線是軌道三大薄弱環節之一，特別是半徑小、坡道大的曲線隨著列車運量的增大、速度的提高，小半徑曲線外股鋼軌側面磨耗加快。為了適應鐵路運輸發展的要求，延長曲線更換磨耗鋼軌的周期，減少養護維修的工作量，降低運營成本，分析及防治小半徑曲線外股鋼軌側面磨耗，已成為線路維修工作中急需解決的重要課題之一。

鋼軌的傷損主要包括銹蝕、磨耗和折斷等，其中尤以鋼軌磨耗最為嚴重。鋼軌磨耗包括垂直磨耗和側面磨耗，垂直磨耗一般情況下是正常的，側面磨耗是我國現階段最為突出的傷損類型，它屬于塑性變形磨損、粘著磨耗和疲勞磨耗的綜合機理，最終形態猶如切削。側磨主要發生在小半徑曲線上，由于鋼軌對列車輪對的導向作用，車輪與鋼軌產生粘著、蠕滑和滑動，造成曲線上股嚴重側磨，在半徑較小，坡道大的小半徑曲線上，鋼軌的側向磨耗就更為嚴重。我段管轄的寧蕪線及部分支正線小半徑曲線，由于設計等級較低，線形條件不良，個別小半徑曲線的換軌周期非常短，有的7～8 個月就得下道，而且這些換軌周期完全由鋼軌的側磨來控制。有資料顯示小半徑曲線上的鋼軌有95%是由于側面磨耗超限而下道的，嚴重的鋼軌磨耗減小了鋼軌的強度，加劇了鋼軌的傷損，縮短了鋼軌的使用壽命，不僅浪費大量的資金，而且還干擾運輸任務的完成。因此減緩小半徑曲線鋼軌磨耗的速率，從而延長鋼軌使用壽命具有重大的現實和長遠意義。

2 曲線磨耗造成的主要病害

(1)鋼軌極易受傷，由輕傷發展到重傷。鋼軌側磨、波磨及接頭傷損是小半徑曲線常見的病害，尤其是側磨，是小半徑曲線最突出的傷損類型。

(2)軌道幾何尺寸易超限，小半徑曲線上高低、軌距、正矢相對其他線路容易發生變化，保持的周期短，特別是軌距擴大病害相當普遍，并且隨著鋼軌側磨的增加而逐漸加劇。

(3)聯接零件易松動且破損率高，小半徑曲線上聯接零件承受的沖擊力和橫向作用力都比較大，在相同扭力距的情況下，小半徑曲線聯接零件容易松動，當沖擊力和橫向力達到一定值時易造成夾板及接頭螺栓折斷、混凝土枕立螺栓失效、枕木道釘浮離、軌距桿折斷、軌掌壓裂、尼龍座擠碎、軌枕擋肩破損等病害。

3 曲線磨耗原因分析

小半徑曲線病害的產生與鋼軌受力有著直接關系。當列車在曲線地段運行時，產生的力十分復雜。通過力的分析，可將列車作用于鋼軌上的力分為3 個方向，即豎直方向、水平橫向以及水平縱向。作用于鋼軌上豎直方向分力的構成上，列車通過小半徑曲線通常會出現兩點接觸的情況，輪軌間存在著較大的橫向力作用，導致幾何形狀發生改變，有效截面減小。另外，由于軌面幾何尺寸不可能始終處于良好狀態，特別是軌距、正矢(或曲線方向)不良，這對鋼軌側面磨耗影響很大，也是引起曲線不均勻側磨的主要原因。不均勻側磨長度一般3 m～10 m之間，長短不一，大者甚至間隔幾十米。在磨耗形成的開始階段，磨耗速率很小，約每月0.1 mm 左右，主要是軌面淬火層未被完全破壞，不均勻磨耗框架還小；列車蛇形運動對鋼軌的沖擊力較小；當磨耗達到4 mm 以后，磨耗速率明顯大，軌面淬火被完全破壞，不均勻磨耗框架變大，列車蛇形運動對鋼軌的沖動力增大；曲線鋼軌側磨往往在多種原因的復合作用下形成，每一種原因只是引發磨耗的誘因，只是原因主次不同。

（1）曲線超高設置不合理的影響。曲線超高設置應根據實際通過的列車對數和實際通過的車速來確定。而事實上車速和通過對數是在不斷變化的，超高數值的合理性很難確定。超高偏大，車輪在向心力作用下撞擊磨擦下股鋼軌，從而逐漸形成下股鋼軌側磨和垂磨出現，超高偏小，車輪在離心力作用下撞擊磨擦上股鋼軌，上股鋼軌磨耗逐漸形成。

（2）線路結構狀態及軌面幾何尺寸不良的影響線路結構狀態不良是指：道床板結、翻漿；軌枕失效、空吊；扣件離縫、扭矩不足；鋼軌打疤、掉塊、低頭、擦傷、鞍磨等。軌面幾何尺寸不良是指：線路上存在著大的方向、高低、軌距、水平、正矢等超限處所。上述病害如集中于曲線地段，就會加速磨耗的形成發展。

（3）軌底坡的影響。軌枕預留軌底坡是l／40，用于直線地段是合適的，而在曲線地段，由于超高的作用，使車輪踏面與鋼軌頂面未全部接觸，車體荷載就集中于鋼軌內頂接觸面，對鋼軌破壞很大，容易形成磨耗。只有增大軌底坡，方可消除偏載作用。

（4）車體本身的影響。車輪面對鋼軌的沖擊摩擦，使其踏面形成不均勻磨耗，從而使列車進行蛇形運動，沖擊鋼軌，助長磨耗的形成。另外，車體與車體、車體與輪對之間連接不牢固，增加列車的晃動，也會助長磨耗的形成。

4 曲線磨耗整治措施

4.1 合理設置曲線超高

結合綜合維修對超高進行調整，最好利用大機維修對曲線超高進行調整，調整前要對通過對數和列車通過速度進行統計，并對超高設置進行重新換算，特別對鋼軌出現傷損異常的曲線要做重點測速，為克服過去人工測速誤差大的問題，可與機務段聯系，調用其機車監控議的速度數據，既省力、省時，又保證了采集數據的準確性。凡是發現鋼軌不正常磨耗、曲線撞道嚴重地段，馬上派人深入現場測速。設置超高時充分考慮曲線現場的實際狀況，盡量接近于計算超高。

4.2 做好曲線的撥道工作，保持正矢不超限

消滅“鵝頭”及“反彎”如果曲線方向不良，就會形成這樣一種循環：方向不良一鋼軌不均勻磨耗一曲線橫移、撞道一扣件松動失效一軌距及變化率超限一加劇方向不良。為保證曲線方向處于良好狀態，必須用繩正法計算撥道量。在撥道時首先將曲線及兩端的軌縫均勻，并將頭尾的直線方向撥直，如果撥量較大可在大機作業前根據繩正法計算的撥量進行粗撥道，然后再利用大機進行精撥，可以取得更好的整治效果。

4.3 加強曲線的日常保養

保持曲線圓順，減少車輪對鋼軌的沖擊力(1)保持曲線的幾何尺寸不超限。(2)整治、更換、補充聯結零件及扣件，加強兩個扭矩，防止線路爬行。(3)矯直鋼軌硬彎，消滅鋼軌接頭“支嘴”。(4)提高搗固質量，特別要注意搗固均勻一致、搗墊結合，消滅低接頭硬小腰或高接頭低小腰以及暗坑吊板。(5)徹底整治接頭病害，及時清篩翻漿冒泥接頭，并換成小石碴以增加其穩定性，接頭錯口及大軌縫及時整治，打磨接頭鋼軌倒角以減少鋼軌揭蓋掉塊。

4.4 適當改變軌底坡

增加輪軌接觸面積當曲線上股鋼軌主要表現為側磨時，可在曲線下股墊以l0／14 mm 的坡形膠墊，減少下股鋼軌外傾量，防止因鋼軌外傾造成的軌距擴大和沖擊角的增加。

4.5 對小半徑曲線進行技術加強

（1）可根據曲線的實際情況采用增加軌距桿，或在曲線上股外側增加混凝土軌撐的加強方法。（2）在小半徑曲線上鋪設淬火軌和Ⅲ型軌枕及相應的扣件是小半徑曲線技術加強的發展方向。淬火鋼軌具有較高耐磨強度和足夠的硬度。對曲線上股軌枕外側擋肩擠壞嚴重、動靜態檢查病害較多的曲線換鋪Ⅲ型軌枕及相應的扣件。（3）堅持鋼軌涂油。在曲線上利用鋼軌側面涂油的辦法可以減緩鋼軌磨耗特別是側磨，延長鋼軌使用壽命1/3 或更長一些。

5 結束語

通過以上分析，歸納起來，對防治小半徑曲線鋼軌的磨耗上，工務部門主要做好一下幾個方面的工作：

（1）清理路肩，整修排水設備，使路基排水暢通。

（2）保持道床彈性和排水良好，根據曲線半徑或線路橫移情況，適當加寬曲線外側碴肩寬度。無縫線路地段可根據需要堆高碴肩。

（3）更換接頭失效軌枕，接頭的四根軌枕下墊高彈膠墊。

（4）整修鋼軌坍低接頭，對馬鞍形磨耗、波形磨耗等要進行打磨，側面磨耗曲線應定期涂油。

（5）根據具體情況，增設軌距桿及軌撐，必要時增加防爬器及支撐，杜絕線路爬行。

（6）絕緣接頭采用高強絕緣螺栓（扭力矩保持700 N·m）。

（7）加強搗固及時消滅空吊板、三角坑等，補足道碴填滿夯實。

（8）按規定做好超高及其順坡，使超高順坡均勻曲線圓順。

（9）對變化較快的曲線，應埋設永久性撥道樁。

（10）小半徑曲線要盡量使用耐磨淬火軌。