城市軌道交通小半徑曲線鋼軌磨耗研究

劉兵

摘 要：隨著城市化進(jìn)程加快，軌道交通建設(shè)項(xiàng)目明顯增多，加強(qiáng)運(yùn)行管理、降低運(yùn)行成本，成為從業(yè)人員的研究重點(diǎn)。本文以小半徑曲線段為核心，首先指出鋼軌磨耗的特點(diǎn)，然后分析了相關(guān)影響因素，最后提出幾點(diǎn)防治措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通；小半徑曲線；鋼軌磨耗；防治措施

中圖分類(lèi)號(hào)：U213.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）11-0062-01

在城市軌道交通中，小半徑曲線地段的鋼軌磨耗問(wèn)題一直存在，相比于地面道路系統(tǒng)，軌道交通對(duì)周邊環(huán)境的要求高，軌道結(jié)構(gòu)會(huì)采用減振設(shè)計(jì)。但是，曲線半徑過(guò)大，會(huì)增加工程建設(shè)成本；曲線半徑過(guò)小，不僅影響行車(chē)舒適度，也會(huì)產(chǎn)生明顯的鋼軌磨耗。以下結(jié)合實(shí)踐，探討了鋼軌磨耗的影響因素和防治措施。

1 城市軌道交通小半徑曲線鋼軌磨耗特點(diǎn)

1.1 側(cè)磨明顯

軌道交通受環(huán)境的干擾明顯，常采用小半徑曲線設(shè)計(jì)，在不同列車(chē)、軸重、速度的影響下，就會(huì)造成鋼軌磨耗。分析鋼軌損傷的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：（1）接觸疲勞裂紋；（2）剝離掉塊；（3）鋼軌側(cè)磨；（4）頂面波磨；（5）軌頭壓潰。在小半徑曲線段，鋼軌側(cè)磨和使用壽命密切相關(guān)，側(cè)磨造成的損害會(huì)縮短正常的換軌周期。舉例來(lái)說(shuō)，在上海軌道交通中，某一區(qū)段的最小曲線半徑為300m，鋼軌使用壽命僅有6個(gè)月。

1.2 波磨異常

軌道交通為了滿足行車(chē)安全性要求，在結(jié)構(gòu)中采用減振設(shè)計(jì)，以減振型扣件為例，具有價(jià)格低廉、施工方便、可以維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用廣泛[1]。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在使用減振扣件的區(qū)段，鋼軌波磨異常。舉例來(lái)說(shuō)，在北京地鐵4號(hào)線中，采用多種減振結(jié)構(gòu)，運(yùn)行1個(gè)月后就出現(xiàn)了異常波磨，波長(zhǎng)約為60mm。而在《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中，明確指出減振設(shè)計(jì)的同時(shí)，不能影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、平順性、強(qiáng)度指標(biāo)，顯然波磨異常不滿足規(guī)范要求。

2 小半徑曲線鋼軌磨耗的影響因素

2.1 線路環(huán)境

單純從線路環(huán)境角度來(lái)看，鋼軌磨耗的影響因素包括曲線半徑、軌道剛度和阻尼、軌道幾何參數(shù)等。具體分析如下：（1）軌道曲線半徑越小，輪軌之間的滑動(dòng)性越強(qiáng)，就會(huì)增加鋼軌的磨耗。（2）軌道橫向、豎向的剛度降低，結(jié)構(gòu)彈性就會(huì)提高，列車(chē)運(yùn)行對(duì)軌道產(chǎn)生的沖擊力減弱，能減輕鋼軌側(cè)磨。（3）阻尼軌道越小，鋼軌和列車(chē)之間的接觸越密切，造成的波磨越嚴(yán)重。（4）超高、軌距、軌底坡度等幾何參數(shù)，均會(huì)對(duì)側(cè)磨、波磨產(chǎn)生明顯影響[2]。以軌距為例，保持較小軌距能提高列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性，尤其避免出現(xiàn)蛇形運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，從而減少輪軌側(cè)磨。

2.2 運(yùn)營(yíng)條件

列車(chē)型號(hào)不同，其行走性能也不同，一般情況下，混跑產(chǎn)生的波磨較小，反之則會(huì)增大波磨。具體到曲線段，在特定速度下通過(guò)的列車(chē)數(shù)量多，以限速路段、長(zhǎng)坡道路段、車(chē)站附近路段為代表，鋼軌波磨比較嚴(yán)重。以坡度為例，列車(chē)在較大坡度路段上爬坡運(yùn)行，不僅受力復(fù)雜，也會(huì)加劇鋼軌磨耗。

2.3 走行結(jié)構(gòu)

調(diào)查研究顯示，輪軸和彈簧的剛度小、輪緣摩擦系數(shù)小、軸重過(guò)大等，均會(huì)促進(jìn)鋼軌波磨的出現(xiàn)和發(fā)展。以摩擦系數(shù)為例，列車(chē)在長(zhǎng)期運(yùn)行中，和鋼軌接觸的輪緣、踏面會(huì)發(fā)生變形磨損，通過(guò)加工修正雖然能恢復(fù)幾何尺寸，改善輪軌的受力狀態(tài)，但是鏇輪過(guò)于集中，又會(huì)加劇鋼軌的磨耗。

2.4 其他因素

第一，輪軌的黏著系數(shù)越低，有利于波磨形成。第二，兩曲線間夾直線過(guò)短，會(huì)加劇列車(chē)對(duì)曲線段的沖擊，從而促進(jìn)側(cè)磨發(fā)展。第三，車(chē)輛制動(dòng)。結(jié)合列車(chē)運(yùn)行的實(shí)際情況，在大坡度區(qū)段頻繁制動(dòng)、起動(dòng)，會(huì)加劇軌道磨耗，且磨耗具有不均勻性[3]。類(lèi)似地，列車(chē)在小半徑曲線段頻繁制動(dòng)、起動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致鋼軌明顯磨耗。第四，鋼軌打磨。結(jié)合廣州地鐵的運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用工程車(chē)對(duì)鋼軌打磨后，雖然波磨得到控制，但側(cè)磨發(fā)展速度加快，是打磨前的3-4倍。

3 小半徑曲線鋼軌磨耗的防治措施

3.1 調(diào)整軌道參數(shù)

影響鋼軌磨耗的軌道參數(shù)，主要是超高、軌距、軌底坡。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的理論分析和測(cè)試結(jié)果，可知超高過(guò)大、軌距過(guò)大，均會(huì)加劇鋼軌側(cè)磨，但也會(huì)受到實(shí)地環(huán)境的限制。例如：上海地鐵軌道設(shè)計(jì)采用欠超高，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試顯示側(cè)磨較小；廣州地鐵軌道設(shè)計(jì)采用大量過(guò)超高，反而有利于減少側(cè)磨。總結(jié)來(lái)看，軌道參數(shù)對(duì)鋼軌磨耗的影響具有復(fù)雜性，且超高、軌距、軌底坡的設(shè)置會(huì)相互干擾，因此不能一概而論。對(duì)此，應(yīng)該全面分析小半徑曲線段的環(huán)境條件，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)軌道參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整。

3.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

在小半徑曲線上，若軸間具有一定自由度，能有效降低噪音，減輕軌道磨耗。以徑向轉(zhuǎn)向架為例，將其應(yīng)用在曲線段中優(yōu)勢(shì)如下[4]：（1）平面轉(zhuǎn)彎半徑小，相比于黏著驅(qū)動(dòng)式系統(tǒng)，最小轉(zhuǎn)彎半徑從200m減小至80m。（2）方便平面選線，能避開(kāi)規(guī)劃建設(shè)或正在建設(shè)的建筑物，顯著降低造價(jià)成本。（3）在關(guān)鍵部位，車(chē)軸能產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角，通過(guò)改變軸距減少車(chē)輪和鋼軌之間的摩擦。（4）沒(méi)有旋轉(zhuǎn)和傳動(dòng)系統(tǒng)，列車(chē)運(yùn)行時(shí)的噪音能明顯降低。（5）轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的體積和自重減小，可以降低隧道面、高架結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，從而降低建設(shè)成本。

3.3 鋼軌涂油打磨

第一，涂油。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示鋼軌涂油后，側(cè)磨速率降低達(dá)到80%以上，還能抑制鋼軌波磨、頂面剝離等情況。值得注意的是，涂油技術(shù)要點(diǎn)如下：（1）控制涂油量。涂油過(guò)多會(huì)影響列車(chē)的牽引和制動(dòng)，涂油過(guò)少發(fā)揮不出減磨作用，可利用油脂輸出量、電子涂油器、量規(guī)等，對(duì)涂油量進(jìn)行控制。（2）軌道在超聲探傷前不能涂油，還要擦除油脂。（3）鋼軌出現(xiàn)裂紋后，油脂會(huì)進(jìn)入鋼軌內(nèi)部，會(huì)加快裂紋發(fā)展，對(duì)此應(yīng)該磨掉裂紋或者更換鋼軌。

第二，打磨。鋼軌打磨能去除脫碳層和表面損傷，形成滿足要求的打磨廓面，從而改善輪軌的接觸情況。打磨時(shí)的注意事項(xiàng)如下[5]：（1）適當(dāng)延長(zhǎng)打磨周期，可將手工打磨、機(jī)械打磨相結(jié)合，針對(duì)波磨發(fā)展較快區(qū)段進(jìn)行預(yù)防性打磨，能延長(zhǎng)打磨周期。（2）運(yùn)營(yíng)部門(mén)要科學(xué)配置打磨車(chē)，一般每200km配置1臺(tái)打磨車(chē)。（3）線路開(kāi)通前，對(duì)鋼軌進(jìn)行統(tǒng)一預(yù)打磨，并將打磨費(fèi)用納入鋪軌施工費(fèi)用中。

3.4 減振設(shè)計(jì)

以減振扣件的使用為例，上海地鐵規(guī)定：曲線段半徑低于800m的區(qū)段，或者道岔區(qū)段，不能使用剪切型減振器；北京地鐵規(guī)定：謹(jǐn)慎使用扣件類(lèi)減振元件；烏魯木齊地鐵規(guī)定：全線不使用扣件減振。結(jié)合實(shí)際工程，減振扣件的使用，要綜合分析減振性、耐磨性、經(jīng)濟(jì)性等因素，要合理設(shè)置彈性和阻尼，不能單純追求低剛度，必要時(shí)要采用間距加密措施。

3.5 工藝控制

隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，鋼軌無(wú)縫焊接成為現(xiàn)實(shí)。以上海地鐵交通為例，2006年以前均采用廠焊工藝，之后則推廣應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)焊工藝，成為軌道線路無(wú)縫焊接的主流方法。但是，調(diào)查發(fā)現(xiàn)廠焊焊頭沒(méi)有損傷記錄，現(xiàn)場(chǎng)焊焊頭則存在許多問(wèn)題。對(duì)此，有條件的區(qū)段應(yīng)優(yōu)先選擇廠焊工藝，能提高焊頭質(zhì)量、減輕鋼軌磨耗。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，城市軌道交通運(yùn)行中，小半徑曲線鋼軌磨耗是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，具有側(cè)磨明顯、波磨異常的特征。分析可知，鋼軌磨耗的影響因素包括線路環(huán)境、運(yùn)營(yíng)條件、走行結(jié)構(gòu)等。通過(guò)調(diào)整軌道參數(shù)、優(yōu)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、鋼軌涂油打磨、減振設(shè)計(jì)和工藝控制，能實(shí)現(xiàn)預(yù)防目標(biāo)，減少小半徑曲線段的鋼軌磨耗。

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