普速鐵路小半徑曲線上股鋼軌疲勞傷損整治

張金 徐鳳生 章環(huán)宇 梁旭 李晨光

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081；2.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071

隨著既有線提速和重載運輸?shù)陌l(fā)展，許多普速鐵路尤其是縱平面條件較差的山區(qū)鐵路（如昆明局的貴昆線、南昆線，成都局的成渝線，蘭州局的蘭新線等）小半徑曲線上股鋼軌鋪設(shè)使用后不久就出現(xiàn)了疲勞傷損，嚴重影響鋼軌的使用壽命甚至危及行車安全［1］。

我國普速鐵路線路運行多種車型，車輪型面主要有JM3、LM、LMA，鋼軌主要有60、60N 兩種軌頭廓形，輪軌匹配關(guān)系十分復(fù)雜。在不能統(tǒng)一車輪型面又無法改變軌底坡設(shè)置的情況下，鋼軌軌頭廓形打磨可以有效改善輪軌匹配關(guān)系。通過鋼軌打磨形成適合車輪型面的軌頭廓形，人為地加快輪軌磨合，使輪軌匹配達到理想狀態(tài)，從而減小輪軌作用力，延長輪軌的使用壽命［2-6］。

1 傷損特征及成因分析

通常小半徑曲線上股鋼軌更換下道的主要原因是側(cè)磨超限。不同于以側(cè)磨為主的傷損形式，這種疲勞傷損特征為：①從軌頭廓形來看，軌距角處明顯凸出，存在輾邊；②車輪輪緣未接觸鋼軌軌頭側(cè)面，未形成軌距角側(cè)磨；③鋼軌軌距角處存在過多的機車潤滑脂，出現(xiàn)明顯的魚鱗紋、剝離掉塊等疲勞傷損。

為了提高列車的曲線通過性能，小半徑曲線地段設(shè)置成欠超高，同時機車輪緣潤滑過多降低了鋼軌軌距角的摩擦因數(shù)。曲線上股鋼軌長期無磨耗，輪軌難以磨合，輪軌接觸關(guān)系不良，導致曲線上股鋼軌軌距角處長期承受很大的接觸應(yīng)力，是造成曲線上股鋼軌出現(xiàn)魚鱗紋、剝離掉塊等疲勞傷損的主要原因［7］。

2 鋼軌打磨廓形優(yōu)化設(shè)計

理想的輪軌型面匹配狀態(tài)能有效地降低接觸應(yīng)力和磨耗，提高直線運行時列車蛇行失穩(wěn)的臨界速度，同時改善列車曲線通過性能［8］?？紤]到車輛運營一定里程后會進行車輪鏇修恢復(fù)車輪原始標準型面，故以普通客貨車標準LM 車輪型面為基礎(chǔ)，依據(jù)輪軌接觸幾何學和輪軌接觸力學等理論，針對小半徑曲線上股鋼軌疲勞傷損的情況進行軌頭廓形優(yōu)化設(shè)計，提出了上股鋼軌打磨目標廓形60N?S，下股鋼軌工作邊按照60N 廓形進行打磨，如圖1所示?？梢钥闯?，上下股鋼軌均重點優(yōu)化了內(nèi)側(cè)軌距角，該位置長期承受較大的輪軌接觸應(yīng)力，容易引起鋼軌塑性變形和疲勞傷損。

圖1 鋼軌實測廓形及設(shè)計廓形與LM車輪匹配

廓形優(yōu)化設(shè)計后，上股鋼軌與車輪發(fā)生兩點接觸（一點為軌頂面與車輪踏面接觸，另一點為軌內(nèi)側(cè)與車輪輪緣接觸），輪對以軌頂面接觸點為滾動中心，輪緣接觸點處必然產(chǎn)生滑動，加快輪緣和鋼軌內(nèi)側(cè)磨耗，有利于上股鋼軌盡快形成側(cè)磨，從而顯著減小內(nèi)側(cè)軌距角的輪軌接觸應(yīng)力，可以有效緩解或抑制軌距角出現(xiàn)魚鱗紋、剝離掉塊等疲勞傷損。下股鋼軌與車輪在軌頭踏面中心和車輪踏面中心發(fā)生接觸，具有輪軌接觸應(yīng)力最小、橫向蠕滑率及蠕滑力很小的特點，可以避免早期鋼軌疲勞傷損的出現(xiàn)。

3 鋼軌打磨應(yīng)用效果

按照優(yōu)化設(shè)計的鋼軌打磨廓形，通過非對稱打磨實現(xiàn)上下股鋼軌不同廓形，可以有效改善輪軌接觸關(guān)系，加大內(nèi)外軌車輪滾動圓半徑差，提高列車曲線通過能力，降低輪軌縱向滑動，減少輪軌接觸應(yīng)力，抑制或減緩鋼軌疲勞傷損、波磨、肥邊等病害的發(fā)生與發(fā)展，從而延長鋼軌的使用壽命［7］。

3.1 軌頭廓形及軌面狀態(tài)

打磨前軌頭廓形及軌面狀態(tài)見圖2?？芍荷瞎射撥壟c60N?S 廓形差異較大，內(nèi)側(cè)軌距角處最大廓形偏差約為0.80 mm；下股鋼軌與60N 廓形差異較大，內(nèi)側(cè)軌距角處最大廓形偏差約為0.70 mm；上股鋼軌軌距角無側(cè)磨，存在嚴重的魚鱗紋及剝離掉塊；下股鋼軌軌面狀態(tài)良好，未見明顯表面病害。

圖2 打磨前軌頭廓形及軌面狀態(tài)

打磨6個月后軌頭廓形及軌面狀態(tài)見圖3?？芍荷瞎射撥壟c60N?S 廓形差異較大，內(nèi)側(cè)軌距角處最大廓形偏差約為1.30 mm；下股鋼軌與60N 廓形差異較大，內(nèi)側(cè)軌距角處最大廓形偏差約為0.80 mm；上股鋼軌內(nèi)側(cè)軌距角形成了明顯側(cè)磨，并伴有輕微魚鱗紋（打磨前魚鱗紋較深未能完全消除）；下股鋼軌軌面狀態(tài)良好，未見明顯表面病害。

圖3 打磨6個月后軌頭廓形及軌面狀態(tài)

3.2 輪軌接觸幾何關(guān)系

打磨前后實測廓形與LM 車輪型面匹配時的輪軌接觸點分布情況見圖4?？芍捍蚰デ吧舷鹿奢嗆壗佑|點分布較分散且偏向工作邊一側(cè)；打磨后上下股輪軌接觸點分布趨于集中且基本位于軌頂中心附近。

圖4 打磨前后輪軌接觸點分布情況對比

3.3 輪軌接觸特性

為評估鋼軌軌頭磨耗性能和接觸疲勞性能，計算了打磨前后實測廓形對應(yīng)的輪軌磨耗指數(shù)及輪軌接觸應(yīng)力，結(jié)果見表1。可知：按設(shè)計廓形打磨后，曲線下股鋼軌磨耗指數(shù)增加了3.1%，接觸應(yīng)力減小了5.4%；曲線上股鋼軌磨耗指數(shù)增加了159.7%，接觸應(yīng)力減小了39.3%。這表明設(shè)計廓形打磨加速了曲線上股鋼軌側(cè)磨，有利于緩解曲線上股鋼軌疲勞傷損。

表1 打磨前后輪軌接觸特性指標對比

3.4 車輛運行安全性指標

打磨前實測廓形對應(yīng)的輪重減載率為0.703，打磨后為0.615，降低了12.5%；打磨前實測廓形對應(yīng)的脫軌系數(shù)為0.399，打磨后為0.375，降低了6.0%。打磨前后輪重減載率和脫軌系數(shù)均小于安全限值0.8?？梢?，采用設(shè)計廓形進行鋼軌打磨作業(yè)可以保障列車運行安全，且對列車運行安全性有一定的改善作用。

4 結(jié)論及建議

1）機車輪緣過度潤滑，輪軌難以磨合，曲線上股鋼軌軌距角處長期承受很大的接觸應(yīng)力，造成曲線上股鋼軌出現(xiàn)魚鱗紋、剝離掉塊等疲勞傷損。

2）按設(shè)計廓形打磨后，輪軌接觸點分布相對集中且位于軌頂中心附近，曲線上股鋼軌磨耗指數(shù)明顯增大，接觸應(yīng)力明顯減小，加速了曲線上股鋼軌側(cè)磨，有效緩解了曲線上股鋼軌疲勞傷損。

3）打磨后輪重減載率和脫軌系數(shù)分別降低了12.5%和6.0%，對列車運行安全性有一定改善作用，可以保障列車運行安全。

4）鋼軌打磨加速了曲線上股鋼軌側(cè)磨，改善了鋼軌疲勞傷損情況。如果側(cè)磨過于嚴重，建議采取科學合理的潤滑措施控制鋼軌側(cè)磨發(fā)展，避免因鋼軌側(cè)磨過快而更換下道，影響鋼軌使用壽命。