重載鐵路軌枕承軌面磨損機(jī)理及減磨措施

潘振 崔樹坤 尤瑞林 郄錄朝 馬戰(zhàn)國

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081

隨著我國重載鐵路運營列車的軸重和牽引質(zhì)量提高，顯著提升了線路的運輸能力，但也嚴(yán)重影響了軌道結(jié)構(gòu)及部件的受力狀態(tài)，軌道結(jié)構(gòu)及部件的傷損及劣化速率加劇。除了常見的軌下墊板壓潰、擋肩破損外，近年來在我國大秦鐵路、朔黃鐵路等重載鐵路小半徑曲線及橋上區(qū)段，軌下墊板和軌枕接觸部位出現(xiàn)了承軌面磨損現(xiàn)象（圖1）。軌枕承軌面磨損造成軌距擴(kuò)大、軌底坡變化、扣件扣壓力損失等問題，不僅影響軌道幾何的保持，也降低扣件和軌枕的使用壽命，成為重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修的重點和難點。

圖1 軌枕承軌面磨損

我國重載鐵路運量大、軸重大，必然使軌枕承受較大的荷載，由此造成軌枕結(jié)構(gòu)的破壞速度較普通線路快［1］。文獻(xiàn)［2］重點分析了40 t 軸重下的承軌槽應(yīng)力分布，為分析承軌面磨損提供借鑒。文獻(xiàn)［3］通過室內(nèi)試驗分析了孔隙水對軌枕承軌面的磨損的影響。文獻(xiàn)［4-5］采用速凝水泥砂漿對磨損嚴(yán)重承軌面進(jìn)行修復(fù)，但無法從根本上解決承軌面磨損的問題。本文從軌下彈性墊板受力（反映軌枕承軌面受力）以及道床剛度對軌枕受力影響方面出發(fā)，分析承軌面磨損的原因，并研究提高承軌面承載能力的措施。

1 受力特征

以我國重載鐵路常用的橡膠材料60?10R 型墊板為例，仿真分析小半徑曲線段墊板及承軌面的受力與變形特征。

1.1 仿真模型及驗證

我國采用的橡膠墊板材料一般為天然橡膠或丁苯橡膠。根據(jù)GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》中提供的制樣方法進(jìn)行A類制樣，測定墊板材料的力學(xué)性能，并建立墊板靜剛度測試工裝和墊板的有限元仿真模型（圖2），其參數(shù)參照TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件 第1 部分：通用技術(shù)條件》附錄A 中墊板靜剛度測試方法。當(dāng)荷載分布板上作用的垂向荷載分別為20、80 kN 時，墊板的垂向變形分別為0.211、0.842 mm，計算可得墊板靜剛度為95.09 kN/mm，符合TB/T 3065—2020《彈條Ⅱ型扣件》中60?10R 型墊板靜剛度在90～120 kN/mm 的規(guī)定，由此可驗證該模型的準(zhǔn)確性。

圖2 有限元仿真模型

1.2 受力特征

建立包含鋼軌、軌下彈性墊板和軌枕的有限元模型（圖3），分析小半徑曲線路段墊板的受力與變形特征。根據(jù)大秦鐵路半徑700 m 曲線萬噸及2 萬噸列車通過期間輪軌作用力的地面測試結(jié)果［6］，內(nèi)軌輪軌垂向力、橫向力平均值分別為127.0、20.7 kN。將此輪軌垂向力、橫向力加載在軌道有限元模型中。

圖3 墊板受力分析有限元模型

在上述輪軌垂向力、橫向力作用下，橡膠墊板的應(yīng)力分布和變形見圖4。可知：該墊板的最大Mises 應(yīng)力為14.79 MPa，所在位置為偏載一側(cè)的溝槽內(nèi)部；墊板最大變形為0.65 mm，發(fā)生位置為墊板偏載一側(cè)邊緣，即墊板發(fā)生0.65 mm 左右的鼓脹變形，與現(xiàn)場墊板上表面外側(cè)邊緣位置易出現(xiàn)損傷現(xiàn)象一致。

圖4 墊板應(yīng)力分布及變形

軌枕承軌面應(yīng)力分布見圖5。可知，軌枕承軌面應(yīng)力峰值位于扣件軌下墊板的外側(cè)邊緣，因此墊板外側(cè)磨損會最嚴(yán)重，這與現(xiàn)場情況相符。

圖5 承軌面應(yīng)力分布（單位：MPa）

綜上，墊板和軌枕承軌面的受力是一致的。軌枕承軌面也會在與墊板邊緣接觸位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易造成承軌面的磨損。

2 軌道剛度

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在橋梁等道床臟污嚴(yán)重區(qū)段以及采用熱塑性彈性墊板（墊板剛度較大）區(qū)段，軌枕承軌面磨損的數(shù)量以及磨損程度較高。因此，有必要分析墊板剛度、道床剛度對承軌面磨損的影響。

建立車輛-軌道耦合動力學(xué)模型［7］，分析扣件剛度、道床剛度對輪軌力、枕上壓力的影響。輪軌力、枕上壓力直接影響軌下彈性墊板與軌枕間的接觸應(yīng)力。將車輛系統(tǒng)考慮為10自由度多剛體模型，有砟軌道結(jié)構(gòu)考慮鋼軌、扣件、軌枕、道床，將鋼軌考慮為梁，軌枕、道床考慮為質(zhì)量塊，建立軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度以及阻尼矩陣。

軌道不平順采用美國五級譜進(jìn)行模擬，并疊加短波譜。模型中采用75 kg/m 鋼軌，Ⅲa 型軌枕。列車運行速度設(shè)置為80 km/h。

當(dāng)扣件剛度從50 kN/mm 增至200 kN/mm，道床剛度從40 kN/mm 增至200 kN/mm 時，輪軌力和枕上壓力計算結(jié)果見圖6。

圖6 不同軌道剛度下輪軌力、枕上壓力變化曲線

由圖6 可知：①輪軌力主要受軌下剛度影響。總體上，輪軌力隨道床剛度增大而增大，但扣件剛度增至150 kN/mm后輪軌力受道床剛度影響不大。②隨著扣件剛度增大，枕上壓力明顯增加。枕上壓力隨道床剛度增大逐漸減小至穩(wěn)定。道床剛度大于80 kN/mm后，枕上壓力變化不大。輪軌力特別是枕上壓力增大，相當(dāng)于軌下墊板與軌枕之間的壓力增大，必然會造成軌下墊板和軌枕的接觸應(yīng)力增大，進(jìn)而加快軌枕的磨損。因此，可以通過減小道床剛度、合理設(shè)置扣件（墊板剛度）減緩軌枕磨損。

3 提升措施

大秦鐵路天窗少、時間短，運量長期高位運行，因此利用速凝水泥砂漿對磨損的承軌面進(jìn)行修復(fù)。速凝水泥砂漿具有作業(yè)靈活、抗壓強(qiáng)度高、收縮性小、速凝（30 min即可放行列車）、與軌枕母體黏結(jié)強(qiáng)度大、抗凍性良好的特點，可滿足天窗內(nèi)快速修復(fù)傷損軌枕的需要。但由于修復(fù)后承軌面強(qiáng)度沒有提高，后期仍會出現(xiàn)承軌面磨損的情況。因此，須采取措施改善軌枕受力，減緩承軌面磨損。

3.1 墊板優(yōu)化設(shè)計

考慮到普通膠墊（開槽）的軌下墊板容易在溝槽處產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成軌枕磨損，設(shè)計無開槽的軌下墊板。仿真計算軌下墊板受力，結(jié)果見圖7。可知，軌枕上表面與墊板下表面接觸區(qū)域應(yīng)力達(dá)較大值，分布基本均勻。無開槽與開槽的軌下墊板的變形和應(yīng)力見表1。可知，不帶溝槽的軌下墊板受壓后垂向變形最大值為0.13 mm，等效應(yīng)力最大值為4.95 MPa，遠(yuǎn)小于具有溝槽的墊板變形和應(yīng)力。

圖7 墊板等效應(yīng)力

結(jié)合圖4（a）可知：開槽的軌下墊板應(yīng)力集中位置發(fā)生在靠近邊緣位置，也是潛在的出現(xiàn)軌枕磨損位置；無開槽的墊板承受荷載時應(yīng)力的流線均勻變化，磨損也會相對均勻

3.2 采用彈性軌枕

道床厚度不足的橋梁區(qū)段道床剛度較大，清篩后道床剛度仍無明顯降低。這些區(qū)段可采用彈性軌枕［8］，降低枕下剛度（含道床剛度）。仿真計算結(jié)果表明，鋪設(shè)普通軌枕地段最大枕上壓力為74.3 kN，而相應(yīng)彈性軌枕的軌道結(jié)構(gòu)中最大枕上壓力為67.9 kN，減小了約9.4%，明顯小于普通軌枕地段。可見，采用彈性軌枕可降低枕上壓力，進(jìn)而減小軌枕承軌面受力，減緩或避免軌枕承軌面磨損。

3.3 承軌面提升技術(shù)

針對既有修補(bǔ)措施存在的問題，提出一種纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土軌枕，見圖8。該軌枕在既有軌枕基礎(chǔ)上，在軌枕承軌面主要受力區(qū)域內(nèi)布置纖維增強(qiáng)材料，提高承軌面的耐磨損性能。混凝土軌枕內(nèi)配置有普通鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼絲，進(jìn)一步提高混凝土軌枕的承載能力。

圖8 纖維增強(qiáng)鋼筋混凝土軌枕

參照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》中的水泥混凝土耐磨性試驗方法開展了軌枕承軌面磨損試驗（圖9）。經(jīng)100萬次荷載循環(huán)后，普通混凝土軌枕和纖維增強(qiáng)混凝土軌枕承軌面的磨損情況見圖10。可知，承軌面由外至內(nèi)均有4 條磨損痕跡較明顯，磨損深度分別為0.70、0.36 mm。由此可見，纖維增強(qiáng)混凝土軌枕承軌面耐磨性能比普通混凝土軌枕有明顯改善。

圖9 承軌面磨損試驗

圖10 承軌面磨損情況

4 結(jié)論

1）對于既有開槽式軌下墊板，軌下墊板的外側(cè)邊緣發(fā)生應(yīng)力集中，容易造成承軌面磨損。

2）枕上壓力隨扣件剛度增大而明顯增加，隨道床剛度增大而逐漸減小以至趨于穩(wěn)定。

3）優(yōu)化軌下墊板為無開槽墊板可使軌下墊板和承軌面應(yīng)力均勻化，減小二者間接觸應(yīng)力。

4）采用彈性軌枕可降低枕上壓力，進(jìn)而減緩軌枕承軌面磨損。

5）采用纖維增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，可以增強(qiáng)承軌面的耐磨損能力。