重載鐵路軌枕承軌面磨損機理及減磨措施

潘振 崔樹坤 尤瑞林 郄錄朝 馬戰國

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

隨著我國重載鐵路運營列車的軸重和牽引質量提高，顯著提升了線路的運輸能力，但也嚴重影響了軌道結構及部件的受力狀態，軌道結構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段，軌下墊板和軌枕接觸部位出現了承軌面磨損現象（圖1）。軌枕承軌面磨損造成軌距擴大、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構養護維修的重點和難點。

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，由此造成軌枕結構的破壞速度較普通線路快［1］。文獻［2］重點分析了40 t 軸重下的承軌槽應力分布，為分析承軌面磨損提供借鑒。文獻［3］通過室內試驗分析了孔隙水對軌枕承軌面的磨損的影響。文獻［4-5］采用速凝水泥砂漿對磨損嚴重承軌面進行修復，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，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GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》中提供的制樣方法進行A類制樣，測定墊板材料的力學性能，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），其參數參照TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件 第1 部分：通用技術條件》附錄A 中墊板靜剛度測試方法。當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 的規定，由此可驗證該模型的準確性。

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果［6］，內軌輪軌垂向力、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，橡膠墊板的應力分布和變形見圖4?？芍涸搲|板的最大Mises 應力為14.79 MPa，所在位置為偏載一側的溝槽內部；墊板最大變形為0.65 mm，發生位置為墊板偏載一側邊緣，即墊板發生0.65 mm 左右的鼓脹變形，與現場墊板上表面外側邊緣位置易出現損傷現象一致。

圖4 墊板應力分布及變形

軌枕承軌面應力分布見圖5?？芍壵沓熊壝鎽Ψ逯滴挥诳奂壪聣|板的外側邊緣，因此墊板外側磨損會最嚴重，這與現場情況相符。

圖5 承軌面應力分布（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生應力集中，容易造成承軌面的磨損。

2 軌道剛度

現場調研發現，在橋梁等道床臟污嚴重區段以及采用熱塑性彈性墊板（墊板剛度較大）區段，軌枕承軌面磨損的數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力。將車輛系統考慮為10自由度多剛體模型，有砟軌道結構考慮鋼軌、扣件、軌枕、道床，將鋼軌考慮為梁，軌枕、道床考慮為質量塊，建立軌道結構質量、剛度以及阻尼矩陣。

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

當扣件剛度從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力增大，進而加快軌枕的磨損。因此，可以通過減小道床剛度、合理設置扣件（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行修復。速凝水泥砂漿具有作業靈活、抗壓強度高、收縮性小、速凝（30 min即可放行列車）、與軌枕母體黏結強度大、抗凍性良好的特點，可滿足天窗內快速修復傷損軌枕的需要。但由于修復后承軌面強度沒有提高，后期仍會出現承軌面磨損的情況。因此，須采取措施改善軌枕受力，減緩承軌面磨損。

3.1 墊板優化設計

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

圖7 墊板等效應力

結合圖4（a）可知：開槽的軌下墊板應力集中位置發生在靠近邊緣位置，也是潛在的出現軌枕磨損位置；無開槽的墊板承受荷載時應力的流線均勻變化，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段道床剛度較大，清篩后道床剛度仍無明顯降低。這些區段可采用彈性軌枕［8］，降低枕下剛度（含道床剛度）。仿真計算結果表明，鋪設普通軌枕地段最大枕上壓力為74.3 kN，而相應彈性軌枕的軌道結構中最大枕上壓力為67.9 kN，減小了約9.4%，明顯小于普通軌枕地段?？梢?，采用彈性軌枕可降低枕上壓力，進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

針對既有修補措施存在的問題，提出一種纖維增強鋼筋混凝土軌枕，見圖8。該軌枕在既有軌枕基礎上，在軌枕承軌面主要受力區域內布置纖維增強材料，提高承軌面的耐磨損性能?；炷淋壵韮扰渲糜衅胀ㄤ摻罨蝾A應力鋼絲，進一步提高混凝土軌枕的承載能力。

圖8 纖維增強鋼筋混凝土軌枕

參照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》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100萬次荷載循環后，普通混凝土軌枕和纖維增強混凝土軌枕承軌面的磨損情況見圖10?？芍熊壝嬗赏庵羶染? 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 結論

1）對于既有開槽式軌下墊板，軌下墊板的外側邊緣發生應力集中，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定。

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

4）采用彈性軌枕可降低枕上壓力，進而減緩軌枕承軌面磨損。

5）采用纖維增強預應力混凝土軌枕，可以增強承軌面的耐磨損能力。