大型礦石堆場有碴軌道起重機鋼軌斷裂原因

何維維 毛 卉

中交第三航務工程勘察設計院有限公司 上海 200032

0 引言

起重機鋼軌屬于重載鋼軌，廣泛應用于我國倉庫、港口、堆場大型裝卸設備的行車軌道，鋼軌型號主要分為QU120、QU100、QU80、QU70，母軌材質為U71Mn。U71Mn是高碳低合金鋼鋼軌，具有耐磨、耐壓、耐疲勞等性能，適合在重載軌道上使用［1］。然而，此類起重機鋼軌斷裂情況在港口碼頭裝卸使用過程中多有發生，碼頭軌道下一般為樁基軌道梁結構，從鋼軌斷裂案例中分析總結的主要原因多為鋼軌接頭焊接質量問題、鋼軌安裝精度等一個或多個因素綜合作用造成的[2-6]，對于軌枕道碴結構的起重機鋼軌斷裂，此類工程案例較少，而引起軌枕道碴結構的起重機鋼軌斷裂原因的因素也較為復雜。國內某大型礦石堆場裝卸采用斗輪堆取料機設備，基礎采用軌枕道碴結構，起重機鋼軌在交付使用后陸續出現斷裂事故，其斷裂形態基本相同，斷裂部位基本相同。為查明起重機鋼軌斷裂產生的原因，制定針對性的技術修復措施，保證斗輪堆取料機設備正常運營使用，通過調查研究及工程經驗類比法，從軌上到軌下結構查找鋼軌斷裂原因，對于研究和預防有碴軌道起重機鋼軌的斷裂事故，保證碼頭礦石堆場裝卸作業的安全與運營，具有十分重要的意義。

1 某礦石堆場軌枕道碴結構設計簡介

1.1 臂架型斗輪堆取料機設備參數

本工程為大型散貨泊位，裝卸貨種為礦石等，碼頭后方礦石堆場面積約500 000 m2，根據生產需要共布設3條堆取合一的斗輪機基礎，每條基礎長度均為1 135 m，基礎間距為94 m，斗輪機軌道基礎采用軌枕道碴結構。斗輪堆取料機的基礎地基經堆載預壓+淺層強夯法處理后，地基承載力達到150 kPa以上，殘余沉降小于0.3m。該設備的工藝參數為軌距9 m，基距10 m，輪距0.85 m，每支腿12輪，非工作狀態（55 m/s）輪壓標準值為300 kN，斗輪堆取料機如圖1所示。

圖1 斗輪堆取料機

1.2 軌枕道碴設計方案

斗輪機軌道基礎采用軌枕道碴結構，具體結構設置為QU100鋼軌，鋼筋混凝土軌枕預制安裝，通過拉桿撐桿連接，下設600 mm道碴，整體結構高度1 750 mm，堆取料機基礎斷面如圖2所示。QU100鋼軌采用現行國家標準YB/T 5055—2014《起重機用鋼軌》起重機用鋼軌制作方法以及70型標準扣件鋼軌固定技術，標準長度為12 m，單軌總長為1 132 m。

圖2 堆取料機基礎斷面

道碴選用石料單軸抗壓強度不低于80 MPa、粒徑為20～70 mm的碎石道碴，破碎指標值應低于15%。壓實度要求為振實后的道床下沉率不低于8%(下沉量/未壓時的道床厚度)，壓實度檢測方法按TLEJGF-92-02鐵路碎石道床碾壓工法路面高程控制法執行。

2 鋼軌斷口特征及規律

2.1 斷口分布調查

斗輪堆取料機設備在經過一段時間的重載調試運營后，發現基礎軌道多處斷裂。經現場調查發現，鋼軌斷裂部位共5個點，其中3個點均發生在錨定基礎與道碴銜接附近，錨定基礎附近鋼軌斷裂如圖3所示。標準軌長度為12 m，每12 m鋼軌需在較寬軌枕進行焊接，有2個點發生在鋼軌接頭附近，裂縫為斜向斷裂，裂縫周圍有焊接接地扁鋼，鋼軌接頭附近鋼軌斷裂點如圖4所示。

圖4 鋼軌接頭附近鋼軌斷裂

2.2 道碴質量調查

對鋼軌斷裂部位下的軌枕基礎進行開挖，發現軌枕下35 cm范圍內，道碴含有較多砂土，軌枕基礎下道碴質量揭露如圖5所示，與設計要求的道碴指標相差較大。

圖5 軌枕基礎下道碴質量揭露

從鋼軌斷口分布特征上看，斗輪機基礎上的鋼軌較為筆直，地基深層沉降對鋼軌斷裂破壞產生的影響較小。鋼軌斷裂部位主要發生在錨定基礎及鋼軌接頭附近，斷裂部位同時有焊接接地扁鋼。通過對鋼軌斷裂部位處軌枕基礎的道碴質量調查，發現道碴含有較多砂土，與設計要求的道碴指標相差較大。

3 鋼軌斷裂原因分析

3.1 鋼軌接地焊縫質量不佳造成鋼軌母材損傷

斷裂裂縫周圍有焊接接地扁鋼，母軌材質為U71Mn，其主要化學成分(質量分數)C為0.65%～0.76%，Si為0.15%～0.5%，Mn為0.7%～1.4%，P≤0.035%，S≤0.03%。鋼軌的材質及力學性能（包括鋼軌的強度、耐磨性及韌性）在很大程度上取決于鋼軌的化學成分。從含碳量指標看，U71Mn為高碳鋼，但在焊接過程中容易產生大量顯微裂紋的高碳馬氏體組織。從含錳量指標看，U71Mn錳含量較高，但在焊接過程中容易產生影響焊接效果的低溫馬氏體組織。鋼中有害的殘余元素磷和硫，從另一個方面反映對純凈性的要求，對其含量的限制一定要嚴格。鋼軌的可焊性常用碳當量估計[7]，其為

經驗證明，在碳當量Ce大于0.6%的情況下，鋼的淬煉傾向較強，是焊接鋼中比較難的一種。U71Mn的碳當量在0.77%～1.01%之間，為高碳高錳鋼，屬于可焊性較差的材料，如果焊接工藝不良，U71Mn鋼軌斷裂點易發生于焊接部位。鋼軌裂縫周圍有焊接接地扁鋼，由于接地扁鋼的力學性能與鋼軌母材不同，如未按照GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程 接地裝置施工及驗收規范》的相關要求進行焊接保護，易造成鋼軌母材組織損傷，起重機鋼軌在輪壓的反復碾壓作用下易發生斷裂。

3.2 斗輪機裝卸設備安裝精度誤差

從鋼軌的斷口形態分析，斷裂類型為脆性斷裂。根據熱軋鋼軌屈服強度數據統計分析[8]，U71Mn熱軋態的屈服強度為460 MPa，考慮到斗輪機設備輪壓荷載的影響，鋼軌QU100 U71Mn容許應力約240 MPa。在斗輪機設備運營使用過程中，起重機鋼軌不僅要承受輪壓荷載的豎向作用，還要承受斗輪機設備支腿輪系左右側向壓力作用。然而鋼軌側向承受力較差，當支腿車輪左右偏離軸線，引起左右車輪側向擠壓鋼軌，鋼軌承受的側向應力會變得較大，鋼軌同時承受輪壓荷載，支腿輪系左右側向壓力大于鋼軌容許應力時，鋼軌會發生斷裂。

經現場逐一檢查支腿車輪同軸度和平面度，發現軌道左側或右側車輪偏離軸線，超過了車輪軌道安裝公差規范的要求[9]。另外，從鋼軌頂表面觀察分析，軌頂面被車輪擦傷,擦痕近似橢圓形。車輪與鋼軌之間如淬火處理般劇烈摩擦，部分軌頂面溫度甚至超過金屬相變溫度，在車輪荷載的反復作用下，軌道頂面坍塌變寬，形成高碳馬氏體。高碳馬氏體性質脆硬，韌性較低，在大量細微裂紋的出現中演化成逐漸剝落的碎裂小塊，形成凹坑，由此可知高碳馬氏體的形成原因主要是車輪空轉打滑引起的。

3.3 基床道碴與錨定基礎軟硬銜接薄弱點

斗輪堆取料機基礎較常用的結構形式是軌枕道碴基礎。鋼軌直接承受斗輪堆取料機裝卸設備的輪壓荷載，鋼軌下的軌枕為一系列的彈性支承點，承受鋼軌上的輪壓荷載，并將其均勻傳遞至道碴基床上。道床承受由軌枕傳來的車輪荷載，并將荷載均勻分布到路基上。錨定基礎位置根據工藝要求設置，使斗輪堆取料機能夠承受非工作狀態下的基本風壓，使其不被強風吹動。錨定基礎是采用鋼筋混凝土現澆而成，為剛性體；而道碴是用柔性較大的道碴碎散體填筑而成。顯而易見，基床道碴與錨定基礎之間本來存在較大的剛度差，如果對基床道碴的質量控制不嚴（如道碴含砂等），勢必會造成基礎銜接區剛度突變較大，產生較大的塑性變形，鋼軌會在斗輪機輪壓的反復碾壓作用下出現脆性斷裂。

因此，道床是制約重載運行的重要因素，是有碴軌道結構中最薄弱的一個環節，而道床系數是軌枕道碴基礎設計中的關鍵參數，與道碴類型、地基承載力及承壓面等因素相關，一般根據工程經驗確定。根據我國鐵路設計假定，本工程取6 kg/cm3，處于良好軌道狀態，道碴選用石料單軸抗壓強度不低于80 MPa、粒徑 20～70 mm 的碎石道碴，破碎指標值應低于15%。壓實度要求為振實后的道床下沉率不低于8%(下沉量/未壓時的道床厚度)，但對鋼軌斷裂點下軌枕基礎進行開挖調查發現，道碴含有較多的砂土。根據季順迎等[10]的研究成果，鐵路道碴的彈性模量和沉降量受含砂率的影響非常顯著。當含砂率達到一定的比例，對道碴的彈性模量及沉降量的影響非常顯著，特別當含砂量大于50%時，隨含砂量的增加，道碴沉降量呈線性增長，故道碴質量控制不嚴也是造成鋼軌脆性斷裂的主要因素之一。

4 處理措施

基于上述起重機鋼軌斷裂原因分析，本工程有碴軌道起重機鋼軌斷裂的原因是多種因素影響綜合造成的，結合斷裂原因分析，可采取如下技術措施進行修復：

1）縮小軟硬基礎銜接區的軌枕間距，減輕基床壓力。在斷裂處兩側各15 m范圍內，對軌枕下深度600 mm以內的不合格道碴進行更換，且道碴指標必須滿足設計指標要求以及道碴壓實度要求為振實后的道床下沉率不低于8%(下沉量/未壓時的道床厚度)。

2）鋼軌及接地扁鋼在實際焊接過程中必須采用溫度場合理，滿足規范要求的焊接工藝參數來改善接地扁鋼的焊接性，采用鋁熱焊接方案作為起重機鋼軌焊接方案，其自動化程度遠高于手工焊，操作簡單，工效高，并且鋼軌的焊縫性能基本接近鋼軌母材，焊縫質量較容易控制，一般情況下不會造成鋼軌母材損傷。同時在低溫環境焊接時，焊接后要及時采取保溫措施。

3）提高斗輪堆取料機操作人員水平，制動應平穩，嚴格控制不同料源的輸送機的運行速度，以防車輪空轉打滑擦傷鋼軌。同時，經過一段時間的運行后，要對扣件進行重新安裝和調整，做到道碴密實，減少啃軌現象的發生，如發現軌枕翹起立即采取相應的措施，以避免鋼軌斷裂。

4）斗輪堆取料機設備的制作安裝精度應進一步提高，特別是支腿車輪，車輪同軸度和平面度要滿足規范要求，減少啃軌，確保軌道承受均布輪壓作用。

5 結論

通過更換鋼軌斷裂點下軌枕基礎的不合格道碴，確保道碴壓實度要求滿足設計要求，縮小軟硬基礎銜接區的軌枕間距以減輕基床壓力，調整斗輪堆取料機裝卸設備的支腿車輪安裝精度，對鋼軌斷裂處進行鋁熱焊接修復并及時采取保溫措施，運營后再沒發生鋼軌斷裂的事故。針對有碴軌道起重機鋼軌斷裂原因，提出以下幾點建議：

1）造成鋼軌斷裂的原因一般是由多種因素綜合引起的，除了從常見的鋼軌焊接、材質等斷裂原因查找之外，還要考慮裝卸設備的支腿車輪安裝精度以及軌枕基礎下的道碴質量控制等因素對鋼軌的影響。

2）斗輪堆取料機設備支腿有多輪，如果車輪的同軸度和平面度發生偏差，極易導致鋼軌同時承受三維應力作用，特別是U71Mn鋼軌的塑性降低更加明顯，鋼軌脆性斷裂的可能性更大。因此，斗輪堆取料機在設計、制造和安裝過程中應充分考慮這一因素的影響，如支腿車輪空載時一個車輪對其他3個車輪所形成平面的垂直偏差不應大于小車軌道局部平面的2/3倍，小車軌道的局部平面度不得超過由0.001倍的小車基距或0.001的小車軌距所確定的較小值。

3）軌枕道碴結構中最薄弱的是道床，其不均勻下沉也是鋼軌斷裂的主要因素之一，是制約重載運行的重要因素，道床系數是軌枕道碴基礎設計中的關鍵參數。道床結構屬于隱蔽工程，必須嚴格控制道碴材料質量和按規范施工，滿足壓實度控制標準。