重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

2022年3月26日00:00:59病害整治26031

0 引言

钢轨是轨道交通的主要部件,与列车的车轮直接接触,其质量好坏直接影响行车的安全性和平稳性。神华铁路开通运营后,特别是在运量大幅度提升、万吨列车开行的情况下,钢轨长期处于恶劣的环境中。由于列车的动力作用,以及自然环境和钢轨本身质量等原因,钢轨经常出现伤损,如钢轨剥离掉块、断裂、压溃、侧磨、波磨、擦伤等,使轮轨接触面的状况进一步恶化,致使钢轨寿命降低,养护工作量增加,甚至严重影响行车安全。如何减少钢轨伤损,保证重载铁路运输安全,提高运输效率,降低成本,提高经济效益,已经成为铁路养护单位亟待解决的重要课题。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

1 重载铁路钢轨伤损

重载铁路常见的钢轨伤损主要有剥离掉块、断裂、压溃、侧磨、波磨与擦伤等,这些伤损大都伴随着严重的塑性变形与磨损。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

1.1 剥离掉块文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

钢轨剥离掉块主要以疲劳破坏形式为主,是由于轨头在车轮反复冲击载荷作用下,材料碎裂剥离,如图1 所示。这种情况主要发生在钢轨接头处,距轨缝大约60~140 mm,受力状态如图2 所示,裂纹形成情况如图3 所示。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

1.2 断裂文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

钢轨由最初轮轨接触形成的疲劳裂纹(或剥离掉块)向轮轨接触表面的更深处扩展,最终导致钢轨折断。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

当然,钢轨断裂也有可能是由轮轨材料自身缺陷引起,如钢轨的夹杂物、内核伤、残余应力、马氏体材料、内部裂纹等。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图1 钢轨剥离掉块

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图2 轮对通过轨缝时冲击接触

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图3裂纹形成的情况

1.3 压溃文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

钢轨压溃如图4 所示。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

钢轨压溃的破坏形式主要发生在重载铁路曲线下股钢轨上,多发生在内轨距角处,也有可能在钢轨的外侧,轨头断面常被挤压成蘑菇状。钢轨压溃主要是由于钢轨材料强度过低、硬度不足,曲线超高设置不合理,下股钢轨轨底坡不合适,轮对作用在下股钢轨顶部的载荷较大,曲线过车速度过低等原因造成。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图4 钢轨内轨距角处压溃

1.4 侧磨文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

列车在曲线上行使时,导向轮往往存在2 点接触,除踏面接触外,外轮缘与外轨的轨距线相互贴靠,导向轮就在这一点上冲击钢轨,钢轨也在该点产生对车轮的导向力。同时该接触点上的轮对运行方向与轨距线的切线方向形成冲击角φ,轮轨之间导向力和冲击角的存在是产生曲线钢轨侧磨的主要原因。当轮轨之间存在导向力时,轮缘与钢轨轨头侧面接触点上的压强很大,当压强超过钢轨的屈服应力,接触点顶部就发生塑性变形,若此时轮缘与钢轨轨头侧面之间不存在表面膜,2 个表面接触点将发生粘着,同时车轮滚动时,轮缘在钢轨轨头侧面产生滑动,形成钢轨轨头侧面磨耗。钢轨轨头侧向磨耗如图5 所示。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

1.5 波磨文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

钢轨波浪型磨损主要是由离散的轨枕支撑导致钢轨刚度不均匀引起。轨枕间距具有相等的间隔,则钢轨垂向或横向刚度具有周期性。图6、图7 为典型的钢轨波浪形磨损。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图6 钢轨短波长波浪型磨损

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图7 钢轨长波长波浪型磨损

图8 为轮对蛇行运动导致的钢轨波磨。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

假设蛇行波长为λ,yw为轮对中心横移量,钢轨上的灰线为波磨光带,由于轮对蛇行运动使轮缘贴靠一侧钢轨,轨角遭到严重磨损或塑性变形,由于这一侧轮轨作用载荷较大,所以这侧钢轨波磨同时包含了材料磨损和材料塑性变形2 种破坏机理,同时另一侧钢轨顶部外侧磨损也较严重。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图8 轮对作蛇行运动导致的钢轨波磨

1.6 擦伤文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

钢轨顶面擦伤(图9),发生在车轮制动时(此时车轮被闸瓦抱死),车轮沿着钢轨只滑动而不滚动(ω=0)(图10)。列车起动时因轮轨界面粘着力不够,导致车轮产生“飞车”现象(ω≠0)(图11),使钢轨接触面形成“扁疤”型擦伤。在以上2 种条件下,轮轨界面温度可瞬间达到600~1 400 ℃,接触界面附近的材料软化甚至融化,材料磨损率十分高。滑动停止后,接触表面附近材料迅速冷却,材料金相组织发生变化,形成马氏体,产生热残余应力和热疲劳裂纹。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图9 钢轨顶面擦伤

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图10 车轮沿钢轨作纯滑动(紧急制动情况)

重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

图11 车轮就地打滑(加速牵引情况)

2 解决措施

通过对上述几种典型的钢轨伤损现象进行分析,认为钢轨伤损在萌生和发展过程中各种破坏因素密切相关。如果从轨道结构配置、曲线参数设置、钢轨打磨、钢轨润滑等几个方面采取合理有效的应对措施,就能有效减缓这些破坏现象的发生和发展,延长钢轨使用寿命。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

2.1 采用高强度钢轨文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

大断面重型钢轨可大大提高轨道的抗弯刚度,减小轨道的弯曲应力,增强轨道结构的承载能力。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

积极采用耐磨钢轨,并对其材质进行强化、抗剥离和耐腐蚀处理(如淬火),提高钢轨的技术性能。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

可采用PG4、75 kg/m 淬火轨。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

2.2 采用Ⅲ型轨枕及配套扣件文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

采用Ⅲ型轨枕及配套扣件不仅能够提高轨下基础的承载能力,而且可以有效抑制道床残余变形积累。每根Ⅲ型轨枕比Ⅱ型轨枕的支撑面积大17.2%,不仅可以减少轨道的弹性下沉,还能减少道床应力22%。此外,由于Ⅲ型轨枕采取1 667 根/km 的等间距布置,比Ⅱ型轨枕能减少约10%的铺设数量,经济上也是可行的。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

2.3 采用重型大号可动心轨道岔文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

采用重型大号可动心轨道岔,以减少重载列车对道岔区间的动力作用。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

2.4 采用热塑性弹性体轨下垫板文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

采用热塑性弹性体垫板,其结构稳定,塑性变化小,重载下弹性变形较小,可以很好地适应重载运输的要求。热塑性聚酯弹性体TPEE 是含有聚酯硬段和聚醚软段的嵌段共聚物,与橡胶相比,具有更好的加工性能和更长的使用寿命,与工程塑料相比,同样具有强度高的特点,而柔韧性和动态力学性能更好。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

2.5 采用Ⅰ级道砟,保证砟肩宽度文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

道砟是重载铁路上最易损坏的大宗材料,日常养护维修作业量的40%以上在道砟道床作业上。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

提高道砟材质,加强对上线道砟质量的检验控制,对缺少道砟的线路及时补充优质道砟,提高道床阻力,是加强重载轨道整体结构的重要途径。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

2.6 发展跨区间无缝线路,提高钢轨焊接质量文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

消灭钢轨接头和缓冲区,提高线路的平顺性和整体强度。采用移动式接触焊(闪光焊),提高现场接头的焊接质量,彻底实现线路的无缝化。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

2.7 加强曲线及桥涵两端的养护文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

保持曲线良好的圆顺及平顺度,合理设置曲线超高值,适当调整内外轨底坡,适当减小轨距,加密小半径曲线地段的轨枕根数,改善曲线的内在质量及稳定性。延长桥涵两端的桥枕铺设距离,及时补足桥涵两端路基下沉地段的道砟,提高桥梁的稳定性。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

2.8 改进钢轨打磨技术文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

采用新型钢轨整形技术,可利用钢轨铣磨车或打磨车,将钢轨预防性打磨作为钢轨养护维修的一项重要内容。钢轨铣磨车或打磨车的投入使用,将钢轨打磨由状态修调整为预防修,不仅能够消除钢轨鱼鳞状裂纹和剥离掉快,而且能够降低钢轨波浪形磨损,有效地延缓疲劳缺陷发展,极大地提高钢轨的平顺度。在改善轮轨接触几何状态的同时,减少轮轨间相对磨损,也减小对轨枕和扣件的破坏,确保行车安全。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

2.9 用轨顶润滑技术降低轮轨接触应力和横向力文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

采用钢轨润滑剂对半径不大于1 000 m 的曲线上股钢轨进行润滑,以达到控制钢轨磨损速率的目的,有效延长曲线钢轨的使用寿命。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

3 结语

只有不断深入地研究轨道破坏机理,多角度完善和强化轨道结构,认真探索运营安全与养护维修的合理匹配,才能有效延长钢轨使用寿命。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

文章来源:文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

原文名称:重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

作者信息:展红亮(朔黄铁路公司,河北肃宁062350)文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

原文出处:铁道技术监督 (2012)文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/2270.html

继续阅读

注意:内容涉及标准可能存在废止的情况,请实际操作中勿采用,本文仅提供知识参考思路!若有错误,请留言指正,也希望这些知识点可以帮到你!

  • 本文由 发表于 2022年3月26日00:00:59
  • 转载请务必保留本文链接:https://www.guimei8.com/2270.html
评论  2  访客  2
    • w1159063961
      w1159063961 1

      感谢分享

      • MR.G
        MR.G 5

        谢谢分享

      发表评论