直线地段钢轨侧面磨耗原因分析及整治

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2021年2月23日00:00:13
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既有线经过长期运营,常常发生直线段钢轨侧面磨耗问题。直线段钢轨侧面磨耗一旦产生,会造成轨距扩大和线路晃车等病害。直线段侧面磨耗发展到一定程度,如不对钢轨进行更换或调边使用,线路晃车问题难以解决,给维修养护带来很大困难。因此,研究直线段钢轨侧面磨耗产生的原因,做好预防工作十分重要。

1 产生直线段钢轨侧面磨耗的原因

直线段钢轨侧面磨耗从养护维修的角度看,主要是由线路出现不平顺引起的,具体有3 个方面的原因。

1.1 钢轨硬弯引起的侧面磨耗
直线地段钢轨侧面磨耗原因分析及整治

图1 钢轨硬弯侧面磨耗点俯视示意图

钢轨由于装卸、堆码不当或施工中受到机械力冲击会产生硬弯。此外,焊轨时对接轨缝精度不高,焊接过程中钢轨固定不牢固,都会产生焊头硬弯。当硬弯凸起方向位于钢轨作用边一侧时,由于硬弯处轨距小于硬弯两侧的轨距,形成单股轨向,列车通过时,车轮不断冲击硬弯处形成钢轨侧磨。这类侧面磨耗数量较少。当硬弯凸起方向位于钢轨非作用边一侧时,硬弯处轨距大于硬弯两侧的轨距,也形成单股轨向,但不会发生侧面磨耗。具体情形(如图1 所示)。

1.2 轨向不良引起的侧面磨耗
直线地段钢轨侧面磨耗原因分析及整治

图2 轨向不良引起的侧面磨耗示意图

轨向引起的钢轨侧面磨耗,与曲线钢轨侧面磨耗的机理基本相同,在此不做赘述。所不同的是,曲线由于设置超高,外轨承受的荷载由于超高的平衡作用有所减少;而轨向处由于2 股钢轨顶面基本位于同一水平面上,因此,外轨较内轨承受更大的横向和垂直荷载,一旦磨耗产生,其发展速度较快。对于直线地段产生的轨向,可近似看做3 条反向曲线相互连接,因而,由轨向引起的侧面磨耗常常表现为左右股交替出现。具体情形(如图2 所示)。

1.3 扭曲(三角坑)不良引起的侧面磨耗

列车由平顺线路进入扭曲(三角坑)不平顺时,一侧车轮下沉(或上升),或一侧车轮下沉另一侧车轮上升同时进行。

直线地段钢轨侧面磨耗原因分析及整治

图3 扭曲(三角坑)不良引起的侧面磨耗空间示意图

两侧车轮的这种垂向运行形态引起车体发生倾斜摆动,对较低一侧钢轨产生横向和垂向附加冲击力。如果扭曲(三角坑)得不到及时整治,较低一侧的钢轨面和作用边长期受到较大冲击力的反复作用,会在靠近作用边处的轨面和作用边上部接近轨面部分产生疲劳伤损,出现微小裂纹。微小裂纹长度和深度继续发展到一定程度,开始出现剥落而形成侧面磨耗。这种侧面磨耗,基本发生在扭曲不平顺较低一侧钢轨上。具体情形(如图3 所示)。

2 直线段钢轨侧面磨耗产生及发展规律

直线段钢轨侧面磨耗的诱发、发展、出现可通过钢轨顶面和作用边的外观变化观察发现。笔者在多年的养护维修工作中,通过观察发现,直线段钢轨侧面磨耗从诱发开始至侧面磨耗产生出现,其外观变化呈现以下变化规律:首先,钢轨顶面光带发生偏移,偏移方向为向作用边一侧靠拢。然后,钢轨顶面靠近作用边一侧出现微小裂纹,裂纹长度及深度随时间逐渐发展,裂纹发展到一定程度用手摸有划手的感觉,继续发展有起皮现象。最后,裂纹处开始剥落,钢轨开始侧面磨耗并不断发展。

直线段钢轨侧面磨耗多发生在行车速度较高且货运量较大的区段。这是由于货物列车的轴重大于旅客列车,加之速度较高对钢轨的作用力也就较大,更易引起钢轨表面的磨耗和疲劳伤损。

直线段钢轨侧面磨耗多发生在钢轨使用的后期,这是由于后期钢轨顶面已经产生垂直磨耗,顶面疲劳强度下降所致。

3 直线段钢轨侧面磨耗的预防

了解了直线段钢轨侧面磨耗的原因及发展规律,在线路养护维修工作中,就可以对直线段钢轨侧磨病害进行预防。具体需要做好以下几方面工作。

3.1 做好直线钢轨侧磨预兆的检查

在设备检查时,注意检查钢轨光带偏移情况。当钢轨光带向作用边一侧偏移时,检查该处是否存在轨向或扭曲(三角坑)不平顺,如存在轨向和扭曲(三角坑)不平顺,即便不超过经常保养标准也应予以重视,安排整修。当钢轨顶面出现微小裂纹时,即为侧磨预兆,应立即安排整治。整治后,应对整治效果进行复查,如微小裂纹经过1 段时间逐渐减小或消失,说明整修效果较好。否则,应查找原因,改进整修方法,提高整修质量。需要说明的是,并不是所有光带偏移都会引起钢轨侧磨,只有当光带偏移与轨向或扭曲(三角坑)同时存在时,才可能引起钢轨侧磨。

3.2 做好钢轨硬弯的整治

当硬弯凸起方向位于非作用边侧,如轨距扩大值不大(不超过临时补修标准),可不予理会。如超过临时补修标准,钢轨应安排矫直或更换,焊头应安排重新焊接。当硬弯凸起方向位于作用边侧,轨距减小,应及时安排矫直或打磨作业(焊头硬弯不易进行矫直,应进行打磨)。钢轨硬弯处不适合用改道作业的方法进行处理。这是因为进行改道作业,则硬弯处钢轨会有回弹趋势,造成轨道框架内会产生横向作用力,列车通过时,轨排做起伏运动,使线路2 股钢轨均产生轨向不平顺,效果不会很好。

3.3 做好轨向不平顺的整治

保持良好的轨向可以防止发生因轨向引起的钢轨侧磨。轨向拨正作业易在轨温较低时进行。当轨温低于无缝线路的锁定(普轨线路为铺设)轨温,钢轨处于受拉状态,这时拨正轨向,钢轨更易保持直线状态。如道床状态良好也可考虑冬季拨道,效果会更好。有些轨向具有记忆性,拨正后会逐渐回弹,对于这类轨向,应采用钢轨矫直与拨正相结合的方法,对引起轨向的关键点进行矫直,然后拨正线路。轨向拨正后,应及时做好道床的补充道砟、夯拍、砟肩堆高等作业,以提高或保持道床横向阻力,使线路方向得以保持。

3.4 做好扭曲(三角坑)不平顺的整治

保持线路平顺消除扭曲(三角坑)可以防止因扭曲(三角坑)引起的钢轨侧磨。消除扭曲(三角坑)不平顺,应根据扭曲(三角坑)值的大小选择捣固或垫板作业。当扭曲(三角坑)值不大且数量不多时,易进行垫板作业。当扭曲值大或扭曲不平顺较多时,可进行捣固或全面起道作业。当道床发生板结时,日常维修及保养处理扭曲(三角坑)应进行垫板作业。道床脏污冬季不宜进行起道或捣固作业时,应进行垫板作业。

线路的各种不平顺并不是相互孤立毫不相干的。不平顺的发生,存在着紧密联系。当线路高低扭曲不平顺发生时,线路承受冲击荷载增加,不仅加剧高低和扭曲不平顺的继续发展,同时也容易引起轨向的不平顺。反之,当轨向发生不平顺时,由于离心作用会引起2 股钢轨受力不均,其中一侧钢轨受到较大荷载作用而引发高低及扭曲(三角坑)不平顺的发生。因此,在线路维修和保养过程中,应注意消除各种不平顺,不可单打一。对引起直线段钢轨侧面磨耗的轨向和扭曲最小值,因线路容许速度、运量以及道床状态的不同而不同。允许速度为160 km/h,运量大的繁忙干线,扭曲达到4~5 mm 时,如长期存在得不到整
治,即可引发直线段钢轨侧磨的产生。在实际工作中,应根据线路的具体情况确定整修值。

4 直线段钢轨发生侧磨后的整治

(1)由硬弯引起的钢轨磨耗,一般磨耗长度较短,作用边侧面磨耗取直后,不再发展,也不会引起晃车病害。因此,只要钢轨磨耗未达到伤损更换标准,可不必处理。

(2)由轨向、扭曲引起的钢轨侧磨,发生后会继续加速发展,同时引起线路晃车且不能根治。因此在钢轨磨耗达到轻伤标准前,应进行处理。对于普轨线路钢轨发生侧面磨耗后,可考虑换轨或原地调边。对于无缝线路,当钢轨侧面磨耗处所数量较少时(不超过2 个/km)可考虑锯切磨耗部分钢轨插入短轨进行焊接处理。插入短轨作业时,最好在锁定轨温容许偏差内,以避免2 次放散作业,节约工时。无缝线路钢轨侧面磨耗处所较多时(达到3 个/km 及以上)易采用左右股钢轨调边处理。无论是焊轨还是钢轨调边使用,都要注意消灭引起侧面磨耗的原因,即及时消除引起侧面磨耗的轨向和扭曲(三角坑),以防止侧面磨耗的再次发生。

5 结束语

直线段钢轨侧面磨耗的产生发展是1 个过程。只要在设备检查过程中,注意对钢轨表观形态进行观察,完全可以提早发现。在钢轨顶面出现微小裂纹,磨耗尚未开始磨耗时,经过有效整治完全能够防止侧面磨耗的产生。因此,在养护维修过程中,应坚持预防为主,发现直线段钢轨侧磨前的征兆及时通过维修
手段加以解决,即可防止直线段钢轨侧面磨耗的产生。

文章来源:

【文献出处】 哈尔滨铁道科技  ,2017年02期

【作者】《既有线直线地段钢轨侧面磨耗原因及防治》郭子良(沈阳铁路建设监理有限公司,辽宁沈阳110002)

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