铁路小半径曲线钢轨病害成因及整治方法

2021年5月7日00:00:49
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铁路网络是国家的经济命脉,对于加快区域发展、改善人民生活具有重要的意义。随着建设规模的不断扩大,除了给人们带来便利的交通条件之外, 也产生了诸多技术难题,小半径曲线线路钢轨的受力情况比较复杂,很容易出现各种病害,只有找到这些病害产生的原因,才能从根本上对症下药,从而有效延长钢轨的使用寿命,减少资源能源消耗。

1 铁路曲线轨道受力分析

在实际运行过程中,铁路线路比较长,需要穿越复杂的地形,为了降低施工成本、提高工作效率,需要根据地形铺设轨道,从而形成了弯弯曲曲的曲线。在平直路段上,轨道受力比较均匀,在曲线路段则会复杂的多,很容易引起钢轨病害。所以,要加强受力分析,在竖直方向上,车辆的重力会通过车轮传递到钢轨上,随着载客量的增加,这个方向上的力也会增加的越快。在横向方向上,车轮对轨道会产生侧向压力,在曲线地段,需要通过横向作用力来提供列车转弯的向心力,曲线半径、行车速度等都是影响横向力大小的重要因素,通常来讲,速度越大、半径越小产生的横向力越大。在纵向方向上,钢轨还会受到列车爬行产生的摩擦力,在穿越复杂地形、不断调整车速的情况下,会使钢轨温度出现明显的变化,对钢轨性能造成了严峻的考验。轨道受力的复杂性是铁路小半径曲线钢轨病害产生的重要原因,各种病害在具体表现上存在着一定的差异,需要具体问题具体分析。

2 铁路小半径曲线钢轨病害成因及整治研究

2.1 剥离掉块

(1)特征

根据总结分析,铁路小半径曲线钢轨剥离掉块具有一定的特征,它主要集中在曲线上股钢轨内侧面,相对而言,出现在直线段及曲线下股钢轨的概率比较低,道岔前后、夹直线偶尔发生,几乎在曲线上股钢轨轴线外侧不存在这个问题。而且,主要出现在新钢轨上,在使用磨合一段时间后,剥离掉块的情况有所改善,由于小半径曲线钢轨受力情况更为复杂,所以产生剥离掉块的问题比较常见。另外,轨枕、道砟等都会产生不同程度的影响,如果轨道的弹性小而刚度大,那么产生的作用力也就越强,剥落掉块自然也就越严重,在轨道养护时通常会刷油,以降低磨损,但是这对于剥离掉块病害的控制并不有利。

(2)危害

在实际工作中,如果钢轨剥离掉块到一定程度,那么就需要及时更换, 所以,这种病害直接决定着钢轨的使用寿命。为了应对这一问题,在钢轨铺设初期及使用过程中,要加强维护保养,并按照规定进行更新,这大大增加了铁路建设和维护成本,增加了钢材的消耗量。而且随着剥离掉块病害的不断加重,不但会影响乘坐的舒适性,而且会对车轮、道砟、轨枕等产生强烈的冲击,严重影响轮轨系统的稳定性,容易诱发其他隐患的产生,甚至影响行车安全,导致脱轨、跳车等事故的发生。在毗邻城市居住区域,还会产生巨大的噪声,影响周边居民的身心健康。

(3)成因

根据铁路小半径曲线钢轨剥离掉块的特征可以分析出主要的病害原因, 即过高的轮轨接触应力和过低的钢轨强度。从发展进程上看,初期会萌生鱼鳞状表面裂纹,然后形成不连续剥离,这会减小有效接触面积、增大轨头应力,从而导致病害迅速发展,形成剥离掉块,最终导致钢轨报废。从力学角度上看,接触疲劳伤损是产生剥离掉块的主因,在高接触应力以及相对滑动作用下,会使表面产生局部金属断裂损伤,首先在高预应力区产生微裂纹, 随着轮轨力的反复作用,促使裂纹进一步扩展。如果磨损病害比较严重,微裂纹在还没有产生扩散之前已经被磨掉,那么磨损病害就占据着主导地位, 决定着钢轨实际寿命。抹油养护能够有效降低磨损率,但是润滑剂会渗透到裂纹间隙,加快了裂纹发展。

影响钢轨剥离掉块病害的因素有很多,包括轨道结构、钢轨材质、列车速度、自然条件、轴重等,不同因素会产生不同程度的影响。铁路曲线段具有一定的特殊性,与直线段设计差异较大,曲线半径越小、行车速度越快, 横向轮轨力越大,而且,存在着客货车、快慢车混跑的现象,有些设计参数不能满足部分需求,导致离心力无法通过超高平衡,只能利用钢轨横向力进行约束,所以,轴重过大和提升速度都会导致曲线段钢轨上股受到的车轮横向力剧增。随着铁路网络的逐渐扩张,大大增加了山区路段,形成了许多曲线线路,在列车运行到大长下坡时,需要通过较长时间的制动来控制速度, 这时会产生巨大的热量,极大考验了钢轨材质,为裂纹的产生和扩增提供了条件。在潮湿多雨地区,由于雨水的附着会降低摩擦阻力,使车轮出现滑行情况,甚至发生擦伤,而且水会渗入到裂纹中,在水压的作用下加快了裂纹的发展扩大。另外,如果钢轨材质存在质量隐患,那么会大大折损其变形性能,更容易催生剥离掉块病害[3]。

(4)整治

钢轨玻璃掉块是普遍性问题,各国的专家学者都在积极研究,以求获得不错的预防、整治、缓解效果。严格控制轨道几何不平顺和复合不平顺,消除因几何偏差产生的激扰源,严格控制各种误差,尽量降低轨道不平顺性, 减少轮轨冲击作用,能够有效缓解剥离掉块病害的发生。全面整治轨头接缝状态,控制伤损高发区,避免出现接头钢轨和轨枕暗坑空吊,减小焊缝的原始不平顺,保证轨缝均匀。提高轨道弹性,减弱轮轨耦合振动强度,有效降低冲击作用,延缓剥离掉块的迅速发展。在轨头出现裂纹之前,可以适当抹油,以降低轨头损耗,如果出现斑点,要及时停止,等到斑点消失后再进行间断涂抹。钢轨应该选用高强度、高纯度、耐磨性好、高韧度钢材,同时, 改善生产工艺,弥补材质原有的缺陷。利用专用打磨车周期性进行预防性和修理性打磨,以应对轨面不平顺、疲劳微细裂纹、轨头波形磨耗等各种缺陷。在新建和改造设计时,可以适当扩大曲线半径,优化设计参数,做好施工过程管理,避免因人为因素导致的质量隐患。

2.2 水平裂纹

(1)特征

铁路小半径曲线钢轨水平裂纹病害主要发生在圆曲线和圆曲线附近上 股钢轨,而且在四百到七百米之间的曲线最容易产生水平裂纹。通过研究表明,轨面裂纹和轨道条件具有较强的联系,如果轨底坡较小,那么很容易产生偏心受压现象,而且减小了轮轨接触面积,反之,轨底坡较大则可以明显改善轮轨接触状态,有效缓解偏心受压的问题。相对而言,新钢轨更容易产生水平裂纹,木轨枕比钢筋混凝土枕轨的弹性要好,更不容易出现轨头裂纹, 而且利用大胶垫也能够相对减少裂纹。另外,新旧线路、道床状态、钢轨重量、曲线半径等都与水平裂纹病害有着不同程度的关联[4]。

(2)危害

水平裂纹与剥离掉块都会影响铁路线路运行的安全性、稳定性、舒适性、经济性,容易产生许多不和谐因素。水平裂纹最终也会发展成剥离掉块,对于最不利的部位裂纹,可能会向深度发展形成竖向裂纹或者斜裂纹,随着程度的不断加剧,导致钢轨断裂,这种病害也需要铁路工作者着重关注,加强研究,找出原因,采取有效措施加以应对。

(3)成因

只有轨头表面存在缺陷并且满足的萌生水平裂纹最低条件,才能促使水平裂纹病害的产生和发展。钢轨材质质量是诱发该病害的内部原因,在加工过程中,原材料缺陷会形成折叠裂纹,如果存在较多杂质,那么在荷载作用下会出现应力集中状态,从而产生裂纹。除了内部原因,钢轨水平应力过大是重要的外部原因,从裂纹的发展方向上看,轨头表面受到的横向拉应力起着主要的控制作用,这些横向拉应力是侧向力和残余应力共同产生的效果。造成曲线上股轨面内侧水平裂纹主要外力包括轮轨接触局部应力、钢轨静态弯曲应力、偏心受压附加应力、滑动摩擦力、离心力、导向力、牵引力、制动力,等等。

(4)整治

针对铁路小半径曲线钢轨水平裂纹病害的特征和成因,可以从减小接触应力、增大接触面积的角度出发,缓解接触疲劳,以求实现预期的整治目的。通过改变轨底坡来实现扩大接触面的目的,有效减小局部应力和偏心受压, 同时,利用楔形胶垫也可以增大轨底坡,能够起到不错的预防和修复裂纹的效果。实践表明,增加轨道弹性也可以控制的裂纹病害,适度增加弹性比和胶垫厚度,并且保持道砟整洁和排水通畅,这些措施都能有效提升轨道弹性, 在新开通提速线路上要积极调整曲线超高,改善曲线上股钢轨和车轮的接触状况,避免因不合理接触造成轨头应力的快速增长。在铁路小半径曲线部位铺设新轨时,可以用适当磨耗的钢轨进行替换,能够有效缓解轮轨磨合问题, 这样既可以节约成本,又可以获得不错的病害控制效果。另外,除了做好倒换使用和及时更换,积极采取预防性打磨、控制抹油时间、优化轮轨设计、改善生产工艺等措施,都可以有效应对裂纹病害的产生与发展。

综上所述,本文首先针对铁路曲线轨道受力进行了分析,然后以剥离掉块和水平裂纹为例,着重研究了小半径曲线钢轨病害的特征、成因、危害及整治措施。希望能够起到积极的现实意义,充分认识钢轨病害造成的损失和影响,加强理论研究,针对小半径曲线钢轨病害的主要影响因素寻求应对策略,从而保证行车的安全性、稳定性、可靠性,提高铁路建设的经济效益和社会效益。

文章来源:

文献: 四川水泥 ,2021年01期

文章名称:《铁路小半径曲线钢轨病害成因及整治研究》

作者名称:陈松涛

所在机构:中国铁路北京局集团有限公司承德工务段, 河北 承德 067000

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