根据钢轨光带异常看道岔、线路轨道平顺性

高速铁路必须有高平顺性的轨道。研究分析轮轨关系,制定轨道平顺性控制措施,确保轨道动态保持高平顺,是工务工作始终面对的关键技术问题。从观测钢轨光带异常入手,从简单的表面现象观察到本质分析,提出引起异常的轨道不平顺类型,进而制定针对性措施,改善轨道平顺性,满足高速列车安全平稳运行要求。

1 钢轨光带定义

车轮在钢轨的直接支承和导向下,沿着运行方向作蛇行运动。车轮踏面在钢轨面的滚动、滑动,车轮轮缘与钢轨间相互作用,都会在钢轨上留下亮痕,我们称这种亮痕为钢轨光带。钢轨光带分顶面光带和作用边擦痕。在轮轨关系正常的情况下,直线段左右股钢轨顶面光带宽度均匀、作用边无擦痕,顶面光带宽度为轨头宽度的85%~90%,以60kg/m钢轨为例,光带宽度为从作用边向外侧65~68mm范围,且光带边线笔直,泾渭分明(图1)。曲线段上股钢轨作用边擦痕、侧磨均匀,下股钢轨作用边无擦痕。

钢轨光带发生异常,直接原因是轮轨间作用力和作用点发生了改变。而造成这种改变的根本原因是不同类型的轨道不平顺的存在。光带就像人的脸部一样,查找轨道不平顺,就像医生看病一样,先从看光带入手。

图1 直线段钢轨顶面正常光带示意

2 直线段钢轨光带异常及轨道不平顺分析

2.1顶面光带宽度减小和增大

图2、图3分别为光带宽度明显减小和增大示意图,轨道不平顺类型为中长波高低不平顺。光带宽度明显减小和增大分别对应轨道“高包”和“低洼”。列车高速运行至“高包”处,车体产生向上的加速度,车轮悬浮减载,钢轨上动态垂直力减小,车轮踏面与钢轨顶面接触面积减少,导致光带减小。反之,轨道“低洼”,钢轨上动态垂直力增加,车轮踏面与钢轨顶面接触面积增大,导致造成光带增大。例如京沪线洛社站1号道岔前直线段钢轨顶面光带明显减小,仅有52mm左右,现场量测轨道左右股同时存在“高包”18mm(检测弦长20m)。

2.2顶面光带宽度不均匀

如图4所示,钢轨顶面光带宽度增大和减少断断续续呈不规则状,轨道不平顺类型为短波轨道方向不平顺。轨道连续出现“S”形小方向不良或钢轨扭曲。

图4 直线段钢轨顶面光带宽度不均匀

连续短波轨道方向不平顺,引起车辆蛇行运动加剧,车轮踏面在钢轨顶面上横向蠕滑力增加,车轮横向移动距离或大或小,造成钢轨顶面光带宽度增大或减少。

例如京沪线湾城站站内上行直线段,使用1m电子平直尺测量间隔500mm连续测量,钢轨导向面不平顺为+0.49、-0.17、-0.14、+0.46mm等。

2.3钢轨作用边轨头圆弧处光带不均匀

如图5所示,钢轨作用边轨头圆弧处光带或宽或窄,轨道不平顺类型为轨面波浪形磨耗短波不平顺。

轨面波浪形磨耗短波不平顺造成钢轨受到的垂直、横向力不均匀,钢轨鱼鳞伤发展速率不一致。当钢轨鱼鳞伤发展到一定程度,钢轨顶面内侧部位低踏,作用边轨头圆弧处出现光带不均匀现象。这种现象多发生在客货共线重载快速区段,如京沪线下行芦岭站到固镇站间,此种问题比较突出。

图5 钢轨作用边轨头圆弧处光带不均匀示意

2.4钢轨作用边明显擦痕

钢轨顶面以下10~16mm,车轮与钢轨间擦痕明显。轨道不平顺类型多为长波方向不平顺。当直线段轨道存在长波方向不平顺时,形成一个大半径的曲线,向外凸出的那一股钢轨,相当于曲线上股,导引车辆转向,车轮轮缘与钢轨作用边接触力增大,形成明显擦痕。这种现象多发生在道岔和曲线夹直线、站内直线等地段。

2.5单类型列车车轮与钢轨间形成的蛇形光带

如图6所示,动车组车轮与钢轨间钢轨上形成特殊的蛇形光带。轨道不平顺类型多为短波钢轨顶面不平顺或横向扭曲不平顺。客货共线高速地段,多种类型机车、车辆的车轮与钢轨之间作用复杂,形成光带相互叠加,部分地段难以直接从钢轨上观测光带,可采取辅助措施。如京沪线上行K1406直线段,动车组运行时摇晃明显,为找清原因,在摇晃地段两股钢轨顶面涂一层薄薄油漆,观测动车组运行时,车轮与钢轨间的耦合关系。从图6可以看出,动车组在钢轨上蛇行运动明显。现场轨道不平顺为成段波浪形磨耗和钢轨扭曲。

图6 动车组列车蛇行光带示意

2.6钢轨顶面光带颜色变灰暗

顶面光带颜色由银亮变成灰暗,轨道不平顺类型多为短波钢轨顶面不平顺。多发生在焊缝接头、尖轨跟部、翼轨和心轨间隔铁处。由于焊接不平顺或钢轨竖向刚度减弱等原因,钢轨垂直附加力增大,钢轨顶面低踏,顶面光带颜色变深暗。现场多引发空吊,联接零件松动失效等。

2.7钢轨顶面光带边线突变

如图7所示,钢轨顶面光带边线突变,由直线变为不规则曲线。轨道不平顺类型多为短波钢轨顶面不平顺。多发生在钢轨现场铝热焊焊缝处。焊接时两侧钢轨在对位出现偏差,或高或低,或左或右,焊接完成后没有进行精磨,焊缝顶面和作用边不平顺问题没有得到很好控制和解决。一般情况下,光带偏向轨道内侧时该点拱高,反之低扣。要特别防止钢轨焊缝顶面和作用边存在单点逆相位不平顺问题(图8),钢轨焊缝作用边内凸处的单点逆相位不平顺问题要优先处理,否则会成为引发车轮不正常振动的激扰源。

3 道岔内钢轨光带异常及轨道不平顺分析

3.1曲基本轨光带外移

如图9所示,钢轨顶面光带在尖轨30~50mm断面前后发生变化,光带向曲基本轨外侧偏移。轨道不平顺类型多为钢轨中波顶面不平顺。主要原因是直尖轨顶面降低过快,尖轨30~40mm断面处明显低于基本轨,完全不受力,垂直力从直尖轨到曲基本轨,或从曲基本轨到直尖轨转换过快。同一轮对上的两个车轮转动半径相差大、变化快,车辆通过转向架扭转来调整时,引发车辆摇晃。对顺向道岔,垂直力从尖轨向曲基本轨过渡,尖轨顶面降低、宽度减小,道岔框架刚度减小,对车辆转向架扭转的“阻力“弱,车辆摇晃程度大;反之,对于逆向道岔,垂直力从基本轨向尖轨过渡,尖轨断面在增加,道岔框架刚度也在增加,对转向架扭转的“阻力”大,车辆摇晃程度低。

图9 顺向道岔尖轨、基本轨处光带异常示意

如合宁客运专线法国科吉富高速道岔,在动车组开行时,发生部分道岔转辙部位严重晃车。经现场钢轨光带检查,存在明显的曲基本轨光带偏向外方现象。经过轮轨垂直力检测(图10),尖轨在30mm断面及以前几乎不受力,在50mm断面垂直力过渡完成了60%。表明尖轨降低值过大,使得轮轨垂直力由曲基本轨至直尖轨的过渡滞后设计值。

图10 轮轨垂直力由曲基本轨至直尖轨的过渡范围与比例

又如京沪线横林站10号道岔(型号CZ2516),道岔直尖轨更换后摇晃严重,现场检查发现直尖轨在30mm断面(第12块滑床板)之前完全不受力,尖轨加工时取下限,尖轨顶面降低过快,动车组运行过程中明显向曲基本轨一侧晃动。

3.2尖轨、基本轨作用边明显擦痕

直尖轨、曲基本轨或直基本轨作用边明显擦痕,甚至尖轨和基本轨出现侧磨。轨道不平顺类型为轨道长波方向不平顺。尤其在道岔转辙部居多,长波不平顺既有道岔区静态大方向问题,又有因结构病害造成动态大方向问题。结构病害主要有:道岔框架尺寸偏大,尖轨与基本轨明显不密贴、尖轨旁弯、空吊等。

4 曲线光带异常及轨道不平顺分析

4.1钢轨顶面光带

曲线下股钢轨光带变宽(压满整个轨面),上股光带变窄,轨道不平顺类型为水平长波不平顺。主要原因是曲线超高设置不合理、超高过大所致,这在客货共线的高速地段表现突出。

4.2钢轨作用边擦痕

主要表现为缓和曲线头及前后直线段,曲线下股一侧的钢轨作用边出现异常擦痕,圆曲线作用边擦痕轻重不一,轨道不平顺类型为方向中波或长波不平顺。

如沪昆线上行K351曲线,现场轨道不平顺为缓和曲线头及直线段大方向不良,曲线头存在明显“反弯”,曲下股钢轨出现侧磨。圆曲线作用边擦痕轻重不一多与曲线正矢的不圆顺有关。

5 高速线路轨道不平顺的整治关键

5.1强化钢轨的修理

对于焊缝接头的短波不平顺应采用小型养路机械预打磨、大型钢轨打磨车周期性打磨的方法解决;对成段波浪形磨耗、鱼鳞伤的钢轨应采用大机钢轨修理性打磨的办法解决。对顶面降低过快的尖轨最好的办法是更换解决。对京沪线湾城站上行正线钢轨扭曲、波浪形磨耗严重地段,在采用大型钢轨打磨车打磨不能解决的情况下,可采用大型钢轨铣磨车进行处理,以降低轨道不平顺幅值。

5.2轨道大平大方向实施全面定位

运用三维精确定位系统,对轨道平纵断面全部进行测量。使用大机对轨道进行精确起道、精确拨道,重点解决道岔和曲线单元内轨道大平大方向问题,全面调整曲线圆顺度。在全面整治后,对轨道实施定位管理。

5.3提高轨道弹性,促进刚度均匀

全面、成段清筛道床,开展结构病害整治,成段更换磨损胶垫、垫板,更换补充松动、缺损零配件,重点地段安装轨道强化、锁定设备等措施,都是提高轨道弹性,确保刚度均匀的有效办法,为轨道的平顺性的长期保持打下基础。

6 结语

轮轨作为一个系统,对高速线路列车运行平稳性的影响不可分离。在加强轨道不平顺研究与控制的同时,也应对车辆系统的平顺性进行研究,如对动车组车轮镟修工作的研究。目前,全国客运专线高速铁路大面积上马建设,但先进检测设备和检测技术还没有得到广泛运用,采用传统的观测钢轨光带方法,分析检测轨道不平顺,仍是十分有效和科学的。

文章来源:

原文名称：从钢轨光带异常看高速线路轨道平顺性

作者姓名：左玉良

作者单位：上海铁路局, 上海? 20007

文献出处： 铁道标准设计,2009年04期