钢轨波磨的定义、危害及形成机理

2022年5月12日00:00:36轨道线路评论472

一、钢轨波磨基础知识

钢轨波磨的定义、危害及形成机理

波浪磨耗示意图

钢轨波浪磨耗简称钢轨波磨,是钢轨损伤的一种主要类型。钢轨波磨是指钢轨轨头踏面沿长度方向出现周期性的不均匀塑性变形和磨耗,使钢轨全长呈现波浪形状的不平顺。波浪磨耗的波谷处有明显的塑性变形,使踏面辗宽或出现辗边,轮轨接触光带变宽。波峰处踏面的塑性变形量明显小于波谷,接触光带较窄。波峰、波谷踏面光带的明暗程度也有差异(图1)。波浪磨耗的波长是指相邻两波峰之间的水平距离,波深是指相邻波峰与波谷间的垂直距离。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

二、各类铁路波磨情况

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客货混运铁路由于列车轴重大,钢轨波磨的波长较长,一般为200~300mm,且深度较深,引起的振动频率较低,一般在30Hz左右。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

地铁线路运营列车轴重较轻,小半径曲线较多,车站间距较短,列车频繁制动、起动,钢轨波磨的波长一般为30~80mm,且深度较浅,引起的振动频率较高,一般在200Hz以上。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

高速铁路钢轨波磨的产生与线路线形并无明显关系,直线、缓和曲线和圆曲线区段均有波磨出现,钢轨波磨呈多处非连续分布,每处波磨长度沿线路纵向大约10~15m不等,钢轨波磨的波长较短,在线路高速区一般为120~150mm,线路低速区约为60~90mm,与地铁和客货混运线路相比,高速铁路无砟轨道上的钢轨波磨深度较浅,一般在0.04~0.10mm范围内。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

钢轨波磨的定义、危害及形成机理

地铁道岔磨耗图

在道岔的制造、运输、铺设过程中,道岔几何形位不可避免的会有一些偏差,在列车荷载的作用下,其可能会进一步扩大,这不仅会造成行车舒适性的降低,使道岔区的平顺状态进一步恶化,严重时还会影响行车的安全性,导致安全行车速度的降低。道岔区波长80~300mm的波浪磨耗多发生于道岔曲股,直向也时常发生,波长300~1000mm的波浪磨耗,多发生在单一规格车辆运行的线路上,整个岔区都有可能出现;波长1000~2500mm的波浪磨耗,通常被认为是钢轨轧制后形成的初始不平顺演变而来。 文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

三、钢轨波磨对轨道和列车运行的影响

1.严重破坏轨道文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

(1)加速石砟粉碎。轨道受垂向作用力,石砟受挤压而被碾碎。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

(2)空吊、泛白接头、翻浆冒泥增多。接头空吊会使白色底砟翻到轨道表面,是空吊的典型特征,长期空吊外加雨雪天气会使轨道形成翻浆冒泥。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

(3)失效轨枕增多。列车通过波峰对轨枕垂向作用力加大,加速轨枕失效。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

2.其他影响文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

(1)轮轨黏着不良。机车司机在波磨地段为确保行车安全,要减速行驶。由于波磨轨面不平顺,导致轮轨黏着不良,增大了列车的运行阻力,增加了动力损耗。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

(2)机车零部件修换率增高。由于列车通过波磨区段振动加剧,机车车辆零部件受损,造成松动、断裂,增加了机车检修的工作量,带来不必要的经济损失。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

(3)脱轨。波磨严重地段,列车通过波峰时,列车冲击力增大,而通过波谷时受力减小,列车的瞬间减载,容易引起脱轨。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

、波磨形成的机理文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

波磨的形成是轮轨作用过程中发生的一种复杂现象,要分析波磨形成机理,就一定要从轮轨关系考虑。波磨成因理论分类见表1。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

表1 波磨成因理论分类文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

波磨成因理论 分类
动力类成因

轮轨接触共振理论(共振、反馈)文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

轮轨垂向共振理论(反馈、共振)文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

轮对振动文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

磨耗功波动理论(自激、反馈、共振)文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

非动力类成因

钢轨冶金性能理论文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

残余应力理论文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

磨损及腐蚀理论文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

不均匀塑流理论文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

接触疲劳理论文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

1.摩擦自激振动理论文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

一般情况下影响轮轨系统振动质量主要有两个因素:车辆走行部的簧下部件质量和轨道质量,轮轨系统产生垂向、横向振动以及扭转和弯曲振动。计算表明,在一定条件下由于振动的自激和交叉激扰,轮轨系统垂向振动、轮对弯曲振动、轮对扭转振动三种振动形式构成一个循环自激振动系统,轮对在钢轨上的摩擦自激振动在曲线上表现为黏着滑动振动,黏滑振动不断重复。滑动时轨面磨损严重,形成波谷;黏着时轨面磨损轻,形成波峰,由此轨面上出现波浪磨耗。轮轨蠕滑力与蠕滑率的关系是二值性函数,在摩擦的正特性区域,轮轨黏着,储存能量;而在摩擦的负特性区域,车轮在轨面上滑动,摩擦力下降,车轴松弛,释放能量后轮轨重新黏着,从而形成摩擦自激振动。总的来说,在曲线上轮对受到的纵向作用力较大,轨道横向和垂向弹性不均,在一定车速下发生横向共振,曲线上的摩擦自激振动比在直线上剧烈,所以在曲线更容易出现波磨。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

2.反馈振动机理文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

轨头表面的原始不平顺激起轮轨的高频振动,又影响轨头表面的形状。当一定量的车轮通过后,与垂向振动固有频率相差较大的波长被过滤掉,不平顺宽带减小,垂向振动被激化,轮轨振动附加力导致轨头表面塑变而形成波磨。特别是当同一类型的机车车辆以相近的速度通过不平顺时,振动对钢轨相同位置的重复作用将加速波磨的形成。垂向振动使车轮作用在钢轨上的垂向力沿钢轨长度方向具有周期性,当周期力的幅值超过钢轨安定极限,并使由此产生的塑性变形沿某一个方向具有单向优势的时候,便在轮轨上逐步产生了波浪形不平顺。此后,已有的不平顺使车辆发生强迫振动,从而使波磨加速发展。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

3.接触疲劳理论文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

接触疲劳理论又称表面疲劳,是指钢轨与车轮踏面反复接触时发生的表面或表面以下的伤损。表现为表面凹陷、分层次片状剥落及裂纹等几种不同的破坏形式,整个过程分为裂纹形成和裂纹发展两个阶段,接触疲劳与钢轨的塑性变形有密切的关系。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

在列车车轮与钢轨的作用过程中,因各种工况的影响,滚动接触面间不可避免地存在黏滑现象,此时钢轨所受的剪切应力比纯滚动和纯滑动时都大。另外,在列车车轮载荷的不同作用下,轨头表面金属由于冷作硬化,使轨头工作面的硬度不断增大,当通过一定的总运量时,由于表面层的过度硬化及车轮黏滑的影响,就在轨头表层形成微裂纹。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

这种裂纹破坏了钢轨表面均一性,对接触应力的分配产生较大影响,使钢轨金属抗塑流能力降低,同时裂纹和纵向踏面摩擦力结合,最后导致钢轨出现剥落掉块和横向裂纹,对波磨的形成起很大作用。文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

参考文献:文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

1.邹定强等编著《钢轨失效分析和伤损图谱》[M]. 2010文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

2.贾晋中,陆生,彭丽宇,秦怀兵《朔黄铁路重载综合检测车》[M]. 2016文章源自轨魅网-https://www.guimei8.com/9467.html

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