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        鋼軌螺孔裂紋傷損特點(diǎn)及防治措施

        2010-05-04 08:41:14姚存治
        鐵道建筑 2010年8期
        關(guān)鍵詞:螺孔傷損百分比

        張 勤,姚存治

        (鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鄭州 450052)

        鋼軌傷損調(diào)查表明[1],無(wú)縫線路主要傷損依次為:焊接傷損、軌頭垂直或水平裂紋、孔裂、擦傷、剝離掉塊及魚鱗紋、軌腰圓弧縱裂和核傷,各傷損所占比例分別為30%、20%、15%、9%、7%、4%和 3%;普通線路主要傷損依次為孔裂、軌頭垂直或水平裂紋、擦傷、淬火裂紋、軌腰圓弧縱裂、核傷、剝離掉塊及魚鱗紋,分別占全部傷損的 47%、25%、10%、6%、3%、3%和2%,可見,孔裂傷損約占普通線路鋼軌全部傷損的50%,約占無(wú)縫線路鋼軌傷損的14.2%。無(wú)縫線路中孔裂主要是插入短軌造成的。

        鋼軌大修周期與鋼軌傷損密切相關(guān),延長(zhǎng)鋼軌大修周期,必須減少鋼軌傷損或延長(zhǎng)鋼軌傷損發(fā)生時(shí)間。因此,必須調(diào)查研究占鋼軌傷損主要部分孔裂傷損原因、發(fā)生特點(diǎn)和規(guī)律,并提出預(yù)防孔裂傷損措施。

        1 孔裂傷損的特點(diǎn)和規(guī)律

        線路上孔裂可能發(fā)生在任何一個(gè)螺孔,按孔裂發(fā)生方向可以分為平裂、上裂和下裂,如圖1所示。

        圖1 螺孔裂紋開裂方向

        為了掌握孔裂發(fā)生位置、方向及其各孔產(chǎn)生裂紋的百分比,利用上海局提供的鋼軌傷損數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行了孔裂傷損統(tǒng)計(jì),表1至表14中1、2和3分別代表1孔、2孔和3孔。為了對(duì)比孔裂傷損的變化,文中統(tǒng)計(jì)了 1995、1996、2000、2001 和 2002 年孔裂傷損。

        表1和表2分別為1995年、1996年上海局無(wú)縫及普通線路孔裂發(fā)生位置和方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果;表3~表11為上海局2000年—2002年單線及復(fù)線螺孔傷損發(fā)生位置、方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果;表12至表15為2000年—2002年單線及復(fù)線螺孔傷損發(fā)生位置、方向的統(tǒng)計(jì)平均值。

        表1 1995年孔裂發(fā)生位置、孔裂方向及所占百分比(統(tǒng)計(jì)螺栓孔數(shù)量為258個(gè))

        表2 1996年孔裂發(fā)生位置、孔裂方向及所占百分比(統(tǒng)計(jì)螺栓孔數(shù)量為172個(gè))

        表3 2000年孔裂發(fā)生位置及所占百分比 %

        表4 2000年各孔開裂方向所占百分比 %

        表5 2000年孔裂發(fā)生方向及所占百分比 %

        表6 2001年孔裂發(fā)生位置及所占百分比 %

        表7 2001年各孔開裂方向所占百分比%

        表8 2001年孔裂發(fā)生方向及所占百分比 %

        表9 2002年孔裂發(fā)生位置及所占百分比 %

        表10 2002年各孔開裂方向所占百分比%

        表11 2002年孔裂發(fā)生方向及所占百分比 %

        表12 孔裂發(fā)生位置及所占百分比的平均值(2000年—2002年) %

        表13 各孔開裂方向所占百分比的平均值(2000年—2002年) %

        表14 孔裂發(fā)生方向及所占百分比的平均值(2000年—2002年)%

        表15 第一個(gè)螺孔裂紋開裂方向及所占百分比的平均值(2000年—2002年) %

        從表1~表15可以看出,孔裂發(fā)生位置、方向及其各孔產(chǎn)生裂紋的百分比如下。1孔、2孔和3孔傷損所占百分比分別為83%、14%和3%;平裂、上裂和下裂所占百分比分別為11%、61%和28%;第一個(gè)螺孔裂紋開裂方向及所占百分比為平裂、上裂、下裂和向端頭方向開裂所占百分比分別為8%(復(fù)線)~14%(單線)、56%(復(fù)線)~63%(單線)、36%(復(fù)線)~23%(單線)和61%(復(fù)線)~74%(單線);軌端上裂+向2孔下裂和軌端下裂+向2孔上裂所占百分比分別為52%(復(fù)線)~59%(單線)和 39%(復(fù)線)~26%(單線)。

        2 孔裂傷損原因

        螺栓孔裂紋傷損主要是與鋼軌的冶金質(zhì)量或螺栓孔的加工質(zhì)量有關(guān)[2-3]。螺栓孔裂紋大量出現(xiàn)的原因,除鋼軌本身的制造質(zhì)量外,主要是與線路接頭的受力狀態(tài)及線路接頭養(yǎng)護(hù)質(zhì)量[3](包括接頭夾板)有關(guān)。

        螺栓孔裂紋大部分萌生于與鋼軌縱向軸線成30°~50°夾角的第一螺栓孔內(nèi)壁上,螺栓孔裂紋萌生與孔的內(nèi)壁加工和冶金質(zhì)量、接頭裝配狀態(tài)(螺栓扭力矩是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求等)、線路運(yùn)營(yíng)狀況等多種因素有關(guān),其裂紋可能在孔壁一處或多處發(fā)生;螺栓孔裂紋產(chǎn)生的時(shí)間隨機(jī)性較大,在鋼軌鋪設(shè)后的早期、中期或晚期都可能出現(xiàn)。

        國(guó)外進(jìn)行的螺孔測(cè)試表明,第一螺孔裂紋產(chǎn)生和發(fā)展受P1(高頻瞬時(shí)沖擊荷載)力和P2(低頻準(zhǔn)靜態(tài)荷載)力共同影響[4],P1力為引起1孔向軌端上裂和向2孔方向下裂的力,P2力為引起1孔向軌端下裂和向2孔方向上裂的力,由于P1力是車輪對(duì)接頭沖擊產(chǎn)生的高頻力,發(fā)生在第一螺孔之前,而P2力是在P1力發(fā)生若干毫秒之后,車輪已通過(guò)螺栓孔范圍才發(fā)生的,并且,P1力在數(shù)值上大于P2力,因此,第一螺孔傷損發(fā)生比例高于其它螺孔,由P1力作用發(fā)生的第一螺孔向軌端上裂所占比例較高,這也預(yù)示第一螺孔向軌端開裂的比例較高。一般說(shuō)來(lái),單線鋼軌接頭受力較復(fù)線接頭大,因此,表13和表14中第一螺孔上裂高于下裂;軌端平裂是軌端存在冶金缺陷引起的,這種冶金缺陷在較高的沖擊力下容易誘發(fā)裂紋,故單線第一螺孔平裂比例高于復(fù)線;表15統(tǒng)計(jì)了第一個(gè)螺孔裂紋開裂方向及所占百分比,其中,向軌端上裂+向2孔下裂是由P1力作用下發(fā)生,向軌端下裂 +向2孔上裂是由P2力作用下發(fā)生,前者所占比例是后者的2倍,說(shuō)明孔裂與受沖擊力作用密切相關(guān)。

        螺栓孔裂紋的裂紋源通常位于螺栓孔邊角處,有時(shí)是位于螺栓孔孔壁的中間部位(軌腰中心成分偏析)處。起源于螺栓孔處的疲勞裂紋多數(shù)與鋼軌縱軸成30°~50°,疲勞裂紋的臨界尺寸通常為 10 mm左右,隨后裂紋開始快速擴(kuò)展和其斷口具有脆性擴(kuò)展形貌特征。裂紋可以擴(kuò)展到軌底或軌頭,也可能擴(kuò)展到軌頭下顎后改變方向呈水平裂紋,導(dǎo)致軌頭與軌腰分離。

        螺栓孔裂紋萌生與孔的內(nèi)壁加工和冶金質(zhì)量、接頭裝配狀態(tài)(螺栓扭力矩是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求等)、線路運(yùn)營(yíng)狀況等多種因素有關(guān),其裂紋可能在孔壁一處或多處發(fā)生;螺栓孔裂紋產(chǎn)生的時(shí)間隨機(jī)性較大,在鋼軌鋪設(shè)后的早期、中期或晚期都可能出現(xiàn)。

        鋼軌軌腰在鉆螺栓孔后強(qiáng)度被削弱,螺栓孔周圍產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力,在列車載荷的沖擊力作用下有可能形成疲勞裂紋。如果接頭養(yǎng)護(hù)不良、螺栓孔邊角未倒棱、螺栓孔周邊存在局部冶金缺陷、螺栓孔銹蝕、軌端或螺栓孔周邊的打字標(biāo)記造成的應(yīng)力集中和接頭夾板螺栓扭距不夠或松動(dòng)等,在列車載荷的作用下都會(huì)加速螺栓孔裂紋的形成。當(dāng)軌腰中心線嚴(yán)重成分偏析時(shí),會(huì)導(dǎo)致在孔壁中心線部位形成裂紋源。

        3 孔裂傷損應(yīng)對(duì)措施

        孔裂傷損與鋼軌制造、使用、維修養(yǎng)護(hù)有關(guān),應(yīng)對(duì)鋼軌孔裂傷損主要從鋼軌冶金質(zhì)量、制造質(zhì)量、使用和維修養(yǎng)護(hù)出發(fā)。提高鋼軌生產(chǎn)質(zhì)量,嚴(yán)格控制合金元素含量,避免產(chǎn)生化學(xué)成分偏析,消除或延遲孔裂萌生。加強(qiáng)工廠生產(chǎn)孔軌檢測(cè)。檢測(cè)螺栓孔邊角倒棱情況,符合有關(guān)鋼軌螺孔加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在普通線路上,在接頭處及其附近保證鋼軌平順性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,減少?zèng)_擊。在線路上插入短軌等鉆孔,必須進(jìn)行倒棱并符合要求。加強(qiáng)鋼軌接頭處養(yǎng)護(hù)維修,保證螺栓扭力矩達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在鋼軌生產(chǎn)和插入短軌等鉆孔時(shí),避免在打字標(biāo)記處鉆孔,防止螺栓孔周邊的打字標(biāo)記造成應(yīng)力集中。加強(qiáng)線路孔軌探傷,發(fā)現(xiàn)裂紋立即按規(guī)則處理。

        綜上所述,控制孔裂傷損主要措施應(yīng)控制冶金質(zhì)量、加工質(zhì)量、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)維修,使接頭平順,減少接頭沖擊力。

        [1]田常海,龔佩毅,馬子河.在役鋼軌發(fā)生傷損的規(guī)律及減少傷損對(duì)策[J].中國(guó)鐵路,2005(7):54-56.

        [2]盧觀健,楊克.鋼軌傷損的形態(tài)特征及其失效機(jī)理[J].鐵道學(xué)報(bào),1996,18(3):120-124.

        [3]吳慶記.重型鋼軌軌端裂紋失效機(jī)制探討[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1999,18(1):55-60.

        [4]顏秉善,王其昌.鋼軌力學(xué)與鋼軌傷損[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,1989.

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