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        鋼軌螺孔裂紋傷損特點及防治措施

        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%,約占無縫線路鋼軌傷損的14.2%。無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),延長鋼軌大修周期,必須減少鋼軌傷損或延長鋼軌傷損發(fā)生時間。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)生特點和規(guī)律,并提出預(yù)防孔裂傷損措施。

        1 孔裂傷損的特點和規(guī)律

        線路上孔裂可能發(fā)生在任何一個螺孔,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,進行了孔裂傷損統(tǒng)計,表1至表14中1、2和3分別代表1孔、2孔和3孔。為了對比孔裂傷損的變化,文中統(tǒng)計了 1995、1996、2000、2001 和 2002 年孔裂傷損。

        表1和表2分別為1995年、1996年上海局無縫及普通線路孔裂發(fā)生位置和方向的統(tǒng)計結(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)計螺栓孔數(shù)量為258個)

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

        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)(螺栓扭力矩是否達到標準要求等)、線路運營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)生的時間隨機性較大,在鋼軌鋪設(shè)后的早期、中期或晚期都可能出現(xiàn)。

        國外進行的螺孔測試表明,第一螺孔裂紋產(chǎn)生和發(fā)展受P1(高頻瞬時沖擊荷載)力和P2(低頻準靜態(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。一般說來,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)計了第一個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展和其斷口具有脆性擴展形貌特征。裂紋可以擴展到軌底或軌頭,也可能擴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)(螺栓扭力矩是否達到標準要求等)、線路運營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)生的時間隨機性較大,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記造成的應(yīng)力集中和接頭夾板螺栓扭距不夠或松動等,在列車載荷的作用下都會加速螺栓孔裂紋的形成。當軌腰中心線嚴重成分偏析時,會導(dǎo)致在孔壁中心線部位形成裂紋源。

        3 孔裂傷損應(yīng)對措施

        孔裂傷損與鋼軌制造、使用、維修養(yǎng)護有關(guān),應(yīng)對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)護出發(fā)。提高鋼軌生產(chǎn)質(zhì)量,嚴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。加強工廠生產(chǎn)孔軌檢測。檢測螺栓孔邊角倒棱情況,符合有關(guān)鋼軌螺孔加工技術(shù)標準。在普通線路上,在接頭處及其附近保證鋼軌平順性達到標準要求,減少沖擊。在線路上插入短軌等鉆孔,必須進行倒棱并符合要求。加強鋼軌接頭處養(yǎng)護維修,保證螺栓扭力矩達到標準要求。在鋼軌生產(chǎn)和插入短軌等鉆孔時,避免在打字標記處鉆孔,防止螺栓孔周邊的打字標記造成應(yīng)力集中。加強線路孔軌探傷,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、加強養(yǎng)護維修,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)律及減少傷損對策[J].中國鐵路,2005(7):54-56.

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

        [3]吳慶記.重型鋼軌軌端裂紋失效機制探討[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報,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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