孫 坡，張玉明

(鄭州鐵路局南陽工務(wù)段，河南南陽 473000)

1 概述

近年來，隨著行車速度的提高和列車軸重的加大，以前僅在曲線地段出現(xiàn)的鋼軌側(cè)面磨耗現(xiàn)象大量的出現(xiàn)在直線地段，這些側(cè)面磨耗的鋼軌并非是一股鋼軌均勻的磨耗，大多呈現(xiàn)出不均勻的兩股鋼軌交替磨耗的特征，并迅速向鄰近區(qū)段發(fā)展，列車在通過這些地段時，表現(xiàn)的是劇烈的搖晃，并且在這些地段的動態(tài)檢查中時常出現(xiàn)水平加速度指標(biāo)過大的情況。但對現(xiàn)場線路設(shè)備進行靜態(tài)檢查時，并未發(fā)現(xiàn)有超過經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準的設(shè)備病害，為找到此類問題的根源，查找了相關(guān)的一些論述，有從車輛結(jié)構(gòu)方面分析論述的，也有從軌道結(jié)構(gòu)方面論述的，都有各自的依據(jù)，并得到了相關(guān)結(jié)論。

作為工務(wù)部門，車輛結(jié)構(gòu)目前尚無法解決，但在軌道結(jié)構(gòu)方面，大都把出現(xiàn)不均勻側(cè)面磨耗的原因歸于軌道幾何狀態(tài)不良，把解決的方案歸為嚴格控制軌道幾何尺寸。為解決此類問題，對一些比較有代表性的地段進行了高標(biāo)準的整修，在出現(xiàn)不均勻側(cè)面磨耗地段，對軌道的方向采用拉長弦繩逐根枕定方向的辦法，通過撥道、改道及鋼軌打磨的手段，保證其方向偏差不大于1 mm，軌距保證偏差不大于1 mm，水平控制在2 mm以內(nèi)，三角坑控制在3 mm以內(nèi)，但效果仍不理想，而在采用對側(cè)面不均勻磨耗地段鋼軌進行換邊使用后，此類問題得以解決，通過添乘感受，也不再發(fā)生劇烈搖晃現(xiàn)象，行車狀態(tài)也歸于正常?？稍阡撥墦Q邊使用后，短的一兩個月，長的不過半年，在這些地段此類問題更是變本加厲地出現(xiàn)，且發(fā)展更為迅速。為找到此類問題產(chǎn)生的根本原因，近2年對這些地段進行了認真的調(diào)查分析，以期找到切實可行的解決辦法。

2 對影響輪軌穩(wěn)定性相關(guān)設(shè)備的分析

(1)車輪狀態(tài)對產(chǎn)生鋼軌不均勻磨耗條件的分析

輪箍的外形，是一個帶凸緣的圓環(huán)，它是與鋼軌直接接觸的部分，由輪緣和踏面兩部分組成。輪緣起著導(dǎo)向和防止脫軌的重要作用。我國輪緣按鐵標(biāo)TB499—76B型加工輪緣和踏面，其高度為28 mm，輪緣厚度(從距輪緣頂部18 mm處測量)33 mm，輪緣內(nèi)側(cè)有R=16 mm的倒角，以便引導(dǎo)車輪順利通過護輪軌，踏面有1∶20和1∶10兩段斜面。

踏面制成1∶20和1∶10斜度而成圓錐形的理由如下:

機車在曲線上運行時，外輪沿外軌走行的距離大于內(nèi)輪沿內(nèi)軌走行的距離，可顯著的減少滑行，減少輪軌磨耗。

踏面具有錐度后，輪對在直線上運動時，會因兩輪以不同直徑的圓周滾動，產(chǎn)生輪對自動滑向軌道中心的傾向，形成輪對的蛇行運動。這種運動對于防止輪緣單靠，降低輪緣與軌肩的磨耗，使整個踏面均勻磨耗。但踏面具有斜度，會引起轉(zhuǎn)向架的蛇行運動(圖1)，隨著機車運行速度的提高，這種蛇行運動會引起機車橫向振動的加劇，使機車運行品質(zhì)惡化，影響機車的橫向穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。

從以上輪緣的設(shè)計思路和對行車的影響看，目前機車車輛及行車條件下，轉(zhuǎn)向架的蛇行運動是不可避免的，在高速行車條件下，對機車的橫向穩(wěn)定性和平穩(wěn)性的影響也不可避免。但就其設(shè)計思路來看，蛇行運動可以防止輪緣單靠，可以降低輪緣與軌肩的磨耗，也就是說，每一列車或一列車的每一個車輛，它的蛇行運動和車輪對軌肩的靠貼都應(yīng)當(dāng)是隨機產(chǎn)生的，如果沒有其他外力的作用，對于鋼軌來說，它作用邊上的每一個質(zhì)點受到列車車輪撞擊的機會應(yīng)當(dāng)是均等的。所以高速行車也好，踏面的錐度也好，都不能成為對鋼軌某一個特定質(zhì)點特別磨耗的理由，也就是說它不應(yīng)當(dāng)造成鋼軌的不均勻磨耗。

圖1 輪踏面錐度引起輪對蛇形運動及鋼軌側(cè)面磨耗示意

(2)現(xiàn)場鋼軌不均勻磨耗情況的分析

在對管內(nèi)出現(xiàn)的不均勻側(cè)磨地段鋼軌進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，不均勻磨耗是按一定規(guī)律出現(xiàn)的，這個規(guī)律還相當(dāng)穩(wěn)定。

根據(jù)對鋼軌作用邊磨耗情況調(diào)查，剛出現(xiàn)磨耗時，在一股鋼軌側(cè)面出現(xiàn)長度一般在3～6根枕(焦柳線正線軌枕按1 760根/km配置，每根枕大約間距為568 mm)的磨耗，與下一個側(cè)磨起點間距在8～12根間，在對股鋼軌側(cè)面又產(chǎn)生3～6根枕間距的磨耗，如此往復(fù)約4～5個磨耗點后消失，磨耗情況如圖2中初步形成階段所示。在添乘時可感受到有節(jié)律的振動，經(jīng)現(xiàn)場實地調(diào)查，這些地點出現(xiàn)的不均勻側(cè)面磨耗在現(xiàn)場靜態(tài)檢查時只能逆光站在其前方20 m左右，可以看到軌面車輪所軋出的光帶出現(xiàn)不均勻的反光，在對這些不均勻反光地段進行平面幾何狀態(tài)檢查時，軌距、水平、方向等幾何參數(shù)均未顯出有超出規(guī)定的尺寸超限，往往在對這些添乘病害通知后，作業(yè)人員到現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)不了問題，面對病害卻無從下手。

當(dāng)以上病害存在一段時間得不到有效遏制后，便會發(fā)展成如圖2中的發(fā)展階段，其特征是鋼軌側(cè)面出現(xiàn)了較為明顯的磨耗，磨耗長度在17～22根枕之間，左右股鋼軌所發(fā)生的磨耗首尾相接，交替出現(xiàn)，動態(tài)添乘時可感受到明顯的搖晃，但在對現(xiàn)場幾何狀態(tài)檢查時，只是眼看著一側(cè)鋼軌出現(xiàn)磨耗，另一側(cè)鋼軌內(nèi)側(cè)作用邊會出現(xiàn)輕微的銹跡，軌距、水平及線路方向同樣沒有明顯的超限處所，檢查后也難以采取有效的辦法進行遏制。

當(dāng)鋼軌的不均勻側(cè)面磨耗達到發(fā)展階段后，可造成比較明顯的機車車輛搖晃，設(shè)備質(zhì)量添乘檢查人員會對這些地段的線路病害不間斷地提出，因設(shè)備維修人員無法及時采取有效的辦法進行整改以消除晃車，有的便發(fā)展成了圖2中的惡化階段，這個階段的現(xiàn)場狀態(tài)是鋼軌明顯磨損，磨損長度迅速增長，交替出現(xiàn)的磨耗點首尾已部分重疊，軌距開始出現(xiàn)變大的趨勢，機車通過此類地段時發(fā)生劇烈的搖擺，添乘時發(fā)現(xiàn)嚴重的可導(dǎo)致DF4型機車上電水壺中的水都大量濺出。在上級部門的嚴厲督導(dǎo)下，維修部門便采取改正軌距、撥正方向及起平線路的辦法進行整治，可整治結(jié)果并不理想，晃車現(xiàn)象并未得到明顯的改善。近來為了有效遏制晃車病害的發(fā)生，扭轉(zhuǎn)行車狀態(tài)迅速惡化的勢頭，對這些地段大量采用了鋼軌左右股相互調(diào)邊的辦法，起到了一定的效果，但在調(diào)邊后1～6個月，這些問題又重新出現(xiàn)，且比未調(diào)邊時發(fā)展更為迅速。

圖2 鋼軌不均勻磨耗情況

(3)現(xiàn)場檢查手段及病害消滅辦法的分析

《鐵路線路維修規(guī)則》中的第3.7.8條，軌距指鋼軌踏面下16 mm范圍內(nèi)兩股鋼軌工作邊之間的最小距離。實際的輪軌關(guān)系如圖3所示，從圖示輪軌關(guān)系看，制約車輪走向，也就是對車輪起導(dǎo)向作用的并不是兩鋼軌間的最小距離，輪軌作用點或者說受力沖擊點因車輪輪緣并非是一個標(biāo)準的矩形，而是一個斜面，不能確定其軌距最小處決定了車輪的走向。而目前普遍使用的60 kg/m鋼軌的軌頭的肩部也是一個半徑13 mm的圓弧和一直線相接，直線的斜率是1∶20，切點在軌面下12.19 mm處，而不是我們理解的16 mm處，而在線路檢查時所使用的軌距尺尺頭的長度卻是16 mm，如圖4所示，在這個測量點上，并不是輪軌的作用點，也就是說指導(dǎo)我們檢查軌道軌距的檢查工具所提供的數(shù)據(jù)，并不能真正反應(yīng)實際的輪軌作用點，也就是說在跟軌面以下16 mm處以上所出現(xiàn)的鋼軌磨耗并不能被軌距尺檢查出來，可實際上這段鋼軌之所以出現(xiàn)了磨耗，正是輪軌作用的結(jié)果，也就是說，正是這段檢查不出的部分在對車輪起導(dǎo)向作用，從圖4中可以看出，鋼軌內(nèi)側(cè)的磨耗已經(jīng)相當(dāng)嚴重了，可檢查的軌距并未超限，就是這個原因。而車輪在經(jīng)過這些存在不均勻側(cè)磨的鋼軌時，軌距正常的線路并不能為車輪的行駛提供一條方向直順的導(dǎo)向線路，造成列車的搖晃。

圖3 輪軌關(guān)系示意(單位:mm)

圖4 軌距測量示意

(4)環(huán)境分析

在對不均勻側(cè)磨比較集中的地段進行分析后發(fā)現(xiàn)，直線地段不均勻側(cè)磨是自2008年開始出現(xiàn)的，而當(dāng)年該條線路的列車牽引噸數(shù)也由2 700 t增加到4 500 t，軸重也由20 t增加到了23 t，行車速度也由100 km/h提高到允許速度120 km/h。這些側(cè)磨大都發(fā)生在較長下坡地段的重車方向，而距離較短的大下坡地段倒沒有明顯的不均勻側(cè)磨發(fā)生，客車行車速度一般在100～105 km/h，貨車速度一般在85 km/h，年通過總重在1億t左右。

3 對鋼軌產(chǎn)生不均勻磨耗原因的分析

不論輪軌關(guān)系還是養(yǎng)護維修手段、牽引總重、行車速度、機車車輛結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及軸重，都可能會導(dǎo)致車輪的蛇形運動，但這種蛇形運動對于鋼軌來說，應(yīng)當(dāng)是隨機產(chǎn)生的，也就是說鋼軌作用邊上的每一個質(zhì)點受到車輪撞擊的機會是均等的，出現(xiàn)磨耗也應(yīng)當(dāng)是均勻的，從理論上說都不應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生鋼軌的不均勻磨耗，之所以鋼軌會出現(xiàn)不均勻的側(cè)面磨耗，一定是有一個特定的因素在特定的地點對列車的運行發(fā)生了特定的影響所造成的，并且列車搖晃的周期、波長及相位應(yīng)當(dāng)是相對固定的。

從列車的狀態(tài)看，這些不均勻磨耗多發(fā)生在重車方向，每列車的軸重也相差不大，這造成了列車發(fā)生蛇形運動的周期是相近的;從發(fā)生的環(huán)境看，因在較長的下坡地段，通過對這些地段行車速度的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，客貨車的行車速度是相對固定的，這將會造成這些周期相近的列車蛇形運動的波長是相近的;但只有周期相同或相近及波長相同，并不能成為對某個特定點發(fā)生固定沖擊而形成不均勻側(cè)磨的充分條件，只能算是必要條件，如果要讓車輪對一個固定點發(fā)生固定的沖擊，還需要一個契機使大部分列車在經(jīng)過該段線路時搖晃趨于一致，也就是在列車通過該點時的相位是相近或趨于相同方可。

根據(jù)以上分析，在對部分不均勻磨耗地段前方100 m線路進行檢查后發(fā)現(xiàn)，之所以會發(fā)生不均勻側(cè)磨，與它前方線路方向有關(guān)。大部分出現(xiàn)不均勻側(cè)磨地段的前方線路都存在5～7 mm的方向不直順，長度在10 m左右，且是連續(xù)的交替不直順，這些不超過線路保養(yǎng)允許偏差值的方向不直順往往會被設(shè)備管理人員忽視，但它卻起著固定列車搖晃特征的重要作用。當(dāng)不同的列車以固定的搖晃周期、不同的相位經(jīng)過這些交互出現(xiàn)的不直順時，相位被強制趨同，便會以固定的頻率、周期對其以后的一些固定點發(fā)生沖擊，當(dāng)這些沖擊形成的初期，在線路上的反映便是“光帶不良”，此時的軌距、水平、方向等靜態(tài)幾何尺寸在檢查時并無不良，而事實上此時車輪對鋼軌的固定沖擊已經(jīng)造成，鋼軌對車輪的導(dǎo)向已經(jīng)不是由軌距線(兩股鋼軌間的最小距離)決定，而是如圖4中所顯示的由軌面下一定距離的鋼軌肩部所決定，實際的導(dǎo)向方向已經(jīng)呈蛇形交互存在，而在按目前辦法測量軌距時并無法反映這些現(xiàn)象。當(dāng)這些沖擊造成了鋼軌的磨耗后，便會產(chǎn)生更為劇烈的間諧振動，導(dǎo)致列車發(fā)生相對劇烈的搖晃，同時也加劇了線路狀態(tài)的惡化，若長期得不到改善，便會導(dǎo)致鋼軌產(chǎn)生明顯的不均勻磨耗。

4 防止和整治不均勻磨耗的辦法

整治鋼軌不均勻磨耗，從分析的情況看，最為有效的辦法便是消除造成不均勻磨耗的根源，就是對產(chǎn)生不均勻磨耗地段前方線路進行維修，整平撥直，消除方向不直順。防止其發(fā)生最好的辦法也是消除線路上的方向偏差，保證直順。但目前大部分鐵路都是有砟軌道，基礎(chǔ)的不穩(wěn)定性制約了線路維修的精度，同時因目前大部分線路都是區(qū)間或跨區(qū)間無縫線路，因年溫差所造成的應(yīng)力變化會導(dǎo)致軌道方向的變化，這也是不可避免的，所以保證其足夠的直順目前來說尚不太現(xiàn)實。

當(dāng)不能保證軌道足夠直順時，可以采取另一個措施，就是時常破壞其搖晃周期，使其振動中的相位不能在一個地點長期固定。具體作法是在發(fā)現(xiàn)鋼軌有不均勻側(cè)磨跡象時，便可判斷此段線路可能已經(jīng)導(dǎo)致列車通過此段線路時搖晃狀態(tài)有被固定下來的趨勢，可對該段線路以及前方100 m左右線路進行整修，整修的目的并非是要使這段線路的幾何狀態(tài)優(yōu)于目前的狀態(tài)，而是為了改變目前的線路狀態(tài)，原來彎曲的地方可能會被取直，原來直順的地方可能會出現(xiàn)有限的彎曲，從而實現(xiàn)破壞既有狀態(tài)下列車經(jīng)過此處的將要被固定下來的搖晃周期，使其對鋼軌的沖擊呈隨機性，而非被固定下來，從而實現(xiàn)對直線鋼軌不均勻磨耗的預(yù)防與整治。根據(jù)這個整治思路，對管內(nèi)側(cè)面磨耗比較嚴重的10段線路進行了整治，整治后的線路行車狀態(tài)有了明顯的改善，原來的“光帶不良”現(xiàn)象也消失了，在鋼面上未能被車輪碾壓的出現(xiàn)銹跡的部分也重新被壓出了正常的光亮狀態(tài)。而且這些地方經(jīng)整治后也僅有一段在半年后又出現(xiàn)了不均勻側(cè)面磨耗跡象，其他地段仍舊正常，這種整治結(jié)果達到了預(yù)期的目的，同時也驗證了整治思路是可行的。

5 結(jié)語

目前的線路維修人員在進行線路養(yǎng)護時，往往注重對出現(xiàn)問題的部分進行整治，而對其形成的原因卻缺少全面細致的分析，這樣的養(yǎng)護思路多不能準確找到問題發(fā)生的根源，養(yǎng)護的效果便難以達到預(yù)期的目的。就以上所分析的直線地段鋼軌不均勻側(cè)面磨耗現(xiàn)象來說，發(fā)生側(cè)面磨耗地段并非因該地段出現(xiàn)了問題所造成，其出現(xiàn)的原因在于其他地段出現(xiàn)了問題，而其本身只是問題的反應(yīng)和結(jié)果，而非問題的本身，如果只對問題的結(jié)果進行處理，而不去找到真正的原因，如此處理病害的結(jié)果便只能是勞而無功。

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