張海寧 上海鐵路局阜陽工務(wù)段

1 從輪軌關(guān)系研究道岔區(qū)鋼軌磨損的目的

列車的運(yùn)行、牽引和制動都需要通過輪軌的作用才能得以實(shí)現(xiàn)，輪軌作用過程中產(chǎn)生的問題，如輪軌接觸表面剝離現(xiàn)象、垂磨和側(cè)磨、脫軌等問題較為突出，這些問題在阜陽北編組場又較為明顯，尤其在駝峰及編尾道岔區(qū)鋼軌磨耗問題十分嚴(yán)重。這些問題的產(chǎn)生和許多因素有關(guān)，如荷載、運(yùn)行速度、輪軌運(yùn)動行為、輪軌接觸表面狀態(tài)（表面粗糙度、污染度、溫度）、輪軌型面、機(jī)車車輛和軌道結(jié)構(gòu)特性等，這些因素影響比重很難從量上搞清楚，本文主要試圖在工務(wù)維修的角度上從輪軌關(guān)系分析大站場道岔區(qū)鋼軌磨損的病害原因及防治辦法。

2 道岔區(qū)輪軌運(yùn)動產(chǎn)生鋼軌磨損的原因分析

2.1 輪軌之間的摩擦力

當(dāng)列車通過道岔時，由于鋼軌的約束作用和輪對的自導(dǎo)向能力，使列車運(yùn)動方向發(fā)生改變，則列車巨大動量的大小和方向都要發(fā)生改變，所有這些都要通過外輪軌之間的相互作用和導(dǎo)曲線外軌超高來實(shí)現(xiàn)。所以，列車通過道岔時，外軌很可能會同車輪輪緣發(fā)生接觸，則機(jī)車輪對外側(cè)車輪和鋼軌之間的牽引力或粘著力大大降低，輪軌之間的震動加劇，導(dǎo)致曲尖軌、導(dǎo)曲軌、岔后渡線鋼軌接觸表面波浪形磨損和側(cè)磨現(xiàn)象十分嚴(yán)重，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是：輪對是由兩個車輪和剛性較大的軸裝配組成的一個整體，輪對沿鋼軌滾動時，由于軌道不平順等因素的影響，輪對中心總是存在橫移量，使左右輪沿鋼軌滾動的半徑不同，而車輪是整體，具有同一個角速度，要使兩側(cè)車輪沿鋼軌作純滾動，則輪對就不可能作直線運(yùn)動，而輪距和輪緣距是確定的有限尺寸，則鋼軌限制了輪對的自由運(yùn)動，導(dǎo)致左右輪軌之間產(chǎn)生沿縱向的摩擦力，當(dāng)因各種因素使這種摩擦力加大時，輪緣和鋼軌之間發(fā)生撞擊和摩擦傷損，更嚴(yán)重時，就會導(dǎo)致車輪爬軌，釀成脫軌事故。

2.2 道岔區(qū)軌距過小

（1）道岔直股軌距過?。簷C(jī)車車輛沿軌道運(yùn)行時，為了避免車輪輪緣與鋼軌側(cè)面經(jīng)常接觸而導(dǎo)致鋼軌軌頭內(nèi)側(cè)磨損，以及便于機(jī)車車輛通過道岔而不導(dǎo)致輪軌之間撞擊破壞，左右車輪的輪緣外側(cè)距離應(yīng)小于軌距，即輪緣外側(cè)和鋼軌內(nèi)側(cè)應(yīng)留有一定的間隙。因此輪對沿軌道滾動過程中可以相對軌道作橫向運(yùn)動和搖頭運(yùn)動。輪對在不同的橫向位移和搖頭角位移的狀態(tài)下，左右車輪和鋼軌之間接觸點(diǎn)的位置不同，于是輪軌之間的接觸幾何參數(shù)也相應(yīng)發(fā)生變化（如圖 1）。

圖1 輪軌運(yùn)動過程示意圖

左右輪瞬間滾動圓半徑R1和R2，當(dāng)輪對中心偏離軌道中央位置時，即輪對有橫移時，左右輪實(shí)際滾動半徑R1≠R2，且隨輪對中心橫移和搖頭角的改變而改變。當(dāng)將輪對視為剛體時，輪對繞其軸線轉(zhuǎn)動，各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動角速度相同，但左右輪接觸點(diǎn)處滾動圓半徑不同，接觸點(diǎn)處相對軸線轉(zhuǎn)動的線速度是不同的，所以同一個輪對的左右輪在相同的時間內(nèi)行走過的距離不同。由于左右車輪和車軸聯(lián)結(jié)固定，則鋼軌對輪對的運(yùn)動起著一定的約束，那么輪對左右輪軌接觸斑處將會產(chǎn)生微小的且方向相反的縱向滑動，所以當(dāng)軌距過小時，這種鋼軌約束作用加強(qiáng)，超過輪對本身能調(diào)節(jié)能力時，這種縱向滑動的趨勢會加大，加劇對鋼軌的磨損。

（2）道岔曲股軌距加寬不夠：機(jī)車車輛進(jìn)入道岔曲股軌道時，因慣性作用，仍然力圖保持其原來行駛方向，僅當(dāng)前軸外輪碰到外軌，并受到外軌引導(dǎo)，才沿著曲線軌道行駛。這時車輛的轉(zhuǎn)向架與曲線在平面上保持一定的位置和角度。可能出現(xiàn)三種不同情況：第一種情況是當(dāng)軌距足夠?qū)挄r，只有前軸外輪的輪緣受到外軌的擠壓力（稱導(dǎo)向力），后軸則居于曲線半徑方向，兩側(cè)輪緣與鋼軌間都有一定的間隙，行車阻力最??；第二種情況是當(dāng)軌距不夠?qū)挄r,后軸（或其他一軸）的內(nèi)輪輪緣也將受到內(nèi)軌的擠壓（圖2），產(chǎn)生了第二導(dǎo)向力，行車阻力較前者增加；當(dāng)軌距更小時,可能出現(xiàn)第三種情況,此時不但中間某軸內(nèi)輪受內(nèi)軌擠壓，而且后軸外輪也受到外軌擠壓，車輪被楔住在兩軌之間,不僅行車阻力大,甚至可能把軌道擠開，因此部分道岔曲股上軌距必須加寬，若實(shí)際養(yǎng)護(hù)過程中加寬值不夠時就會加劇鋼軌的磨損嚴(yán)重時發(fā)生脫軌。

圖2 道岔曲股軌距受擠壓需加寬

2.3 道岔導(dǎo)曲線欠超過或者反超高

列車在道岔曲股上行駛對軌道產(chǎn)生離心力，使外軌承受較大的壓力，發(fā)生嚴(yán)重的側(cè)面磨耗，嚴(yán)重時甚至造成列車傾覆事故。為此，須將外軌抬高一定程度，借助于因車體內(nèi)傾所產(chǎn)生的重力內(nèi)向分力來平衡這種離心力（圖3）。外軌抬高的數(shù)量，稱外軌超高度。由列車通過時離心力的大小確定。離心力與車速平方成正比，與導(dǎo)曲線半徑大小成反比，因此半徑越小，車速越大，離心力越大，需設(shè)的超高就越大。在車速和導(dǎo)曲線半徑都為已知的情況下，借助于上述各力的平衡關(guān)系，按使兩軌垂直磨耗均等的條件，可得外軌超高的計(jì)算公式為：

式中超高h(yuǎn)以mm計(jì)；速度v以km/h計(jì)；半徑R以m計(jì)。

圖3 外軌超高

在實(shí)際養(yǎng)護(hù)過程中，若道岔曲股欠超高則外股鋼軌磨耗嚴(yán)重，曲股反超高則內(nèi)股鋼軌磨耗嚴(yán)重。

2.4 水平不順

道岔直股地段兩軌應(yīng)保持同一高度，使兩軌負(fù)荷均勻，允許有一定誤差。《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定，是按線路種類的不同，分別為不大于4～6 mm。軌道不允許有三角坑存在,即在一段不太長的距離內(nèi),不允許左右兩軌高差交替變化，以致引起車輛劇烈搖幌。對于不同線路種類,《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定，在18 m距離內(nèi),不許有超過4～6 mm的三角坑存在。三角坑的存在會使列車運(yùn)行過程中加大對直股一側(cè)鋼軌的磨損，過大的三角坑甚至?xí)箓€別車輪懸空，加大輪緣爬上軌面的可能，而發(fā)生脫軌事故。現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)方面因岔心更換等原因往往在道岔轉(zhuǎn)轍部位到岔心部位存在三角坑，直基本軌垂磨、肥邊現(xiàn)象較為突出。

2.5 軌底坡變化

車輪輪箍和鋼軌接觸的面為1/20的圓錐面。為了使車輪壓力的合力線更接近于鋼軌中軸線，以減小偏磨,鋼軌不是豎直鋪設(shè),而是略向軌道中心傾斜。這種傾斜度稱軌底坡。鐵路目前采用1/40的軌底坡（直線地段），其原因是車輪踏面(輪箍和鋼軌接觸的面)經(jīng)過一段時間的磨耗后,斜度已接近于1/40。阜北編組場編尾P50 1/9木岔枕復(fù)交道岔導(dǎo)曲軌軌底坡是靠軌下墊板斜調(diào)高層來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過長時間機(jī)車運(yùn)行碾壓后斜調(diào)高層磨平，軌底坡變小或不存在。這種情況下鋼軌的磨耗就會加大，側(cè)磨發(fā)展迅速。

2.6 其它原因

從阜陽北編組場現(xiàn)場養(yǎng)修層面來看，道岔軌件的磨損還有其它多方面原因，列如：道岔沖擊角大小、道岔區(qū)焊縫多少、鋼軌材質(zhì)、軌道彈性、列車直逆向進(jìn)入道岔、列車速度、重載運(yùn)輸、溫度、濕度等原因。

3 道岔區(qū)鋼軌磨損的預(yù)防和整治措施

3.1 整治道岔幾何尺寸超限

對道岔軌距、水平、超高等進(jìn)行全面檢查調(diào)查，綜合作業(yè)消除道岔區(qū)幾何尺寸超限問題，尤其在道岔區(qū)要加強(qiáng)對軌距的控制，杜絕小號碼道岔直股軌距小和曲股軌距加寬不夠的問題。

3.2 整治道岔結(jié)構(gòu)病害

（1）對道岔區(qū)道床進(jìn)行清篩及時處理翻漿冒泥、更換失效木岔枕、更換失效膠墊增強(qiáng)軌道的豎向彈性。需注意的是木岔枕道岔的豎項(xiàng)彈性強(qiáng)于混凝土岔枕道岔，養(yǎng)修中不可盲目的對木岔枕道岔區(qū)增加膠墊使木岔枕橫向彈性變化加劇鋼軌的磨損。

（2）在日常養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)中，加強(qiáng)軌枕間距及橫向位移的檢查，按照鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對軌枕進(jìn)行方正，調(diào)整軌距塊；及時更換和補(bǔ)充失效、銹蝕和缺少的軌距擋板；加強(qiáng)車工電聯(lián)合檢查，全面整治大小框架問題；加強(qiáng)扣件養(yǎng)護(hù)工作，及時復(fù)緊連接零件和更換立螺栓，減少曠動間隙；加裝絕緣軌距桿。從而加強(qiáng)道岔區(qū)的平順性，減小幾何層面的輪軌摩擦力。

3.3 鋼軌潤滑

鋼軌潤滑是一種成本投入少、見效快的有效方法，能迅速減小鋼軌的側(cè)磨，延長鋼軌使用壽命，現(xiàn)場可在道岔導(dǎo)曲側(cè)磨嚴(yán)重地段進(jìn)行鋼軌涂油。需注意的是潤滑劑的成分、性能對鋼軌的保護(hù)作用起到至關(guān)重要的作用，想要取得鋼軌潤滑的做好效果，本質(zhì)在于涂油的材質(zhì)而不在于涂油的數(shù)量。

3.4 加強(qiáng)打磨工作

（1）軌面預(yù)防性打磨。

道岔區(qū)軌件、鋼軌更換時，新軌在上道使用時一般有小于0.125 mm的銹皮和軌面不平順，這些原始的不平順是今后出現(xiàn)各種軌頭病害的根源，通過對新上道的軌件、鋼軌進(jìn)行打磨可使軌面達(dá)到平順、均勻硬化。另外新更換的部分軌件的焊縫通常會留下0.25 mm的公差，是道岔區(qū)鋼軌的沖擊點(diǎn)，打磨后可消除或減小軌頭焊縫的沖擊作用。

（2）軌面修復(fù)性打磨。

道岔區(qū)軌件、鋼軌出現(xiàn)表面?zhèn)麚p后一般需及時進(jìn)行整治，目前采用的對軌面?zhèn)麚p整治的技術(shù)是采用軌面修復(fù)打磨。軌面修復(fù)打磨是對鋼軌軌面進(jìn)行現(xiàn)場打磨維修的良好方法，它使修復(fù)后的軌面縱向平順、橫向圓滑，能消除軌面?zhèn)麚p，有效地抑制軌面?zhèn)麚p，是一種十分經(jīng)濟(jì)、合理的維修作業(yè)手段。在阜陽北編組場內(nèi)主要用人工打磨方法進(jìn)行打磨。（備注：隨著技術(shù)的改進(jìn)目前在京九正線采用打磨列車自動打磨，打磨的作業(yè)范圍和效率提高很大，能有效的解決高焊縫、魚鱗傷、道岔毛刺等病害。）

4 取得的效果及一些思考

（1）通過輪軌關(guān)系的研究探索，因地制宜的采取針對性的道岔維修作業(yè)，尤其通過對道岔區(qū)加強(qiáng)涂油和打磨工作后，軌件、鋼軌的使用壽命明顯延長了3-5倍，減少了工務(wù)部門的道岔維修費(fèi)用，保證了運(yùn)輸?shù)陌踩?，提高了設(shè)備質(zhì)量。

（2）在阜陽北編組場大站場道岔區(qū)，線性復(fù)雜、荷載較大、道岔沖擊角較大、軌距遞減率較大等因素致使輪對在沿著鋼軌滾動接觸過程中更容易使輪軌發(fā)生磨損，嚴(yán)重時發(fā)生脫軌影響運(yùn)輸安全。從工務(wù)的層面上研究輪軌關(guān)系十分必要，尤其是在涂油工作、打磨工作、鋼軌材質(zhì)與輪對材質(zhì)匹配的問題上需進(jìn)一步加深研究。