■ Len Reid

鋼軌端部螺栓孔斷裂是導致列車脫軌的一個最主要安全隱患，也是鋼軌沒到期就更換鋼軌和被迫限速的一個原因，同樣是鋼軌檢查和維護成本的一個重要因素。對螺栓孔施加預應力，在這些孔周圍引入殘余壓力可以解決這個問題。由美國疲勞技術(shù)股份有限公司（FTI）研發(fā)的螺栓孔處理過程-開縫襯套冷擠壓工藝，已經(jīng)廣泛應用于航空領(lǐng)域，從本質(zhì)上解決了螺栓孔的疲勞斷裂問題。美國運輸部和英國鐵路研究院通過大量的測試和現(xiàn)場評估肯定了這一技術(shù)對減少或防止疲勞斷裂的有效性。由于延長了軌道的檢查周期和軌道可承受更高的軸負載，這項研究結(jié)果對鐵路運營商來說，意味著更安全的操作和長期的成本優(yōu)勢。在日常鋼軌的維護或新鋼軌、接縫或道岔的加工過程中對螺栓孔施加預應力的開縫襯套冷擠壓是一項既經(jīng)濟又可靠的技術(shù)。這項技術(shù)還可以應用于其他鐵路結(jié)構(gòu)和構(gòu)件如車輪和橋梁。

1 鋼軌端部螺栓孔斷裂問題

螺栓孔斷裂問題被公認為一個世界性的問題。20世紀80年代早期，英國每年就有3 000多起不同類型的鋼軌斷裂和破裂的報告，事故報告多集中在中速和重載的路段。在這些事故中，有25%是由于鋼軌端部螺栓孔斷裂引起的，每年大約750起。當裂紋還沒有完全萌生到整個鋼軌之前，已經(jīng)探測到60%～70%的鋼軌端部裂痕。從這個數(shù)據(jù)可以看出200多個鋼軌端部螺栓在檢查和維護之前已經(jīng)完全壞掉了。

1974年，美國國家運輸安全委員會指出鋼軌斷裂是鐵路事故的最大原因[1]。1982—1988年，鋼軌相關(guān)的事故占整個事故報告的30%～40%[2]。美國聯(lián)邦鐵路管理局1988年的數(shù)據(jù)[3]顯示由于螺栓孔失效而引起的脫軌事故占整個鋼軌和鋼軌聯(lián)結(jié)板缺陷總成本的10%。

近期，作為重軸荷載鐵路項目的一部分，美國鐵路[4]做了大量的試驗，調(diào)查在現(xiàn)有軌道上提高軸負載和速度的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸荷載僅提升了20%就會在道岔轍叉和轉(zhuǎn)轍器的螺栓孔上發(fā)生嚴重的斷裂。

一個國家或地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展依靠鐵路網(wǎng)運輸原材料，貨物和乘客。但受脫軌或不定期的維修/更換鋼軌的嚴重影響，會導致鐵路封閉。如果脫軌事故涉及危險化學物質(zhì)或易燃物質(zhì)的時候，那將導致災難性的后果。多數(shù)國家的事故中若出現(xiàn)旅客傷亡都是不可接受的，因此必須降低導致事故發(fā)生的潛在因素。

2 鋼軌接頭失效原理

鋼軌端部螺栓孔的斷裂是由于車輪不斷通過鋼軌接頭生成重復的負載而導致的（見圖1）。車輪的壓力以及行進的車輪對接頭的沖擊導致鋼軌在彎曲的瞬間生成的剪切應力全部集中在螺栓孔。另外，剪切應力與由于在接頭處動態(tài)下沉形成的動態(tài)輪軌作用力聯(lián)同高強度周期應力，最終開始在螺栓孔處開始生成裂紋并逐漸擴大。這些裂紋在45°角平面上擴散，形成一個典型的疲勞破壞。如果檢測不到裂縫的加劇，通常裂縫增長到5～10 mm，鋼軌就會發(fā)生斷裂。松動的接頭或支撐不牢固的接頭會增加螺栓孔處的應力量級，螺栓孔處出現(xiàn)任何的刮痕或腐蝕坑都會進一步加劇開裂的速度。未檢測到的螺栓孔裂紋會導致鋼軌終端顯著分離（見圖2），從而可能導致脫軌。

3 延長鋼軌接頭疲勞壽命

圖2 斷裂鋼軌實例

過去30年里，為了解決鋼軌以及螺栓孔的開裂問題而做了大量的嘗試，比如增加腹板的厚度以減少過強的應力，現(xiàn)場“加工硬化”螺栓孔表面，提高局部抗疲勞性能。所有這些嘗試過的工藝不僅難掌控并且沒有一個被證明是有效的。

1975年，美國運輸部發(fā)起了一項研究[5]以調(diào)查幾項有前景看好的可能提高鋼軌螺栓孔疲勞壽命的應用技術(shù)。這些方法包括襯墊沖壓、干涉配合螺栓以及開縫襯套冷擠壓。采用開縫襯套冷擠壓的樣品比未使用冷擠壓的螺栓孔和其他方法擁有顯著的壽命提升。通過美國運輸部的研究，證明使用冷擠壓以后，鋼軌壽命有顯著的提升（見圖3）。與此同時，英國鐵路部門也對冷擠壓工藝進行了試驗和評估，包括實驗室和實際應用測試[6]，確認了試驗結(jié)果得出結(jié)論，通過降低或消除螺栓孔疲勞破損，鐵路螺栓孔接頭的壽命提升率可達到10倍甚至更長。

4 開縫襯套冷擠壓工藝

開縫襯套冷擠壓工藝通過拉伸一個直徑稍大的錐形芯棒，芯棒上預裝一個涂有干膜潤滑的開縫襯套，用一個特別設(shè)計的液壓拉桿，抽拉穿過螺栓孔（見圖4）。在擠壓過程中，襯套依舊位于螺栓孔的位置，用后作廢。襯套防止螺栓孔與芯棒的滑動金屬接觸，確保螺栓孔是放射性的擠壓。襯套上的干膜潤滑劑減小了將芯棒拉出螺栓孔所需的拉力。

圖3 使用冷擠壓后鋼軌壽命變化

圖4 開縫襯套冷擠壓工藝

芯棒的直徑與襯套厚度的結(jié)合產(chǎn)生足夠的放射性擴張，使得環(huán)螺栓孔周圍的材料得到顯著的屈服，在鋼軌上的冷擠壓擴張范圍為螺栓孔徑的2%～4%，具體取決于鋼材的特性以及孔徑。芯棒穿過螺栓孔以后，螺栓孔周圍由于受壓而存在殘余應力。殘余壓縮應力的峰值粗略的等于鋼的屈服強度并且從螺栓孔邊緣延伸約一個孔徑的范圍。一個拉伸應力的平衡區(qū)域約為抗拉屈服應力的10%～20%，環(huán)繞并“鎖定”在有利的壓縮應力區(qū)域內(nèi)（見圖5）。在螺栓孔邊緣，殘余壓縮應力低于環(huán)狀應力的平均值和最大值。這種降低的凈應力不僅延遲裂紋的產(chǎn)生而且有效阻止裂紋的擴展。

值得考慮另一個重要因素是僅憑冷擠壓盡管能夠有效的延遲螺栓孔裂紋的生成但卻不能完全阻止產(chǎn)生裂紋。螺栓孔鉆孔/鉸孔引起的缺陷或腐蝕坑和冶金雜質(zhì)也會導致生成裂紋。殘余壓縮應力通過降低應力強度因子范圍（△K）來延遲裂紋的擴展（見圖6）。這種應力強度降低在英國鐵路公司的工藝研究中也有所報道[7]。另外，殘余應力的出現(xiàn)可能會改變不穩(wěn)定斷裂裂紋的臨界尺寸。更低的裂紋擴展速率和更大的裂紋臨界尺寸可以延長軌道連接處無損傷檢查周期，從而能夠有效的降低鐵路網(wǎng)的運營和維護成本。

5 FTI RailTec 工藝

為了推進鋼軌端部螺栓孔冷擠壓技術(shù)，F(xiàn)TI研發(fā)了RailTecTM冷擠壓系統(tǒng)工具，應用于現(xiàn)有的鋼軌維護以及新鋼軌的制造。這一套結(jié)實的工具系統(tǒng)設(shè)計適用于標準鋼軌螺栓孔的尺寸范圍和所需的鋼軌運行環(huán)境。在特定的現(xiàn)場應用中，由鐵路工人操作，拆卸每個接頭，然后清理每個螺栓孔和螺栓孔周圍的區(qū)域。測量孔徑并采用橋梁鉸刀清理螺栓孔，使螺栓孔達到正常尺寸，然后用RailTec工具對每個螺栓孔進行冷擠壓處理（見圖7）。最后，重新組裝接頭。經(jīng)過培訓的操作員每小時可以處理40個左右的螺栓孔。

鋼軌接頭的日常維護，包括所有螺栓孔冷擠壓的預估總成本約為3 000美元/km。相對于將拼接軌道改為連續(xù)焊接軌道需180 000美元/km[8]來說，有很大的優(yōu)勢。而連續(xù)焊接軌道的成本，對于低收入的鐵路線路或第三世界國家來說是行不通的，況且需要長時間的中斷運營。

6 應用結(jié)果

圖5 冷擠壓后螺孔周圍應力分

冷擠壓的應用評估顯示，這項工藝對于防止鋼軌端部螺栓孔斷裂起了很大的作用。在英國，?？巳亍岵饔幸粭l38 km的線路。1987年開始進行冷擠壓維護之前，整條線路軌端螺栓孔出現(xiàn)星狀裂紋。截至1991年，整條線路進行了冷擠壓處理，星狀裂紋的出現(xiàn)數(shù)量從1987年的25處降低到1991年的1處。對普利茅斯—彭冉線路的研究也出現(xiàn)相似的結(jié)果，經(jīng)過冷擠的壓螺栓孔上高發(fā)的星狀裂紋有效降低。這些結(jié)果[9]為冷擠壓技術(shù)在英國的廣泛推廣提供了有效的保證。隨后，所有的數(shù)據(jù)被美國的評估體系分享，美國聯(lián)合太平洋鐵路公司所有的新鋼軌、道岔和交叉口都采用開縫襯套冷擠壓工藝。

中國香港地鐵公司多年來一直使用冷擠壓工藝。該工藝最早用于原鐵路系統(tǒng)中采用的BS90A標準碳鋼鋼軌中克服螺栓孔斷裂問題。地鐵公司采用了該技術(shù)以后，裂紋擴展率明顯下降，螺栓孔冷擠壓將疲勞斷裂問題從螺栓孔轉(zhuǎn)移到了鋼軌橫梁的下方。這導致另外一個難點就是加劇了鋼軌與混凝土軌枕對準的難度。無論如何，總體來說故障率明顯下降，證明冷擠壓工藝所投入的時間和金錢是有意義的。

圖6 冷擠壓孔減少應力強度因子范圍

圖7 新鋼軌的螺栓孔需鉸至合適的直徑，使用與現(xiàn)場維修相似的設(shè)備進行冷擠壓處理

7 結(jié)束語

通過實驗室研究、嚴格的現(xiàn)場試驗、以及應用結(jié)果證明，開縫襯套冷擠壓工藝可以有效消除鋼軌端部螺栓孔斷裂問題。RailTec引入的殘余壓應力，有效地降低局部應力等級，阻止裂紋滋生。英國與美國將這項工藝應用于日常維護中，主要針對現(xiàn)有的鋼軌，新更換的或替換的帶螺栓孔鋼軌，道岔，交叉口和絕緣節(jié)。中國香港地鐵公司也采用RailTec工藝，裂紋滋生率明顯降低。另外螺栓孔冷擠壓也成功的用于防止列車車輪質(zhì)量平衡孔的裂紋產(chǎn)生。研究表明隨著軸負載和速度的增大，鋼軌端部螺栓孔斷裂的可能性也會增加。這些接縫通過冷擠壓處理，連接部位可承受更強的壓力，從而降低破裂的可能性。在鋼軌端部螺栓孔引入殘余壓應力，可以消除脫軌的潛在隱患，提高操作安全性。引入殘余壓應力使鐵路運營更經(jīng)濟，延長了檢查周期，降低了日常和特殊維修費用。

[1] Broken Rails：A Major Cause of Train Accidents，U.S.Department of Transportation NTSB RSS，1974(1)

[2] Zarembski A M. Track Caused Derailments[J]. RT&S，1990(10)

[3] Accident/Incident Bulletin，Calendar Year 1988，U.S.Department of Transportation，F(xiàn)ederal Rail road Administration, Office of Safety，Bulletin No.157，1989(6)

[4] Read D M. Fast/HAL Turnout Performance Experiment[J].American Railway Engineering Association，Bulletin No.728，1990(91)

[5] Lindh D V， Taylor R D，Rose D M. Sleeve Expansion of Bolt Holes in Railroad Rail[J].U.S.Department of Transportation，F(xiàn)inal Report，1977(12)

[6] Cannon D F，Sinclair J，Sharp K A.Improving the Fatigue Performance of Bolt Holes in Railway Rails by Cold Expansion[J]. Salt Lake City，Utah USA.Fatigue Corrosion Cracking，F(xiàn)racture Mechanics and Failure Analysis，International Conference and Exposition，1985(12)

[7] Clark G.Modeling Residual Stresses and Fatigue Crack Growth at Cold Expanded Fastener Holes[J].Fatigue Fracture of Engineering Materials Structures，Volume 14，No.5

[8] Tolley K H.Extending Track Life with Improved Safety at Reduced Maintenance Costs[J]. Budapest.International Railway Congress Association Intercessional Seminar，1991(5)

[9] Survey of Results from British Rail Western Region Provided by British Rail Research，Derby