宋學(xué)兵

摘 要：在重載鐵路曲線鋼軌中，通過適當(dāng)調(diào)整曲線超高、對鋼軌表面初始裂紋進(jìn)行預(yù)防性打磨，可改善輪軌關(guān)系，將鋼軌傷損消滅在萌芽階段，從而延長鋼軌的使用壽命，并減少了設(shè)備隱患，從而保證鐵路運輸?shù)陌踩?、高效、穩(wěn)定。因此，對延長重載鐵路曲線鋼軌使用壽命的方法措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；曲線鋼軌；軌道超高；輪軌關(guān)系

中圖分類號：U298 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.075

大秦鐵路自1992年全線開通以來，運量逐年增長，2015年運量已經(jīng)達(dá)到4.5×109 t，成為世界上運量最大、最繁忙的鐵路。在大秦鐵路中，曲線鋼軌傷損越來越重，這不僅埋下了安全隱患，還會耗費大量的人力、物力監(jiān)測軌道的安全狀況和維護(hù)軌道的正常營運。根據(jù)研究表明，周期性地對曲線鋼軌打磨和設(shè)置合適的曲線超高，是減少曲線鋼軌傷損、延長曲線鋼軌壽命的有效途徑。

1 軌道曲線超高調(diào)整

1.1 軌道超高的基本概念

軌道超高的目的是用車輛自身質(zhì)量的橫向分量來抵消車輛在轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力，以免車輛在上股道形成過大的橫向力，從而減少鋼軌側(cè)磨和降低脫軌的風(fēng)險。圖1是車輛在彎道行駛

時的受力圖。車輛在行駛中會受到重力（mg）、離心力 和

風(fēng)力（Hw）的作用。

圖1 車輛受力圖及輪軌受力圖

圖1中，m為車輛質(zhì)量；g為重力加速度；V為車輛速度；R為曲線半徑。如果忽略風(fēng)力的作用，當(dāng)重力的橫向分量與離心力達(dá)到平衡時，其數(shù)學(xué)表達(dá)為：

. （1）

式（1）中： 為車輛中心的橫向分量；h為軌道超高；d為

軌距； 為車輛轉(zhuǎn)彎的離心力。

如果d=1.5 m，g=9.81 m/s2，將速度單位由m/s轉(zhuǎn)換成km/h，將超高單位改為cm，則式（1）可以簡化為常用的軌道超高設(shè)計公式：

. （2）

式（2）還可以表示為：

. （3）

式（3）中：h為超高偏差。

當(dāng)h=0時，式（3）表示的是平衡時速度與超高的關(guān)系（平衡超高狀態(tài)）；當(dāng)h>0或h<0時，式（3）分別表示過超高或欠超高時速度與超高的關(guān)系。

1.2 軌道欠超高研究

在20世紀(jì)90年代初，我國曾對軌道超高進(jìn)行過研究。在該研究的眾多結(jié)論中，有2點與軌道超高有關(guān)：①欠超高可減小沖角，從而降低上股道鋼軌的側(cè)磨；②欠超高可防止下股道壓潰。此次研究認(rèn)為，欠超高有利于對鋼軌的保護(hù)。根據(jù)此結(jié)論，大秦線線路的養(yǎng)路維護(hù)曲線基本采用欠超高。

1.3 軌道超高的現(xiàn)狀分析

以大秦線K385+100和K386+400兩條曲線為例，曲線中點位于K385+151和K386+404處兩個相鄰曲線的上股道鋼軌側(cè)的磨損相差巨大，如圖2所示。圖2中的藍(lán)色線為新鋼軌，紅色線為已磨損的鋼軌。然而，這2條曲線的條件基本一致、半徑均為800 m、鋪設(shè)時間均為2009-06、車速相差不大；2條曲線唯一的差別是超高不同，位于K385和K386兩處的曲線超高分別為70 mm和60 mm，相差10 mm。圖3為超高與側(cè)磨的關(guān)系，可見超高較大的鋼軌側(cè)磨小，超高較小的鋼軌側(cè)磨大。

a.位于K385的曲線 b.位于K386的曲線

圖2 大秦重車線K385、K386處2009-02測量的上股道鋼軌的廓面形狀

圖3 大秦重車線K385-K386兩段曲線的上股道鋼軌的側(cè)磨與超高

在進(jìn)一步對車速分布的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，在K386曲線上與60 mm超高對應(yīng)的平衡速度為63 km/h，如圖2所示，在通過該曲線的車輛中，有71%的車輛的速度大于該速度，其所產(chǎn)生的離心力沒有被重力水平分量所抵消，因此，車輪被離心力推向上股道，導(dǎo)致輪緣與軌側(cè)接觸，進(jìn)而造成嚴(yán)重的鋼軌側(cè)磨；在K385處曲線上的軌道超高為70 mm，這一超高對應(yīng)的平衡速度為69 km/h，僅有54%以上車輛的速度大于該速度。雖然K385曲線的超高設(shè)置并不完善，但與K386曲線相比，大于平衡速度的車輛的比例較低，且側(cè)磨較輕。

圖4 在K385-K386兩段800 m曲線的車輛通過速度分布

2 鋼軌打磨

2.1 鋼軌打磨的目的

鋼軌的傷損主要表現(xiàn)為鋼軌磨損（垂直磨耗和軌側(cè)磨損）和疲勞破壞（裂紋和剝離掉塊）。鋼軌的失效主要表現(xiàn)為磨損超標(biāo)和因疲勞破壞而產(chǎn)生的鋼軌重傷。對大秦重車線鋼軌使用情況的調(diào)查表明，曲線上、下股在鋪設(shè)后2個月出現(xiàn)了不同程度的剝離掉塊，而這種剝離掉塊不僅會嚴(yán)重影響鋼軌的使用壽命，還會給超聲波探傷作業(yè)造成困難，進(jìn)而給運輸安全埋下隱患。采用鋼軌打磨的方法（以最佳重載輪軌廓面為基礎(chǔ)）控制鋼軌廓面形狀，可改善輪軌關(guān)系，延緩和消除鋼軌的接觸疲勞和疲勞破壞。

2.2 鋼軌打磨的原則和方法

鋼軌打磨要以最佳鋼軌廓形為基礎(chǔ)，減小或消除輪軌蠕滑。鋼軌打磨的3項基本原則為“嚴(yán)格根據(jù)重載鐵路鋼軌最佳廓面、預(yù)防性地去除鋼軌上的疲勞初始裂紋、打磨中將磨削量降至最低”。

鋼軌疲勞破壞起源于鋼軌的表面初始裂紋，初始裂紋會在鋼軌表層擴展，最終導(dǎo)致剝離掉塊。此外，初始裂紋還會向鋼軌深層擴展，進(jìn)而導(dǎo)致鋼軌重傷，嚴(yán)重時可能會出現(xiàn)斷軌。因此，消除初始裂紋就能消除疲勞破壞，采取預(yù)防性地鋼軌打磨是通過鋼軌打磨去除疲勞初始裂紋的有效途徑。

在直線上，初始裂紋大部分出現(xiàn)在鋼軌頂面兩側(cè)的塑性流動部位，因此，對直線鋼軌的打磨主要是削掉鋼軌兩側(cè)的塑性流動層，并收窄接觸帶。

對曲線下股道的打磨與在直線上的相似，主要是削掉鋼軌兩側(cè)的塑性流動層，并收窄接觸帶，以去除鋼軌頂面兩側(cè)出現(xiàn)的初始裂紋。對于曲線上股的鋼軌，裂紋出現(xiàn)的主要部位在軌距角附近和軌肩表面，因此，打磨軌肩附近的淺表層是必要的，以去除初始裂紋。此外，上股的頂部也會出現(xiàn)疲勞破壞，如果出現(xiàn)大面積的疲勞裂紋，則應(yīng)打磨頂部。

3 結(jié)束語

綜上所述，通過適當(dāng)調(diào)整重載鐵路曲線鋼軌的曲線超高、對鋼軌表面初始裂紋進(jìn)行預(yù)防性打磨，可改善輪軌關(guān)系、將鋼軌傷損消滅在萌芽階段，從而延長鋼軌的使用壽命，并減少了設(shè)備隱患，保證了鐵路運輸?shù)陌踩?、高效、穩(wěn)定。

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〔編輯：張思楠〕