張 繼 恩

(中國(guó)神華神朔鐵路分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

神朔鐵路西起陜西省神木市大柳塔鎮(zhèn)，北與包神鐵路相連，南與神延鐵路相接，東至山西省朔州市，與北同蒲線接軌，在神池南與朔黃線相連，途經(jīng)陜西、山西兩省八縣市，與包神鐵路、朔黃鐵路共同組成我國(guó)西煤東運(yùn)的第二條大通道，為國(guó)家Ⅰ級(jí)干線雙線電氣化重載鐵路，主要擔(dān)負(fù)神府東勝礦區(qū)的煤炭外運(yùn)任務(wù)，是神華集團(tuán)礦、路、電、港、航系統(tǒng)工程的重要組成部分。上行線為75 kg/m無(wú)縫線路，下行線為60 kg/m無(wú)縫線路正線總長(zhǎng)近470余千米，鐵路全線地形復(fù)雜，橋隧相連，橋、隧、涵占線路總長(zhǎng)的30%，最大坡道12‰(其中僅河?xùn)|運(yùn)輸段管內(nèi)270 km的線路中，小半徑曲線(R<500 m)的里程約占河?xùn)|段管轄長(zhǎng)度的15%)，2018年運(yùn)量大約在2.8億t。近年來(lái)，隨著KM98貨車投入運(yùn)營(yíng)和萬(wàn)噸列車開(kāi)行，使得神朔鐵路的軸重和年運(yùn)量逐年攀升，小半徑曲線的上股鋼軌出現(xiàn)了嚴(yán)重的側(cè)磨和斜裂紋掉塊病害，下股鋼軌壓潰嚴(yán)重，軌面存在剝離掉塊病害(嚴(yán)重地段的掉塊深度已有0.8 mm左右)。曲線鋼軌側(cè)磨和疲勞傷損較大程度上影響到了鋼軌使用壽命，同時(shí)隨著剝離掉塊的不斷發(fā)展，也會(huì)影響到鋼軌探傷作業(yè)，對(duì)行車安全產(chǎn)生威脅。

鋼軌打磨技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從單一消除軌面?zhèn)麚p的傳統(tǒng)打磨方式，逐漸發(fā)展到以控制傷損發(fā)展和輪軌接觸位置為目標(biāo)的鋼軌廓形打磨。鋼軌廓形打磨就是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查鋼軌磨耗情況，通過(guò)計(jì)算對(duì)GMC-96打磨車的磨石設(shè)置合理打磨角度，修復(fù)軌頭形面從而控制鋼軌傷損的發(fā)展，以達(dá)到延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的目的。國(guó)內(nèi)外的大量研究和實(shí)踐已經(jīng)證明[1-4]，鋼軌廓形打磨是治理由滾動(dòng)接觸疲勞所引起的斜裂紋、剝離掉塊和鋼軌波形磨耗，以及減緩磨耗速率的有效手段之一。

鋼軌廓形打磨是指通過(guò)打磨將鋼軌形面修正至設(shè)計(jì)廓形的打磨方法，最終是為了實(shí)現(xiàn)良好的輪軌接觸關(guān)系，以控制鋼軌傷損的形成和發(fā)展。為減輕和控制小半徑曲線鋼軌疲勞傷損和側(cè)磨的發(fā)展，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，在神朔鐵路小半徑曲線上開(kāi)展了鋼軌廓形打磨。在河?xùn)|運(yùn)輸段管內(nèi)選擇2條500 m半徑曲線進(jìn)行鋼軌廓形打磨，通過(guò)觀測(cè)打磨前后的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證廓形打磨效果。

1 曲線鋼軌傷損現(xiàn)狀及分析

神朔鐵路上行為重載線，鋪設(shè)75 kg/m鋼軌，500 m半徑曲線鋼軌上道6個(gè)月后，上股已經(jīng)出現(xiàn)了1 mm左右的側(cè)磨，并且軌距角位置存在斜裂紋掉塊病害。下股鋼軌上道2年后，軌頂存在嚴(yán)重的剝離掉塊病害(掉塊深度已有0.8 mm以上)，并且是連續(xù)、面積較大的掉塊，形成了兩條疲勞傷損帶，同時(shí)伴隨著馬鞍形磨耗，鋼軌外側(cè)由于塑性流動(dòng)形成了嚴(yán)重的肥邊病害。

以上幾種軌面的傷損一般都是由輪軌接觸疲勞引起的，尤其在重載運(yùn)輸條件下，由于所需的牽引力較大，所產(chǎn)生的縱向蠕滑力很大，在曲線上還存在橫向蠕滑力的作用。在這種不斷重復(fù)的作用力情況下，引起鋼軌內(nèi)部周期性應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生超限應(yīng)力時(shí)，還會(huì)引起鋼軌的塑性變形，同時(shí)伴隨著加工硬化的現(xiàn)象，加工硬化到一定程度就會(huì)出現(xiàn)塑性耗竭，從而鋼軌材料產(chǎn)生了斜裂紋[5]。這時(shí)斜裂紋仍受到輪軌作用力而繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軌面產(chǎn)生剝離掉塊。影響鋼軌表面接觸疲勞傷損的因素主要有接觸應(yīng)力，蠕滑力和鋼軌剪切強(qiáng)度等。車輪在通過(guò)曲線時(shí)，在輪軌接觸斑內(nèi)鋼軌與車輪之間會(huì)發(fā)生微小的相對(duì)滑動(dòng)，從而在輪軌間產(chǎn)生蠕滑力。蠕滑力是導(dǎo)致鋼軌磨損，進(jìn)而產(chǎn)生塑性變形和滾動(dòng)接觸疲勞傷損的主要原因[6]。輪軌接觸點(diǎn)的滾動(dòng)半徑差是影響輪軌蠕滑的重要參數(shù)，可通過(guò)鋼軌廓形打磨，改善輪軌關(guān)系，減小蠕滑力，達(dá)到延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的目的。

根據(jù)彈性赫茲接觸理論，輪軌接觸應(yīng)力主要與軸重、鋼軌形面和車輪形面等因素有關(guān)。因此可以通過(guò)鋼軌廓形打磨對(duì)鋼軌形面進(jìn)行修復(fù)，增大輪軌接觸斑面積，從而實(shí)現(xiàn)減小輪軌接觸應(yīng)力的目的。

2 輪軌接觸狀態(tài)分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研，采集了軌面疲勞傷損嚴(yán)重的曲線下股鋼軌廓形，如圖1所示，為上行K183+550位置處曲線下股鋼軌廓形與75 kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌廓形對(duì)比情況。

從圖1中可以看出，磨耗過(guò)的下股軌頂廓形扁平，已經(jīng)出現(xiàn)了中間凹形的情況，此時(shí)輪軌接觸位置就很大程度上取決于車輪踏面形狀、軌距以及運(yùn)行速度等，接觸部位可能會(huì)從鋼軌內(nèi)側(cè)圓角一直到外側(cè)邊緣。

對(duì)于磨耗較大的車輪廓形，在與磨耗的鋼軌進(jìn)行接觸時(shí)，如圖2所示?？梢钥吹剑嗆壗佑|點(diǎn)主要在鋼軌外側(cè)，就會(huì)容易導(dǎo)致塑性變形，產(chǎn)生肥邊，同時(shí)車輪也會(huì)產(chǎn)生假輪緣，導(dǎo)致鋼軌傾翻。在磨耗的鋼軌與新車輪或磨耗較小的車輪接觸時(shí)，如圖3所示。輪軌接觸點(diǎn)主要在鋼軌內(nèi)側(cè)，使得上下股輪徑差減小，上股鋼軌與輪緣進(jìn)一步貼靠，增加了橫向力，也減小了車輛的曲線通過(guò)性能。同時(shí)下股軌距角位置會(huì)產(chǎn)生肥邊，減小了輪軌間的游間，使接觸點(diǎn)更進(jìn)一步向軌距角移動(dòng)。

從現(xiàn)場(chǎng)采集的軌面狀態(tài)也可以看出，如圖4所示，接觸光帶寬度已經(jīng)達(dá)到了55 mm左右，幾乎覆蓋住了整個(gè)軌面，說(shuō)明此時(shí)的鋼軌廓形與磨耗車輪、新車輪或磨耗較小車輪接觸時(shí)，接觸點(diǎn)的分布范圍較廣。并且下股鋼軌內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了剝離掉塊病害，外側(cè)有嚴(yán)重的塑性變形，已發(fā)展成肥邊病害。鋼軌內(nèi)側(cè)圓角位置也發(fā)生了塑性變形，并且產(chǎn)生了斜裂紋掉塊病害。

由于車輪在與軌頂較平的鋼軌進(jìn)行匹配時(shí)，輪軌接觸斑面積較小[7]，從而會(huì)引起較大的接觸應(yīng)力，同時(shí)也會(huì)降低曲線地段上下股鋼軌上車輪間所需的滾動(dòng)圓半徑差，進(jìn)而產(chǎn)生較大的蠕滑力，導(dǎo)致軌面疲勞傷損的產(chǎn)生。根據(jù)以上這些情況的分析，可以判斷500 m半徑曲線的下股鋼軌廓形相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軌廓形發(fā)生了較大的變化，導(dǎo)致了輪軌接觸不良的情況，接觸斑面積太小，輪軌接觸應(yīng)力較大。因此后期在處理鋼軌病害的同時(shí)，就需要對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行修復(fù)，以改善輪軌接觸關(guān)系不良的情況。

3 打磨目標(biāo)廓形的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上對(duì)輪軌接觸狀態(tài)的分析，對(duì)鋪設(shè)在小半徑曲線的鋼軌進(jìn)行廓形打磨應(yīng)考慮到以下因素：1)提供合理的輪徑差，改善曲線通過(guò)性能；2)降低輪軌接觸應(yīng)力，減緩滾動(dòng)接觸疲勞的產(chǎn)生；3)減緩曲線上股磨耗；4)延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，減少線路養(yǎng)護(hù)維修工作量，節(jié)約養(yǎng)護(hù)成本費(fèi)用。因此基于以下原則設(shè)計(jì)適用于小半徑曲線下股的鋼軌打磨目標(biāo)廓形：

1)通過(guò)改變輪軌接觸點(diǎn)，合理提高輪徑差，改善輪軌蠕滑自導(dǎo)向能力。

2)改善輪軌接觸幾何關(guān)系，增加接觸斑面積，減小接觸應(yīng)力。

在進(jìn)行打磨目標(biāo)廓形設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的主要因素有神朔線線路參數(shù)、通過(guò)車輛類型、車輛運(yùn)行速度、車輪的磨耗廓形和鋼軌廓形。根據(jù)以上基本信息，建立車輛—軌道耦合系統(tǒng)模型，在模型中可以進(jìn)行輪軌作用的動(dòng)靜態(tài)計(jì)算。靜態(tài)計(jì)算主要考慮到輪軌接觸幾何關(guān)系和接觸應(yīng)力關(guān)系。輪軌形面的幾何匹配關(guān)系是輪軌接觸時(shí)最直接的反應(yīng)，可采用多指標(biāo)化的設(shè)計(jì)，包括等效錐度、接觸角、接觸點(diǎn)分布、接觸應(yīng)力大小和滾動(dòng)接觸疲勞分析等。

等效錐度是反映輪軌對(duì)中能力、曲線通過(guò)能力和蛇形失穩(wěn)的重要參數(shù)[8]。通過(guò)對(duì)等效錐度進(jìn)行優(yōu)化，可以提高蛇形失穩(wěn)臨界速度和曲線通過(guò)能力。此外輪軌接觸點(diǎn)附近法向間隙的大小也是輪軌接觸性能的重要指標(biāo)。小的輪軌法向間隙可以提高輪軌接觸“共形度”，有效降低輪軌接觸應(yīng)力水平，有利于減小輪軌磨耗，提高滾動(dòng)接觸疲勞壽命。

動(dòng)力學(xué)性能主要取決于車輛狀態(tài)、懸掛參數(shù)、運(yùn)行速度、曲線半徑等線路參數(shù)。以動(dòng)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)再次評(píng)價(jià)打磨目標(biāo)廓形的優(yōu)劣，如輪軌橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)和減載率等，使打磨目標(biāo)廓形能夠表現(xiàn)出良好的動(dòng)力學(xué)性能，明顯降低輪軌間橫向力和垂向力等。

結(jié)合打磨前采集的神朔線通過(guò)車輛車輪數(shù)據(jù)和鋼軌廓形數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出的神朔鐵路400 m及以下的小半徑曲線鋼軌打磨目標(biāo)廓形如圖5所示。對(duì)于曲線下股鋼軌，其打磨區(qū)域主要分布在鋼軌中心的兩側(cè)。一方面去除鋼軌內(nèi)側(cè)的剝離掉塊病害和外側(cè)的塑性流動(dòng)層，另一方面修復(fù)鋼軌廓形至設(shè)計(jì)廓形，以解決軌頭形面扁平的情況，減小光帶寬度。最后在保證廓形到位的情況下處理軌頂?shù)男绷鸭y掉塊病害。

在神朔線鋼軌廓形打磨時(shí)，為保證廓形打磨質(zhì)量，采用鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)GQI(Grinding Quality Index)對(duì)打磨車和打磨方案的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收，同時(shí)也可用來(lái)判斷鋼軌是否需要打磨。GQI描述的是實(shí)測(cè)廓形與打磨目標(biāo)廓形之間的匹配程度，通過(guò)分析同一截面區(qū)域內(nèi)兩者之間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的偏差值，統(tǒng)計(jì)偏差值小于某一限值的點(diǎn)數(shù)目占此截面區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)數(shù)目的百分比。百分比越高，實(shí)測(cè)廓形與打磨目標(biāo)廓形匹配度越高?；谏鲜鲇?jì)算方法，研發(fā)了利用鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)對(duì)打磨廓形進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)收的軟件，其界面如圖6所示。

通過(guò)此次廓形打磨，神朔線重點(diǎn)打磨地段的鋼軌GQI指標(biāo)均得到了大幅提高。打磨后的曲線上下股鋼軌GQI評(píng)分平均為81.8分，較打磨前GQI評(píng)分平均45分提高1.8倍。打磨后鋼軌廓形接近設(shè)計(jì)廓形，較好的修復(fù)了鋼軌廓形，鋼軌打磨作業(yè)質(zhì)量較好。

4 鋼軌廓形打磨效果

在2017年6月份，對(duì)兩條小半徑試驗(yàn)曲線鋼軌進(jìn)行了廓形打磨，打磨后鋼軌廓形滿足設(shè)計(jì)廓形要求，并且消除了軌面剝離掉塊病害，消除了鋼軌波磨，小半徑曲線鋼軌由原來(lái)的6個(gè)月更換一次延長(zhǎng)到12個(gè)月，延長(zhǎng)了使用壽命。在打磨后6個(gè)月時(shí)，分別對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行了觀測(cè)，具體的打磨效果如下：

1)解決了軌面存在的疲勞傷損問(wèn)題。K183曲線在打磨后6個(gè)月，軌頭表面仍未出現(xiàn)明顯的剝離掉塊病害，并且鋼軌廓形變化較小，未出現(xiàn)鋼軌材料的塑性流動(dòng)。光帶寬度得到收窄，約為35 mm，且光帶居中，位置合理。說(shuō)明將鋼軌廓形打磨到設(shè)計(jì)廓形的情況下，可以明顯減輕輪軌接觸應(yīng)力和蠕滑力，從而減緩和控制了鋼軌疲勞傷損的發(fā)展。

2)降低了鋼軌磨耗速率。通過(guò)計(jì)算對(duì)比打磨前后的磨耗速率可以得到，試驗(yàn)曲線在打磨后6個(gè)月左右(通過(guò)總重約126 Mt)，上股側(cè)磨率相比打磨前降低了47%；上股垂磨率相比打磨前最大降低了49%，平均降低44%；下股垂磨率相比打磨前最大降低了53%，平均降低44%。說(shuō)明設(shè)計(jì)得到的打磨目標(biāo)廓形，可以有效改善輪軌蠕滑自導(dǎo)向能力，防止了兩點(diǎn)接觸情況的發(fā)生，對(duì)減輕鋼軌側(cè)磨作用明顯。同時(shí)輪軌接觸幾何關(guān)系的改善，也減小了輪軌接觸應(yīng)力，從而降低了鋼軌磨耗速率。

3)廓形打磨后，解決了小半徑曲線波形磨耗、魚(yú)鱗裂紋、掉塊鋼軌無(wú)法探傷和判傷的難題，提高了鋼軌的探傷及判傷精準(zhǔn)度。降低了鋼軌的傷損率，全線鋼軌傷損由2016年的多少處，降低到2017年的多少處，傷損減少了50%。

4)廓形設(shè)計(jì)打磨后，輪軌關(guān)系得到明顯的改善，機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)明顯減少對(duì)線路的破壞，線路道床板結(jié)明顯減緩，小半徑曲線養(yǎng)護(hù)工作量減少，延長(zhǎng)了線路養(yǎng)護(hù)、清篩的周期。

5)廓形打磨后，鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)GQI相比打磨前提高了1.8倍，較好的修復(fù)了鋼軌廓形。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)小半徑曲線鋼軌疲勞傷損發(fā)展過(guò)程和輪軌接觸狀態(tài)進(jìn)行分析，判斷由于不良的輪軌接觸關(guān)系，導(dǎo)致產(chǎn)生了軌面疲勞傷損。從鋼軌廓形打磨試驗(yàn)效果來(lái)看，通過(guò)打磨將鋼軌廓形修復(fù)至設(shè)計(jì)廓形，改善了輪軌關(guān)系，提高了輪軌接觸性能，減小了輪軌接觸應(yīng)力，控制了疲勞傷損和磨耗的發(fā)展，從而可延長(zhǎng)鋼軌使用壽命。

1)曲線地段進(jìn)行廓形打磨后，可提高列車曲線通過(guò)性能，減小車輪通過(guò)曲線時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而減輕鋼軌側(cè)磨和軌面病害，機(jī)車、車輛能夠平穩(wěn)的運(yùn)行，減少了機(jī)車、車輛對(duì)線路的破壞，節(jié)約養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

2)應(yīng)避免軌頂廓形扁平的情況，將鋼軌廓形打磨至具有一定弧度的目標(biāo)廓形，可有效增大輪軌接觸斑面積，減小接觸應(yīng)力。

3)為了能夠長(zhǎng)期保持較好的軌頭廓形，應(yīng)進(jìn)行周期性打磨。后期通過(guò)對(duì)試驗(yàn)曲線的持續(xù)觀測(cè)，依據(jù)不同的線路條件，鋼軌廓形的變化規(guī)律和打磨能力等，給出適合于神朔鐵路的鋼軌廓形打磨周期。

4)今后將按照神朔鐵路打磨設(shè)計(jì)廓形，繼續(xù)進(jìn)行鋼軌廓形打磨施工，并對(duì)設(shè)計(jì)廓形進(jìn)行多方面評(píng)估，完善并推廣使用，以有效延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，盡量延長(zhǎng)線路清篩周期，降低運(yùn)輸成本。

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