王學彥 肖起鵬 杜茂金 張光亮 王少鋒**

(1.湖南高速鐵路職業(yè)技術學院鐵道工程學院，421002，衡陽；2.華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌；3.南京地鐵運營公司工務分公司，211135，南京；4.湖南恒德檢測有限公司，421002，衡陽∥第一作者，教授)

磨耗與疲勞裂紋是鐵路鋼軌的兩種主要損傷[1]，二者是一個同時存在、共同發(fā)展、相互影響的連續(xù)過程[2]。磨耗改變輪軌型面，使輪軌接觸關系逐步惡化，接觸斑內受力增大，最終加劇疲勞裂紋等其他損傷[3]。當疲勞裂紋擴展到一定程度，會導致鋼軌表面發(fā)生剝離掉塊[4]，進一步影響輪軌接觸關系，加劇磨耗擴展速率，增加維修費用，并最終危害行車安全。

在這兩種損傷中，曲線鋼軌服役壽命主要是由磨耗控制，大量鋼軌由于磨耗超限而報廢[5]。在城市軌道交通系統(tǒng)中，小半徑曲線段數(shù)量較多，且鋼軌損傷大部分集中于該處，其中外軌側磨損傷尤為明顯[6]。地鐵運營公司采用了多種方法來減小鋼軌磨耗，例如采用高硬度鋼軌[7]、調整軌底坡[8]、對特定段曲線進行潤滑等措施[9]，其中，潤滑劑因成本低、效率高而獲得了廣泛的應用。

南京地鐵各條線路開通以后，出現(xiàn)了以磨耗、疲勞裂紋為主的多種傷損[10-11]。為減小磨耗，延長鋼軌服役壽命，部分線路采用了外軌潤滑措施。但由于磨耗與裂紋之間存在著共生及互相影響的關系，潤滑劑對裂紋以及剝離掉塊的影響需要進一步研究。為探索合理的潤滑時機與周期，本文采用現(xiàn)場跟蹤觀測的方法，選取多條曲線段進行長期的跟蹤觀測，對比分析在有潤滑劑和無潤滑劑的兩種工況下，鋼軌側磨以及疲勞裂紋與剝離掉塊的發(fā)展規(guī)律，探求并界定合理的潤滑劑涂抹周期，為地鐵的運營維護提供相應的指導依據(jù)。

1 現(xiàn)場跟蹤觀測試驗工況介紹

選取兩條運營條件相似的線路，其中一條線路進行潤滑與停止?jié)櫥瑑蓚€階段的處理，將其稱為工況1；另一條未經(jīng)任何處理的線路作為對比工況，稱為工況2，分別對2個工況現(xiàn)場進行跟蹤觀測，并對結果進行對比分析。兩條線路的運營參數(shù)為：列車采用A型鼓形列車6節(jié)編組，最高運行速度為80 km/h，車輛最大軸重為16 t；軌距為1 435 mm，最小半徑為350 m，軌底坡大小為1/40，所采用的是LM(車輛踏面)型車輛磨耗踏面，鋼軌型面為CHN60。工況1：所選試驗曲線段為嚴重磨耗鋼軌，需進行換軌處理，分別挑選換軌時間間隔接近的9個試驗段新軌，在下道后進行潤滑處理；工況2：所選試驗曲線段為新開通地鐵線路，未對試驗曲線段進行潤滑處理。

測試開始前，需檢測扣件的組裝精度及零部件的制造精度，判斷其是否滿足設計要求。對試驗段ZX-2型扣件和地下線壓縮型減振扣件進行節(jié)點靜剛度和動靜剛度比檢測；對試驗段扣件T型螺栓進行抗拉強度及疲勞強度檢測；對Ⅱ型彈條進行殘余變形和疲勞強度檢測；對預埋套管進行抗拉強度及疲勞強度等現(xiàn)場取樣檢測，最終得出了扣件螺栓、Ⅱ型彈條及預埋管套均滿足設計要求的結論，排除了潤滑劑以外其他因素的干擾。

在選取的試驗段中，4組對比曲線段的運營條件類似，即采用普通道床和ZX-2型扣件，試驗段曲線的半徑、超高和軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)對比如表1所示。其余5組對比試驗曲線段，在道床類型及扣件選擇時稍有差別。

表1 不同扣件類型的跟蹤試驗曲線參數(shù)表Tab.1 Parameters of tracking test curve of different fastener types

2 現(xiàn)場跟蹤觀測的磨耗發(fā)展規(guī)律

所選取的試驗曲線段半徑分別為350 m、400 m、450 m、600 m、650 m、1 000 m和1 200 m，在所選工況區(qū)段的直線、直緩、緩圓、曲中、圓緩、緩直段及各點之間共布置9個測點，測點位置分布如圖1所示。

在進行了長達10個月的長期現(xiàn)場跟蹤測量后，獲得了兩種工況下，18條曲線段的9個測量點的平均側磨值，如圖2所示。由圖2可知，由于所選工況的初始條件基本類似，試驗開始時，2個工況各曲線段的平均側磨量均為0.1～0.4 mm，9個測點的平均側磨值均為0.2～0.5 mm，磨耗增長量均為0.03～0.12 mm，平均側磨增長率分別約為6×10-3mm/月及8×10-3mm/月。與運營公司長期跟蹤所得的運營期間側磨發(fā)展規(guī)律對比可知，測量階段的側磨發(fā)展可認為在運營期間正常增長。

圖1 試驗測點分布位置Fig.1 Distribution of test measuring points

圖2 試驗工況下的平均側磨值Fig.2 Average value of side wear in test working conditions

文獻[12]的研究表明，地鐵小半徑曲線外軌側磨的發(fā)展可分為3個階段：階段Ⅰ，磨耗從軌距角部分開始產(chǎn)生并向軌頂與軌側擴展，尚未達到側磨位置處，該階段的側磨速率約為0；階段Ⅱ，開始出現(xiàn)側磨并呈線性發(fā)展，側磨達到9 mm左右進入階段Ⅲ；階段Ⅲ，側磨速率明顯提高，磨耗位置穩(wěn)定。當?shù)罔FA型列車在300 m小半徑曲線內以60 km/h的速度運行時，外軌側磨速率約為0.53 mm/月。

試驗期間, 經(jīng)過潤滑處理的鋼軌磨耗發(fā)展速率遠未達到文獻[12]的狀態(tài)，隨著后期跟蹤觀測發(fā)現(xiàn)，當發(fā)現(xiàn)磨耗速率線性發(fā)展、新增側磨值達到0.5～1.0 mm時，對鋼軌進行潤滑處理，可有效減少鋼軌側面的磨耗速率。

上述實測數(shù)據(jù)表明，在此試驗階段，鋼軌側磨的發(fā)展十分緩慢，輪軌接觸狀態(tài)還未到達側磨位置，此時有無進行潤滑處理對2個工況的側磨并無太大影響。

3 現(xiàn)場跟蹤觀測的剝離掉塊發(fā)展情況

3.1 剝離掉塊發(fā)展情況

潤滑階段后期，工況1曲線上股鋼軌出現(xiàn)大量剝離掉塊，隨著時間的增長，傷損范圍逐漸擴展且有繼續(xù)發(fā)展和惡化的趨勢。

工況1中的曲線4(半徑為1 200 m、圓曲線長為50 m、緩和曲線長為90 m)和曲線7(半徑為450 m、圓曲線長為147 m、緩和曲線長為140 m)的潤滑處理后期現(xiàn)場剝離掉塊如圖3所示。從圖3中可以看出，小半徑曲線段的剝離掉塊現(xiàn)象尤為嚴重(見圖3 b))，掉塊最大長度在20 mm以內，總體寬度在5 mm以內，深度為1～2 mm。其中, 剝離掉塊位置主要集中于緩和曲線段內，圓曲線段出現(xiàn)部分掉塊現(xiàn)象，并且掉塊的分布范圍與面積大小隨著半徑的增大而減小。軌距角區(qū)域掉塊分布尤為密集，軌頂區(qū)域呈零星分布狀態(tài)。

圖3 工況1的后期現(xiàn)場圖(潤滑處理階段)

類比于工況1，工況2的試驗曲線段上并未出現(xiàn)大面積的剝離掉塊現(xiàn)象，僅在其表面出現(xiàn)正常運營時產(chǎn)生的細微裂紋。工況2中的曲線1(半徑為350 m、圓曲線長為184 m、緩和曲線長為120 m)的后期現(xiàn)場圖如圖4所示?；诘?節(jié)的結論，此時所選取的兩種工況中，潤滑對側磨均無太大影響。為探究出現(xiàn)大面積掉塊現(xiàn)象的原因，對有無進行潤滑處理的剝離掉塊進行現(xiàn)場跟蹤觀測，過一段時間后，對兩種工況的后期鋼軌表面剝離掉塊現(xiàn)象進行統(tǒng)計與對比。停止?jié)櫥?，兩種工況的后期現(xiàn)場觀測圖如圖5和圖6所示。

圖4 工況2的后期現(xiàn)場圖(潤滑處理階段)

圖5 工況1的后期現(xiàn)場圖(停止?jié)櫥幚黼A段)

圖6 工況2的后期現(xiàn)場圖(停止?jié)櫥幚黼A段)

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，工況1中的鋼軌剝離掉塊新生率大大減少，根據(jù)現(xiàn)場實測獲得，試驗后期剝離掉塊最大長度在10 mm以內，深度明顯有所減小，部分曲線段觸摸有毛刺感，最大寬度降低至3 mm以內，分布范圍與面積大大降低，軌側掉塊嚴重區(qū)域其面積減小的速率要遠大于軌頂區(qū)域。試驗期間，工況1部分曲線段剝離掉塊隨時間的變換規(guī)律如表2所示。

表2 停止?jié)櫥幚砗蟮牟糠智€段剝離掉塊規(guī)律

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，對比于潤滑階段后期情況，工況2在停止?jié)櫥螅夗斆娉霈F(xiàn)了一些細微裂紋，其磨耗量明顯增加，但增長量在地鐵運營側磨增長量范圍內，屬于正?，F(xiàn)象。

3.2 原因分析

根據(jù)文獻[13]，潤滑處理可使輪軌間摩擦因數(shù)降低至0.1以下，輪軌磨損率可以降低85%以上。但正常情況下，可通過輪軌接觸磨去鋼軌表面的早期裂紋，潤滑處理雖然減小了軌頂與軌距角的磨耗，但也加速了早期微細裂紋的發(fā)展。此外，輪軌間存在的潤滑等介質會隨著輪軌接觸產(chǎn)生的應力進入表面裂紋內部，最終形成“油楔效應”(進入裂紋內部的液體潤滑劑在外部荷載作用下沿著鋼軌內部結構薄弱的方向發(fā)展)，再次加速疲勞裂紋發(fā)展。

試驗后期，鋼軌側磨速率快速發(fā)展，為了延緩側磨，可以選擇在此時對其采取潤滑處理[14]，此階段內輪軌接觸的仿真圖如圖7所示。

圖7 鋼軌側磨線性發(fā)展輪軌接觸圖

由圖7可知，在有一定磨耗的情況下，外軌的輪軌接觸斑位于軌面與軌側，對其軌側部分進行潤滑處理可以有效延緩鋼軌磨耗速率。倘若過早對鋼軌進行潤滑處理，在接觸斑軌距角區(qū)域，潤滑反而會加快剝離掉塊的形成。隨著后期的跟蹤觀測可以發(fā)現(xiàn)，當新增側磨值達到0.5～1.0 mm時進行潤滑處理，可以有效減少鋼軌側面的磨耗速率。潤滑處理后，鋼軌間摩擦因數(shù)變小，側磨速率下降到一定的標準，但此時小半徑曲線鋼軌間存在的疲勞裂紋問題再次出現(xiàn)，因此應暫停潤滑處理，并通過輪軌間接觸磨耗來消滅鋼軌表面新生的微細裂紋，從而避免剝離掉塊的產(chǎn)生。

4 結語

本文通過對運營條件相似的兩條地鐵線路分別實行兩個跟蹤主題的長期現(xiàn)場觀測，分析有無潤滑處理對鋼軌側磨以及剝離掉塊的影響，其主要結論如下：

1) 在小半徑曲線外軌側磨未進入線性發(fā)展階段前，潤滑處理對鋼軌側磨速率的影響很小，其影響主要在軌距角及軌頂位置的磨耗。此時，對其進行潤滑處理、降低輪軌間的摩擦因數(shù)，會使得鋼軌表面本應隨著輪軌接觸而磨損的早期裂紋得以繼續(xù)發(fā)展，當潤滑劑進入表面裂紋內部，反而會造成“油楔效應”，進而加速疲勞裂紋的發(fā)展，最終形成大面積的剝離掉塊。

2) 根據(jù)現(xiàn)階段兩組典型觀測曲線段的研究結果可知，在輪軌接觸未達到側磨位置時，曲線上股鋼軌無潤滑必要。

3) 進行潤滑的最優(yōu)時機為鋼軌開始出現(xiàn)側磨時, 當軌頂與軌距角再次出現(xiàn)裂紋時，應立即停止?jié)櫥幚恚撥壭律膫饶チ窟_到一定范圍，即0.5～1.0 mm，再對其進行潤滑處理，以在減少鋼軌剝離掉塊現(xiàn)象的同時延緩鋼軌的側磨速率。