葛晶 王猛 王鐘苑 劉高巖

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司，北京 100081

根據(jù)2022 年我國18 個(gè)鐵路局道岔統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，道岔鋪設(shè)數(shù)量約20.8 萬組。結(jié)合道岔型號(hào)按道岔全長計(jì)算，國內(nèi)道岔鋪設(shè)里程約0.72 萬km，占線路總里程的5.2%。根據(jù)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修情況，道岔區(qū)的養(yǎng)護(hù)維修工作量約占工務(wù)全部工作量的50%?？梢姡啦韰^(qū)軌件的使用狀態(tài)和壽命直接決定著養(yǎng)護(hù)維修的工作量［1-2］。目前道岔軌件磨耗情況分析主要沿用區(qū)間線路常用的鋼軌垂直磨耗和側(cè)面磨耗［3］，該分析指標(biāo)用于評(píng)價(jià)道岔軌件時(shí)不能全面反映磨耗情況，有局限性。因此，本文提出了一種軌頭磨耗統(tǒng)計(jì)的新方法。

1 道岔軌件磨耗特點(diǎn)

1.1 軌件結(jié)構(gòu)的特殊性

道岔由轉(zhuǎn)轍器、導(dǎo)曲線和轍叉三個(gè)區(qū)域組成。為了實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)列車沿不同方向前進(jìn)的功能，轉(zhuǎn)轍器與轍叉區(qū)域使用的軌件結(jié)構(gòu)多為非標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌或由標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌加工而成。轉(zhuǎn)轍器區(qū)域的主要軌件結(jié)構(gòu)包含直基本軌、曲基本軌、直尖軌和曲尖軌，其中基本軌一般由標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌刨切彎折而成，尖軌由非對(duì)稱斷面的AT 鋼軌刨切彎折而成。轍叉區(qū)域?yàn)榭蓜?dòng)心軌轍叉時(shí)，其主要軌件包含長心軌、短心軌、叉跟軌等，其中部分長心軌采用非對(duì)稱斷面的TY 鋼軌，短心軌和叉跟軌一般采用標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌，這些軌件均經(jīng)過刨切彎折加工而成。轍叉區(qū)域?yàn)楣潭ㄐ娃H叉時(shí)，其主要軌件包含心軌、翼軌等聯(lián)結(jié)而成的組裝結(jié)構(gòu)，由于存在有害區(qū)域，其軌件傷損及磨耗情況嚴(yán)重。此外，我國同一型號(hào)道岔可能采用不同的道岔線型［4］，設(shè)計(jì)出不同道岔圖紙，道岔軌件結(jié)構(gòu)與尺寸也有明顯區(qū)別［5］。

1.2 軌件磨耗的影響因素

輪軌磨耗的主要影響因素為輪軌接觸應(yīng)力、輪軌接觸幾何關(guān)系、材質(zhì)硬度［6-9］。區(qū)間線路除接頭位置、橋隧路基等過渡段外，同一區(qū)間內(nèi)各影響因素相差不大。但是對(duì)于道岔區(qū)，各因素會(huì)隨著道岔平面線形、軌件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軌下基礎(chǔ)狀態(tài)、部件材質(zhì)、制造圖紙等不同而有明顯不同。

1.3 既有軌件磨耗分析方法

目前，鐵路道岔維修規(guī)范依據(jù)道岔軌件不同分別規(guī)定了鋼軌件的垂直磨耗、側(cè)面磨耗及總磨耗的允許限度，垂直磨耗和側(cè)面磨耗是按照磨耗測量位置定義的，總磨耗為垂直磨耗與側(cè)面磨耗的和的一半。測量得到的垂直磨耗和側(cè)面磨耗結(jié)果僅反映軌頭某點(diǎn)的情況，具有片面性。隨著計(jì)算機(jī)檢測技術(shù)發(fā)展，軌頭廓形檢測已經(jīng)成為常規(guī)的檢測手段，若僅從垂直磨耗和側(cè)面磨耗角度提取出單點(diǎn)信息，則其他反映輪軌接觸幾何關(guān)系的軌頭廓形數(shù)據(jù)成了無用信息，不利于軌件磨耗情況的統(tǒng)計(jì)。

2 徑向磨耗的定義及計(jì)算

鋼軌廓形檢測分為接觸式測量和非接觸式測量兩類。常見的測量系統(tǒng)如MINIPROF輪軌輪廓測量系統(tǒng)和瑞士OPTIMESS 奧特邁斯數(shù)字激光測試系統(tǒng)，可以采集到整個(gè)鋼軌軌頭坐標(biāo)，逐漸成為鋼軌廓形檢測的發(fā)展方向。

2.1 徑向磨耗的定義

鋼軌輪廓檢測手段的進(jìn)步，意味著可以提取出一些新指標(biāo)。鋼軌磨耗一般參照Archard 模型［10］進(jìn)行計(jì)算，即W=ksP/H。其中：W為磨耗體積，m3；k為磨耗系數(shù)；s為滑動(dòng)距離，m；P為法向力，N；H為材料硬度，N/m2。由計(jì)算式可知，磨耗體積與法向力正相關(guān)。因此，本文提出與法向力相關(guān)的徑向磨耗的概念。

徑向磨耗，即計(jì)算沿著鋼軌軌頭設(shè)計(jì)廓形表面輪廓的法向磨耗。分別以尖軌基本軌和轍叉為例說明徑向磨耗的計(jì)算方法。建立尖軌基本軌和轍叉徑向磨耗的坐標(biāo)系，見圖1。其中，尖軌基本軌徑向磨耗坐標(biāo)系中以尖軌軌距測量點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，轍叉徑向磨耗坐標(biāo)系中以直向行車方向上心軌軌距測量點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；沿鋼軌截面的軌頭設(shè)計(jì)廓形徑向?yàn)閤軸，法向?yàn)閥軸；徑向磨耗為鋼軌設(shè)計(jì)廓形與實(shí)測輪廓沿y軸的距離，即圖中陰影部分。

圖1 徑向磨耗坐標(biāo)系（單位：mm）

2.2 徑向磨耗的計(jì)算及徑向磨耗圖

徑向磨耗計(jì)算應(yīng)在已知軌件初始廓形的基礎(chǔ)上開展。以曲尖軌與直基本軌、轍叉的廓形為例，計(jì)算其徑向磨耗，并將計(jì)算結(jié)果繪制成徑向磨耗二維圖，直觀反映鋼軌磨耗大小，并準(zhǔn)確定位磨耗位置。

2.2.1 曲尖軌與直基本軌

根據(jù)圖1（a）計(jì)算曲尖軌與直基本軌的徑向磨耗，結(jié)果見圖2?？芍涸撥夘^寬25 mm 的曲尖軌最大磨耗不足4 mm；最大磨耗發(fā)生的位置貼近坐標(biāo)原點(diǎn)，表明磨耗表現(xiàn)形式主要是側(cè)面磨耗；徑向磨耗出現(xiàn)負(fù)值是因?yàn)殇撥壾夘^發(fā)生了金屬塑性流動(dòng)，須要進(jìn)行打磨；曲線與橫坐標(biāo)之間的面積即為磨耗面積。

圖2 曲尖軌與直基本軌徑向磨耗

道岔曲尖軌的磨耗情況與使用條件密切相關(guān)，列車逆向過岔的曲尖軌磨耗斷面主要集中在尖軌軌頭寬20 mm 斷面之后的位置，而列車順向過岔的曲尖軌磨耗斷面主要集中在尖軌尖端。計(jì)算兩種工況下曲尖軌不同斷面的徑向磨耗，見圖3?？芍毫熊嚹嫦蜻^岔工況下，曲尖軌軌頭寬35 mm 斷面徑向磨耗最大；列車順向過岔工況下，曲尖軌軌頭寬5 mm 斷面徑向磨耗最大；這兩個(gè)斷面磨耗面積相差不大。此外，依據(jù)各斷面位置，線性插值得到曲尖軌徑向磨耗體積，即是列車過曲尖軌的磨耗體積；軌件磨耗體積與列車作用于軌道的能量息息相關(guān)。

圖3 列車順向和逆向過岔工況下曲尖軌不同斷面徑向磨耗

2.2.2 轍叉心軌與翼軌輪軌力過渡區(qū)域

根據(jù)圖1（b）計(jì)算轍叉心軌與翼軌的徑向磨耗，結(jié)果見圖4。可知：該轍叉右翼軌最大徑向磨耗約為9.0 mm，其位置偏離翼軌工作邊，表明磨耗表現(xiàn)形式主要是垂直磨耗；心軌最大徑向磨耗約為4.5 mm，其位置偏離心軌工作邊，表明磨耗表現(xiàn)形式主要是垂直磨耗；左翼軌最大徑向磨耗約為4.0 mm，位于翼軌工作邊，表明磨耗表現(xiàn)形式主要是側(cè)面磨耗；右翼軌磨耗面積明顯大于心軌，從輪軌磨耗的影響因素方面進(jìn)行分析，由于兩組軌件材質(zhì)相同，因此翼軌承受的輪軌接觸應(yīng)力較大。

圖4 轍叉徑向磨耗

綜上，徑向磨耗圖能直觀表現(xiàn)磨耗情況，為利用廓形測試數(shù)據(jù)分析軌件使用情況提供分析手段。

3 應(yīng)用舉例

3.1 曲尖軌

曲尖軌在使用過程中不斷被車輪磨耗，承載能力被削弱，最終形成掉塊，影響行車安全。采用有限元靜力學(xué)方法計(jì)算磨耗曲尖軌的最大等效應(yīng)力，分析其承載能力。圖5 為某下道曲尖軌，其連續(xù)掉塊長度為300 mm，深度為3～ 5 mm。

圖5 下道曲尖軌及其磨耗后測試?yán)?/p>

輪軌間壓力、列車行進(jìn)方向、輪軌間摩擦因數(shù)、接觸廓形等都直接決定了軌件的磨耗形狀。各參數(shù)受線路養(yǎng)護(hù)維修狀態(tài)、車體和軌道彈性、行車速度、磨耗車輪型面、輪軌潤滑狀態(tài)等條件影響，甚至下雨等天氣變化也會(huì)改變軌件磨耗后的形態(tài)。因此，預(yù)測軌件的磨耗是個(gè)極其復(fù)雜的過程。

從工程應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，可根據(jù)不同線路下道曲尖軌的磨耗廓形測試結(jié)果來進(jìn)行軌件磨耗趨勢(shì)的預(yù)測。采集某一線路多根下道曲尖軌多個(gè)位置斷面的磨耗廓形數(shù)據(jù)，并將接觸車輪的曲尖軌按照軌件工作邊重合進(jìn)行繪制，見圖6?？芍?，不同的下道曲尖軌各位置的工作邊因磨耗而形成的廓形基本相同（黑虛線）。由此可大致推斷出曲尖軌下道前的尖軌軌頭磨耗廓形。

圖6 曲尖軌多斷面磨耗廓形比對(duì)（單位：mm）

根據(jù)廓形趨勢(shì)預(yù)測結(jié)果，可繪制曲尖軌磨耗到某一限值時(shí)的徑向磨耗圖。以軌頭寬5 mm 斷面為例，若該斷面?zhèn)让婺ズ?.5 mm 時(shí)曲尖軌須要下道，那么分別繪制曲尖軌磨耗到限值和現(xiàn)場實(shí)測廓形的徑向磨耗圖，見圖7。圖7可直觀反映在役曲尖軌某斷面的磨耗情況，判斷磨耗是否超過限值。此外，徑向磨耗曲線與橫坐標(biāo)之間的面積也表明了尖軌磨耗導(dǎo)致的材料損失。積累大量的尖軌下道數(shù)據(jù)后，即可實(shí)現(xiàn)依據(jù)尖軌以往的磨耗速率，大致推斷出在役曲尖軌磨耗到限值而須要下道的時(shí)間。

圖7 曲尖軌5 mm斷面徑向磨耗圖

3.2 直尖軌

在實(shí)際使用中，由于直尖軌與車輪之間的摩擦、養(yǎng)路機(jī)械打磨而改變其軌頂廓形，廓形改變導(dǎo)致輪軌接觸點(diǎn)位置發(fā)生轉(zhuǎn)移。以直尖軌頂寬40 mm 斷面為例，將兩組道岔直尖軌的實(shí)測廓形進(jìn)行對(duì)比。通過動(dòng)力學(xué)分析，比較其輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布情況，見圖8?？芍豪?的直尖軌對(duì)應(yīng)輪軌接觸點(diǎn)分布較為分散；廓形2 的直尖軌對(duì)應(yīng)輪軌接觸點(diǎn)分布比較集中，輪軌接觸點(diǎn)基本都位于直尖軌靠近非工作邊的軌頂位置。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研情況可知，當(dāng)輪軌接觸點(diǎn)位置更靠近直尖軌非工作邊時(shí)易形成裂紋［11］，影響行車安全。使用過程中應(yīng)盡量避免直尖軌出現(xiàn)廓形2所示接觸情況。

圖8 直尖軌頂寬40 mm斷面輪軌接觸點(diǎn)對(duì)分布

繪制直尖軌廓形1 和廓形2 的徑向磨耗圖，見圖9?？芍豪? 的整個(gè)軌頭均有磨耗；廓形2 的磨耗主要發(fā)生在軌頭圓弧位置處，軌頂磨耗較少，導(dǎo)致輪軌接觸點(diǎn)更靠近非工作邊。在道岔實(shí)際應(yīng)用過程中，直尖軌若出現(xiàn)與廓形2類似的徑向磨耗圖時(shí)，可通過打磨直尖軌軌頂，避免接觸狀態(tài)不良導(dǎo)致的裂紋。

圖9 直尖軌徑向磨耗圖

4 結(jié)語

本文提出了一種計(jì)算道岔軌件磨耗的新指標(biāo)：徑向磨耗，即計(jì)算沿著鋼軌軌頭設(shè)計(jì)廓形表面輪廓法向方向上的磨耗。

徑向磨耗能更全面地反映某一截面軌頭各個(gè)位置點(diǎn)的磨耗情況，解決軌件磨耗測試結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用情況無法直觀建立聯(lián)系的問題。例如，通過曲尖軌的徑向磨耗圖，結(jié)合尖軌以往的磨耗速率，可大致推斷出在役曲尖軌的下道時(shí)間；直尖軌的徑向磨耗圖與動(dòng)力學(xué)分析研究結(jié)果相結(jié)合，可指導(dǎo)現(xiàn)場打磨，避免問題廓形的出現(xiàn)。繪制徑向磨耗圖評(píng)價(jià)軌件使用情況，將以往由個(gè)別專家通過數(shù)據(jù)分析才能得到的軌件使用情況，通過徑向磨耗圖直觀地反映出來，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修。