作者單位：中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，西安71005

作者簡(jiǎn)介：王省元，男，工程師。

摘要：某山區(qū)鐵路的高坡區(qū)段達(dá)30‰的坡度，存在線路坡度大、曲線半徑小、鋼軌磨耗速率快、病害發(fā)展迅速等問題，造成側(cè)磨軌維修周期較短，人工和材料費(fèi)用投入較大。為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)了鋼軌廓形打磨方案，通過打磨對(duì)該線路鋼軌廓形進(jìn)行修正，使輪軌接觸關(guān)系改善，鋼軌的GQI值提升，減少了鋼軌表面的磨耗和魚鱗紋，實(shí)現(xiàn)了預(yù)防和延緩疲勞傷損的發(fā)展，有效降低了鋼軌磨耗速率，延長(zhǎng)了鋼軌使用壽命和維修周期。

關(guān)鍵詞：小半徑曲線；鋼軌廓形打磨；疲勞傷損；磨耗速率

1引言

我國(guó)鐵路的提速增量，使鋼軌面臨更大的考驗(yàn)。鋼軌疲勞傷損、磨耗速率加快都會(huì)影響鋼軌使用壽命，因此鋼軌病害受到越來越多的關(guān)注。近些年，鋼軌廓形打磨技術(shù)開始使用并逐漸推廣，已經(jīng)成為線路修理工作的重要內(nèi)容，是鋼軌病害預(yù)防和治理的有效手段之一。王軍平［1］通過鋼軌廓形打磨對(duì)成渝鐵路開展輪軌接觸關(guān)系分析，對(duì)車輛輪軌間作用力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明鋼軌廓形打磨后可有效改善輪軌接觸關(guān)系，改善鋼軌受力狀態(tài)。劉永乾等［2］對(duì)國(guó)內(nèi)某重載鐵路小半徑曲線進(jìn)行廓形打磨后，利用Burstow鋼軌傷損函數(shù)模型對(duì)小半徑曲線軌面裂紋萌生情況進(jìn)行分析，并開展持續(xù)觀測(cè)，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合，結(jié)果表明鋼軌廓形打磨可預(yù)防和延緩接觸疲勞、磨耗等鋼軌病害的產(chǎn)生，修復(fù)或減輕軌面病害，降低鋼軌折斷的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命和維修周期。

本文在某山區(qū)鐵路高坡區(qū)段選取實(shí)驗(yàn)曲線，利用鋼軌廓形打磨技術(shù)修正鋼軌廓形后，分析鋼軌打磨對(duì)輪軌接觸關(guān)系的影響，以及打磨后鋼軌疲勞傷損和磨耗的變化情況。

2線路情況

該山區(qū)鐵路高坡區(qū)段是國(guó)內(nèi)坡度最大的鐵路線，該區(qū)段里程為K7+400～K44+300，延展長(zhǎng)36.9 km，最大坡度30‰，其中20‰及以上坡度延展長(zhǎng)為26.68 km。曲線58條，延展長(zhǎng)21.4 km；其中半徑R≤300 m曲線37條，延展長(zhǎng)15.6 km。該區(qū)段線路坡度大，曲線半徑小，鋼軌磨耗速率快，鋼軌?mèng)~鱗紋、掉塊、波浪形磨耗等病害發(fā)展迅速，更換鋼軌周期短，人工和材料費(fèi)用投入較大。通過鋼軌打磨，曲線上股側(cè)面磨耗（以下簡(jiǎn)稱側(cè)磨）速率降低36.4%，曲線下股磨耗速率降低17.5%，鋼軌使用壽命得到延長(zhǎng)。同時(shí)鋼軌磨耗速率和疲勞發(fā)展速率得到平衡，鋼軌表面狀態(tài)得到改善。

3打磨方案設(shè)計(jì)

該山區(qū)高坡區(qū)段鋼軌為2020年及2021年更換的60N鋼軌，于2022年6月采集了該山區(qū)鐵路高坡區(qū)段內(nèi)所有曲線（共計(jì)58條）鋼軌廓形。其中半徑R≤300 m曲線37條，鋼軌廓形如圖1所示，圖中紅色廓形為實(shí)測(cè)廓形，藍(lán)色廓形為標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌廓形。從采集的廓形可以發(fā)現(xiàn)，部分曲線上股已經(jīng)存在側(cè)磨，側(cè)磨最大2.456 mm，曲線下股均有不同程度的馬鞍形磨耗。

為總結(jié)曲線磨耗加劇和產(chǎn)生疲勞傷損的原因，采用K32+560～K34+070曲線上K33+325處鋼軌廓形與實(shí)測(cè)車輪廓形進(jìn)行輪軌關(guān)系分析，如圖2所示。經(jīng)對(duì)比分析，K33+325處曲線上股主要輪軌接觸位置在軌頂和軌側(cè)，存在明顯的兩點(diǎn)接觸。曲線下股接觸點(diǎn)集中。曲線K33+325處存在明顯的輪軌關(guān)系不良問題。

磨耗和疲勞傷損是普速鐵路小半徑曲線最常見的病害，而輪軌接觸時(shí)作用于鋼軌表面的輪軌蠕滑力是導(dǎo)致鋼軌磨耗，進(jìn)而產(chǎn)生塑性變形、裂紋和掉塊等滾動(dòng)接觸疲勞的主要原因。因而小半徑曲線的目標(biāo)廓形設(shè)計(jì)主要基于輪軌蠕滑最小化原則，通過輪軌耦合接觸模型結(jié)合線路及其運(yùn)行車輛踏面情況仿真計(jì)算出適用于該線路的設(shè)計(jì)廓形。

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌廓形和車輪踏面的調(diào)查與分析，建立對(duì)應(yīng)的鋼軌打磨廓形數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)實(shí)際線路條件建立輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過分析和比選鋼軌打磨廓形數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一種鋼軌廓形，從而得到適合該山區(qū)線路的鋼軌打磨目標(biāo)廓形，如圖3所示。

根據(jù)鋼軌廓形和鋼軌表面病害情況打磨4～8遍，以達(dá)到消除鋼軌表面病害及修正鋼軌廓形的目的。

4整治效果

4.1鋼軌GQI值的提升情況

某山區(qū)線路高坡區(qū)段內(nèi)37條R≤300 m曲線打磨前、后鋼軌GQI值如圖4所示。圖4（a）中，曲線上股打磨前鋼軌GQI平均值為74.4分，打磨后鋼軌GQI平均值為92.5分，較打磨前提高了24.3%。圖4（b）中，曲線下股打磨前GQI平均值為39.8分，鋼軌廓形與設(shè)計(jì)廓形存在明顯的差異，打磨后鋼軌GQI平均值為81.5分，較打磨前提升了104.8%。打磨前、后GQI指標(biāo)提升情況如圖5所示。

4.2打磨前、后鋼軌表面對(duì)比

圖6為單行K20+764曲線（R=300 m）上股打磨前后鋼軌表面狀態(tài)變化情況。打磨前曲線上股鋼軌軌距角處存在較深魚鱗紋，部分魚鱗紋已形成輕微剝離掉塊，2022年10月26日打磨后軌距角處魚鱗紋基本消除。

圖7為單行K20+764曲線（R=300 m）下股打磨前后鋼軌表面狀態(tài)變化情況。打磨前曲線

下股軌頂存在剝離掉塊。2022年10月26日打磨后，軌頂剝離掉塊未能完全消除。

4.3打磨前、后鋼軌廓形對(duì)比

圖8為2022年6月—2023年6月，觀測(cè)點(diǎn)K20+764曲線（R=300 m）上股鋼軌打磨前、后廓形變化情況。打磨前存在輕微側(cè)磨，且出現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，垂直磨耗（以下簡(jiǎn)稱垂磨）無明顯變化。打磨后1個(gè)月鋼軌廓形無明顯變化，側(cè)磨和垂磨均無明顯增加。打磨后8個(gè)月鋼軌廓形磨耗明顯增加。

與標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌廓形相比，K20+764曲線（R=300 m）上股觀測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間的鋼軌磨耗情況見表1。通過計(jì)算得出打磨前、后曲線上股垂磨速率均為0.05 mm/月左右，打磨前、后垂磨速率變化較小。打磨后1個(gè)月曲線上股側(cè)磨速率由打磨前0.131 mm/月降低至0.061 mm/月，降低了53.8%。打磨后8個(gè)月側(cè)磨速率增加至0.092 mm/月，較打磨后1個(gè)月磨耗速率有所增加。

圖9為2022年6月—2023年6月，觀測(cè)點(diǎn)K20+764曲線（R=300 m）下股的打磨前、后鋼軌廓形變化情況。

與標(biāo)準(zhǔn)60N鋼軌廓形相比，K20+764曲線（R=300 m）下股觀測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)間的鋼軌磨耗情況見表2。根據(jù)計(jì)算得出打磨前、后曲線下股垂磨速率由0.063 mm/月降低至0.041 mm/月，降低了34.9%。打磨后8個(gè)月垂磨速率為0.057 mm/月，磨耗速率較打磨后1個(gè)月明顯增加。

經(jīng)過鋼軌打磨后，K20+764曲線上股側(cè)磨速率和曲線下股垂磨速率均減小。鋼軌使用壽命得到有效延長(zhǎng)。打磨后8個(gè)月曲線下股磨耗速率接近打磨前磨耗速率，如圖10所示。

4.4打磨前、后鋼軌表面魚鱗紋對(duì)比

圖11為單行K20+764曲線（R=300 m）上股打磨前、后鋼軌表面變化情況。打磨前曲線上股軌距角處存在較深魚鱗紋，部分魚鱗紋已形成輕微剝離掉塊。打磨后軌距角處魚鱗紋基本消除。打磨后8個(gè)月曲線上股軌距角處出現(xiàn)魚鱗紋，軌頂存在疲勞傷損。

圖12為單行K20+764曲線（R=300 m）下股打磨前、后鋼軌表面狀態(tài)變化情況。打磨前曲線下股軌頂存在剝離掉塊。打磨后，軌頂處存在輕微疲勞傷損，未見剝離掉塊。打磨后8個(gè)月曲線下股軌頂存在輕微麻點(diǎn)，未見疲勞傷損。

5結(jié)語

通過鋼軌打磨改善山區(qū)線路高坡區(qū)段小半徑曲線輪軌接觸關(guān)系后，鋼軌磨耗速率降低、病害發(fā)展速率減緩。

（1）通過鋼軌打磨修正廓形后，使得曲線上股由兩點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)為一點(diǎn)貼合式接觸，曲線下股接觸點(diǎn)也均勻分布在軌頂。曲線上股側(cè)磨磨耗速率降低36.4%，曲線下股磨耗速率降低17.5%。鋼軌使用壽命得到延長(zhǎng)。

（2）通過鋼軌打磨后，輪軌關(guān)系得到改善，鋼軌磨耗速率和疲勞發(fā)展速率得到平衡，鋼軌表面狀態(tài)保持良好。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王軍平.廓形打磨對(duì)小半徑曲線鋼軌受力狀態(tài)的影響［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2022，50（10）：3440.

［2］ 劉永乾，任尊松，吳瀟，等. 鋼軌打磨對(duì)小半徑曲線鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)， 2023， 45（8）： 110117.