小半径曲线钢轨磨耗分析和整治措施.doc

小半径曲线钢轨磨耗分析及整治措施 小半径曲线的换轨周期，主要由上股钢轨的侧面磨耗和波形磨耗来控制。我国铁路行业小半径曲线上的钢轨有98％是由于侧面磨耗超限而报废的。对于小半径曲线上的钢轨而言，轮轨的磨耗和损伤十分严重，具体表现在曲线上股钢轨侧磨加剧，导致几何形状发生改变，有效截面减小，影响运营安全。因此，必须在钢轨磨损达到一定限度时就更换钢轨，以保证列车的运营安全。严重的钢轨侧面磨耗减少了钢轨的强度，加剧了钢轨的伤损，缩短了钢轨的使用寿命，不仅浪费大量的资金，而且还干扰运营任务的完成。因此，延长钢轨使用寿命对解决轨道交通因钢轨磨耗而出现报废的问题具有积极意义。 1 曲线钢轨磨损机理 钢轨磨耗主要有垂直磨耗、侧面磨耗、鞍型磨耗和波形磨耗（简称波磨）等。其中影响最大的是钢轨的侧面磨耗和波形磨耗，下面就这两种磨耗机理进行简单阐述。 1.1 波磨机理 波形磨耗是指。2～7mm深的塑性区，并且在纵向负蠕滑率作用下，塑性区向上向前产生碾压变形基础单波，同时踏面经过不均匀磨耗和压宽，由单波发展成多波，从而导致波形磨损的发生和发展。在轮轨系统中，影响钢轨波磨形成的 因素很多，大致分为两类：一是轮对的扭转粘滑振动的强度，它决定了是否会形成钢轨波磨；二是在车辆运行条件下，钢轨波磨是否会进一步发展，是加速还是减缓波磨的发展，则取决于轨道弹性和阻尼、机车车辆及其走形部构造特性、曲线半径、轮轨间粘着系数及轮轨蠕滑力特性曲线、轨道不平顺等因素(见图1)。 图１　波磨示意图 1.2 侧磨机理 钢轨侧磨发生在小半径曲线的外股钢轨上，是目前曲线上伤损的主要类型之一。列车在曲线上运行时，轮轨的摩擦与滑动是造成外轨侧磨的根本原因。当机车车辆在直线轨道上运行时，一般轮轨间仅为一点接触，但列车通过小半径曲线时，外轮缘与外轨的轨距线相互贴靠，产生两点接触现象，并在该点上产生钢轨对车轮的导向力。与此同时，轮轨接触点上的轮对运行方向与轨距线的切线方向形成一个冲角α，轮缘将缘着切线方向对轨头边缘不断削磨，产生侧磨。侧磨的大小可用导向力与冲角的乘积即磨耗因子来表示。因此，导向力和冲角是决定钢轨侧磨大小的两个主要因素。疲劳裂纹图、钢轨外轨磨耗示意图分别如图2、图3所示。 图2 滚动接触疲劳裂纹 图3 钢轨外轨磨耗示意图 2 曲线钢轨磨耗的影响因素分析 曲线钢轨磨耗的影响因素存在于轨道和机车两个方面。从轨道方面而言，影响因素有：曲线半径、外轨超高、曲线轨距加宽，轮轨间的摩擦系数、轮轨游间以及曲线状态的好坏等；从机车方面而言，影响因素有：机车的类型、轴重、机车转向架构造、机车牵引性能以及行车速度。 2.1 轨道参数对钢轨磨耗的影响 2.1.1 曲线半径大小的影响 钢轨曲线段车轮与钢轨相互作用产生对列出轮对的导向作用，车轮与钢轨产生相互间的粘着、蠕滑，轮轨的磨耗和损伤十分严重。而且半径越小，钢轨磨耗越严重。表1列出了某地铁线路小曲线半径处的钢轨磨耗实测数据。 表1 小曲线半径对磨耗影响表 2.1.2 轨距 如图4所示：δ=(DA-DB)/(4n) S =δ+ q (n为踏面斜率；D为滚动圆直径) 如果轨距变大，则游间δ增大（轮轨游差(见图4)。 图4 两车轮滚动半径 2.1.3 超高 由于超高影响导向力和冲角的变化，因而直接影响钢轨轨头侧磨速率的大小。经过对欠超高与过超高对曲线钢轨侧磨的影响的大量观测试验表明，有着适当的欠超高对减缓钢轨侧磨是有利的。 表2 超高对侧磨影响表 北京铁路局与北方交大合作也曾对此进行长期研究，并在石家庄至太原铁路线小半径曲线地段建立了实验观测段。如表2所示，试验段实测的列车平均速度为v=78km/h，曲线半径R=600m。按传统的超高公式计算的平衡超高为h=120mm。实测侧磨量数据表明，在平衡超高时钢轨侧磨量最大，试验同时也表明在小于平衡超高时钢轨侧磨量最小，得到了与其上相同的结论。各方专家研究表明，按平均速度算得的超高减少15%来设置曲线超高是比较合理的。 2.1.4 轨底坡 对轮轨接触几何关系的研究表明，轮轨接触角不同时，轮对中心将偏离轨道中心线以不同的滚动半径运行。加大内轨轨底坡，减缓外轨轨底坡，可加大内外轮滚动半径差，减小车轮在外轨上的滚动距离，从而达到减缓侧磨的目的。石太线对R=300m的两曲线改变轨底坡后，月均侧磨实测数据如表3所示。分析结果表明，曲线内轨轨底坡加大，曲线外轨轨底坡减小，将会减少轮对通过曲线时的轮轨滑动量，进而有利于减缓曲线钢轨磨损。 表3 轨底坡对侧磨影响表 2.1.5 曲线圆顺度 曲线钢轨不均匀侧磨的形成与曲线的圆顺度有关系。曲线不圆顺