钢轨保护技术理论探讨

钢轨保护技术理论探讨

将从轮轨相互作用的角度阐述导致钢轨的伤损与失效的原因及其机理，从理论和实践经验上论证如何防止或减弱这些原因的形成，进而提出一整套钢轨保护技术。这种钢轨保护技术是延长钢轨寿命和预防重大事故的最有效，最经济的方法。结合在大秦运煤专线上运用这套保护技术的初步试验结果，进一步验证它的有效性。

标签：钢轨；保护技术；蠕滑

1 钢轨的主要破坏形式

由于车轮在极大的载荷下滚动在钢轨上，磨损往往是不可避免的。上股道钢轨的磨损主要发生在内侧。下股道和直线上的钢轨的磨损发生在顶部。

疲劳破坏是轮轨另一种最主要的破坏形式，也是更换轨道的主要原因之一。其微观结构有以下特点：

（1）在金属表面层出现明显的塑性流动。

（2）在塑性流动的流线上，形成初始裂纹。初始裂纹的方向与流线方向相同。

（3）初始裂纹可能发生在表面，也可能在表层以下生成。

（4）裂纹在深层（塑性流动层以下）无规则扩展，呈树枝状。

（5）相邻的裂纹有可能连接在一起，形成疲劳剥落。

根据断裂理论，疲劳破坏的形成过程中一定存在生成初始裂纹和裂纹扩展两个阶段，当裂纹扩展到一定阶段后，才会产生钢轨断裂。如果没有初始裂纹的生成，就没有裂纹的扩展，也就没有钢轨断裂。因而，控制初始裂纹的产生与扩展，是钢轨保护技术的关键。

我们注意到裂纹的产生主要发生在弯道的钢轨上。而在直线上，裂纹和剥离掉块则很少发生。在直线和弯道上钢轨承受的垂向载荷可以认为是一样的。因此，造就裂纹的原因不完全在垂向载荷上。直线和弯道上钢轨受力状况的最大区别在于表面切向力的是否存在。而切向力的产生是由于轮轨表面的相对滑动而引起的。在直线上，车轮在钢轨上近乎纯滚动，几乎没有滑动，或只存在微小的微观滑动。因而，在轮轨接触表面的切向力或者没有，或者很小。而在弯道上，实践证明轮轨之间一定会产生相对滑动和极大的切向力。这种相对滑动和切向力就是所谓的蠕滑和蠕滑力。

2 蠕滑的产生机理

轮轨蠕滑的产生有两个原因。第一个原因是在接触点上的滚动半径差，它可以生成轮轨的纵向蠕滑，第二是轮轨接触冲角，它可以导致轮轨的横向蠕滑。

由于车轮是刚性的，左右轮的转动速度永远是相同的。在左右两轨上各有一个接触点。在接触点上，左右车轮的滚动半径分别为r1 和r2。如果r1 和r2相等，在左右车轮接触点上的线速度相同。如果r1 和r2不等，那么，左右车轮接触点上的线速度也不等，半径大的车轮线速度高，且高于车辆的行走速度；半径小的车轮速度低，而且低于车辆的行走速度。这样，在大半径的车轮上，形成了一个正向的车轮对钢轨的相对滑动。同样，在小半径的车轮上，形成了一个负向相对滑动。当轮对向左移动时，左轮的滚动半径大于右轮的滚动半径，在左轮上形成正向蠕滑，而在右轮上形成负向蠕滑。反之，当轮对向右移动时，在左轮上形成负向蠕滑，而在右轮上形成正向蠕滑。由于在左右轮上的蠕滑而产生的蠕滑力在轮对上形成了一个转向力矩。这个力矩使车轮在直线线路上稳定于沿直线行驶，在弯道上帮助转向架转向。因此，这个转向力矩对于车辆行走是有益处的。然而，对钢轨有害的在钢轨接触部位的蠕滑也随之产生了。

滚动半径差与蠕滑的轮轨接触还可能产生在同一个车轮上。当轮轨存在两点接触时，就必然存在滚动半径差，从而就必然会导致轮轨蠕滑，而且在两个接触点上的蠕滑力的方向是相反的。这种蠕滑不仅会增大磨损，加速疲劳破坏，而且减弱了转向架上的转向力矩。因而，理想的轮轨接触应该是贴合式的一点接触，这样就不会在同一轮上产生滚动半径差。但是，任何一处的钢轨每天都要和成千上万廓形各不相同的车轮相接触，理想的轮轨一点接触是不现实的。因此，现实而又近乎理想的轮轨接触应该是贴合式的两点接触。所谓贴合是由轮轨两点接触之间的最大缝隙厚度来评估的。当该厚度小于0.4毫米时，称之为贴合式接触，否则为非贴合式接触。贴合式两点接触所产生的滚动半径差应小于4毫米。实现贴合式接触的重要手段则是钢轨打磨。

由于轨道的弯曲和转向架的特点，车轮行进的方向与钢轨的纵向一定会形成一个夹角，轮轨的相对蠕滑一定是沿着车轮行进的方向发生的。而蠕滑可以分解为纵向蠕滑和横向蠕滑。因而，轮轨之间的纵向蠕滑力和横向蠕滑力也随之产生。正是这个横向蠕滑力将车轮推向上股道，造成轮缘和轨侧的接触与摩擦。横向蠕滑力越大，在轮缘和轨侧之间的接触压力也越大，自然，轮轨的磨损也就越大。同时，横向蠕滑力相对于转向架中心产生了一个力矩，造成转向力矩减小，阻碍着转向架在弯道的转向。横向蠕滑力的产生是由于冲角的存在，其大小也随冲角的增大与减小而增大与减小。可见横向蠕滑力对于轮轨关系是有害的，它不仅导致轮缘轨侧的磨损，而且减小了转向架的转向力矩。

总之，控制滚动半径差和冲角，控制纵向和横向蠕滑力是钢轨保护的最基本的两项原则。

3 裂纹扩展的机理-油楔效应

裂纹扩展还有一个重要的因素，就是液体的油楔效应。当车轮滚压在裂纹前端时，裂纹张开。如果液态润滑剂或雨水在裂纹端口，液体会渗入裂纹。当车轮滚压在裂纹的后侧，裂纹关闭，液体被密封于裂纹内。又由于液体的不可压缩性，在车轮压力的作用下，在裂纹顶端形成极大的高压，促使裂纹向薄弱的方向扩展。其薄弱的方向并不一定是塑性流线方向，因而，裂纹也不一定沿塑性流线方向扩展，而是无规则地扩展。正是由于裂纹扩展的不规则性，常常将相邻的裂纹相连接，从而形成钢轨表面材料的剥离脱落。这样，可能在很短的时间内，裂纹会扩展至钢轨的深层，导致早期损坏。因此，油楔效应应该在轨道维护中得以根除或减弱。

4 钢轨保护技术

根据上面的阐述，钢轨保护技术应该包括以下几个方面：

（1）修正在上股道上的钢轨廓面形状，使轮轨呈现贴合式两点接触，以减小在同一车轮上的滚动半径差；

（2）修正在下股道上的钢轨廓面形状，实现较大的左右轮之间的滚动半径差，增大转向架上的转向力矩；

（3）改善转向架的动态特性，以减小轮轨冲角，从而减小轮轨横向力；

（4）使用摩擦调节剂，以减小轮轨横向力；

（5）绝对禁止使用液态轮轨润滑剂和摩擦调节剂，以避免油楔效应。