城市轨道交通钢轨伤损分析_黄玉纯

城市轨道交通钢轨伤损分析

黄玉纯曲铭许玉德

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,200092,上海M第一作者,硕士研究生)

摘要随着上海市轨道交通运营年限的不断增加,钢轨伤损已经成为影响线路安全性的一个重要因素。根据上海轨道交通1号线的钢轨损伤情况,对引起钢轨伤损的原因和伤损的数量进行统计分析。结果发现:上行和下行线路的伤损种类与分布大致相同;引起钢轨伤损的三个主要原因分别是焊接、轮轨作用以及钢轨的材质;钢轨裂纹主要发生在曲线地段。针对性地提出了关于减轻钢轨伤损的对策措施。

关键词城市轨道交通,钢轨伤损,原因分析,对策措施

中图分类号U213.4+2

Analysis of Rail D amage in Urban Mass Transit

Huang Yuchun,Qu M ing,Xu Y ude

Abstract W ith the incr ease of the operation times in Shang hai M etro,the rail damage has become one of the most impor tant factors w hich directly affect the safety of the line.According to t he stat istics of rail damage in Line1,it can be concluded that t he causat ion and cases o f rail damage are roug hly the same in both up and dow n directions;the major factors which cause rail damag e are fixed on wielding,o n contact betw een w heel and t rack,and the quality of rail,because t he rail crack mainly oc-curr es in t he curve.Besides,some counter measures alleviating t he damage ar e discussed.

Key words urban mass tr ansit,rail damage,causation analy-si s,counter measure

Firs-t author.s address K ey Laboratory of Road and T raffic Engineering of the M inistry of Education,T ongji U niversity, 200092,Shang hai,China

作为轨道的主要部件之一)))钢轨,直接承受车轮荷载并将其传于轨枕[1]。钢轨质量和工作状态的好坏,都会直接影响到轨道交通的安全性与舒适性。随着城市轨道交通客运量和运营年限的不断增加,钢轨将不可避免地出现各种各样的伤损问题。本文通过对已运营11年的上海轨道交通1号线的钢轨伤损情况进行调查统计和分析,研究各类伤损的成因,并提出了相应的对策,以期能延缓钢轨的恶化速度,保证轨道交通的安全。1钢轨伤损情况统计与原因分析

城市轨道交通建设初期所使用的钢轨为耐磨性能差的U71Mn,后来新建线路普遍改用PD3钢轨。后者的耐磨程度较好,能延长小半径曲线钢轨的使用周期,目前该钢轨已更名为U75V。

在实际工作条件下,钢轨的受力十分复杂,其大小、方向和位置都有很大的随机性。在荷载及温度作用下,钢轨将发生压缩、伸长、弯曲、扭转、压溃、磨耗、裂纹等各种复杂的变形[2]。另外,冶炼过程中的缺陷以及运输、使用过程中的不良条件也会导致钢轨的伤损。

为了做好钢轨的检查、监视、更换和日常管理等工作,通常将钢轨伤损程度划分为轻伤、重伤和折断三大类[3],伤损类型分为9类32种。城市轨道交通由于其车辆轴重轻、车种单一,轨道结构及运营条件等都与铁路有着明显的区别,伤损类型也有着自身特点[4],需要单独进行探讨。以下对上海轨道交通1号线自2003年6月至2006年9月以来钢轨的伤损情况进行统计与分析。

1.1钢轨伤损的统计

由于上海轨道交通1号线分三期建成,因此随着运营时间的不断增长,各段所出现的伤损数量也不相同。一期工程于1995年完工,运营时间已超过10年,因此伤损最多;北延伸段于2004年才开通,因此钢轨还未出现明显的伤损情况。图1即为各段

钢轨伤损比例图。

图1上海轨道交通1号线各段钢轨伤损比例图

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城市轨道交通研究2007年

到目前为止,1号线所出现的主要伤损类型有裂纹、掉块、核伤、锈蚀、过烧、光斑、碎裂、剥离等。通过统计正线上进行加固和更换的重伤钢轨情况,

可将导致钢轨伤损的因素大致分为:材质,焊接,轮轨作用和环境等四类。各类因素所引起的伤损数量及比例见图2

。

图2 上海轨道交通1号线上、下行线路钢轨伤损比例图

1.2 钢轨伤损的原因分析

通过上述统计对比可以看出:

1)1号线上行和下行线路中,各类伤损影响因素及其所占比例大致相同。这是因为城市轨道交通的上、下行客流量一般相差不大。

2)引起钢轨伤损的四个因素中,焊接、轮轨作用及钢轨的材质是三个主要因素,其中焊接因素引起的钢轨伤损占50%左右。

3)轮轨作用引起的钢轨伤损,主要是轨面或轨头处的裂纹。由于超高等因素的影响,曲线地段裂纹的数量比直线地段多,占裂纹总量的67%左右。故必须加强曲线地段的钢轨检测、养护和管理。1.2.1 焊接因素

本文现场实测资料统计中所述的由焊接因素引起的伤损,实际上就是指焊接接头伤损。其主要伤损类型有过烧、未焊透、光斑等。一般来说,焊接接头的类型主要有铝热焊、气压焊和接触焊。焊接设备、材料、气温和操作工艺等诸多因素都会影响焊接质量,最终导致钢轨的伤损[4]。尤其是气压焊,若操作不良常常会造成钢轨光斑。这是一种未能焊合的缺陷,其断口呈银灰色[5]。操作工艺掌握不当还容易造成过烧和未焊透等。上海轨道交通1号线全线采用的是工厂自动焊接长轨与隧道内移动式气压焊技术焊接成无缝线路,焊接过程中不可避免会受到天气和人为因素的影响,使得焊接因素成为目前影响钢轨质量的最主要因素。1.2.2 轮轨作用因素

列车在轨道上行驶时,由于车轮制动滑行或空转,轮轨之间发生剧烈摩擦,使轨面变硬、变脆,经过车轮多次重复作用便会形成轨头横向或纵向裂

纹[6]。虽然裂纹的产生还有可能与钢轨的材质、制造工艺有关,但轮轨的接触力是导致裂纹出现的直接原因,因此需要把轮轨作用作为一项影响因素单独提出。从图2中可以看到,在各种因素中,轮轨因素只占20%左右,并不是导致钢轨伤损的最主要原因。这是因为上海轨道交通1号线只运营了11年左右,车辆和轨道条件相对良好,所以因轮轨作用引起的钢轨老化和伤损的百分率还不大。1.2.3 材质因素

钢轨在制造过程中,由于工艺不良而致使钢轨内有炉渣、白点、气泡、金属外物等缺陷,造成轨面夹

灰、夹渣。这些缺陷在车轮荷载的重复作用下,最终引起轨头变形或轨面裂纹。

1.2.4 环境因素

由环境因素引起的钢轨伤损主要是钢轨的锈蚀。它是钢轨受到大气和电化学的腐蚀而引起的,多发生于潮湿或有腐蚀的地段,如隧道中[5]。上海轨道交通1号线的现场实测资料也显示,正线钢轨的锈蚀都发生在地下隧道中的潮湿地段;轨底的内、外侧最容易由于锈蚀而掉块。

2 减轻钢轨伤损的对策措施

钢轨的质量与工作状态的好坏对于整个轨道交通的安全性、舒适性有着直接的影响。现针对上海轨道交通1号线所出现的钢轨伤损情况,提出一些对策和措施。

2.1 改善钢轨质量

可以从钢轨的材质与锻造两个方面来寻求改善。材质方面,主要是控制钢轨中各化学成分的含量。如锰元素可以提高钢的强度和韧性;硅易与氧化合,能除去钢中的气泡,增加密度;锰、硅还能提高钢轨的耐磨性能。而磷、硫元素是钢轨中的有害成分,需要减少[1]

。锻造工艺方面,可以采用全长淬火钢轨;在冶炼过程中采用精炼、真空脱气使钢质净化,尽量减少钢中非金属夹杂物[4],以减少夹灰和疲劳剥离等伤损的发生。2.2 改善焊接工艺

城市轨道交通一般采用超长无缝线路,这样可减少钢轨接头的数量,避免出现螺孔裂纹伤损。但从1号线的实测数据可以看出,由于焊接不良而导致的钢轨伤损数量占了伤损总量的一半以上。无论是对于以后新建线路还是大修轨换,焊接工艺的提高与改善已经成为了亟待解决的问题。

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第4期

研究报告