运营线路钢轨伤损与打磨方案探讨

・16・铁路工程技术与经济2019年1月运营线路钢轨伤损与打磨方案探讨

景璞

(中国铁路济南局集团有限公司，山东济南250001)

摘要：在运营的铁路线上，钢轨磨耗、变形、疲劳是常见的3种伤损，对行车安全与列车运行的平稳性造成严重影响。此文在阐述钢轨伤损成及发展机理的基础上，从钢轨打磨的角度出发，提出有效改善轮

轨接触关系的钢轨打磨方案。并以某线路钢轨打磨为例，验证所提该钢轨打磨方案的可行性。

关键词:运营铁路;轮轨关系;钢轨伤损；钢轨打磨；方案探讨

中图分类号：U213.4文献标识码：B文章编号：1007-9890(2019)01-0016-05

Discussion on Rail Damage and Grinding Scheme of Operating Railway Abstract:The rail abrasion,deformation and fatigue are three common rail damages on operating railway lines, which have serious impact on the running safety and stability.The formation and development mechanism of rail damage are described in this paper.From the view of rail grinding,the rail grinding scheme is proposed to effectively improve the wheel一rail contact relationship.And the feasibility of the proposed scheme is verified by taking the rail grinding of a certain railway line as an example.

Key Words:Operating railway；Wheel-rail relationship；Rail damage；Rail grinding；Scheme discussion

o引言

随着铁路逐渐向重载、高速化发展，以及运输密度的大幅度提高，机车车辆与轨道结构之间的相互作用引发的问题越来越多。造成钢轨岀现磨耗、变形、疲劳等病害，不但影响到列车运行的平稳性和行车安全性，也不同程度的缩短了钢轨的使用寿命，为此,本文针对钢轨伤损的形成及发展机理进行分析,并提出通过钢轨廓形打磨技术可延缓钢轨伤损的发展，是一个改善轮轨关系非常有效的方法。并以某线路钢轨打磨为例，验证该方法的可行性。

1常见钢轨伤损

1.1钢轨磨耗

运营的铁路线路,其钢轨主要有2个磨耗区，一个是轨顶面与车轮踏面的磨耗（垂磨），另一个是作用边轨距角处与轮缘的磨耗（侧磨）。磨耗值大小取决于接触班上轮对相对于钢轨位置的蠕滑量、接触压力、冲角、“第三体”（金属材料表面经摩擦由初始特征变化成新特征的金属层）特征、车轮及钢轨廓型、材质等因素。最近某方面的研究表明,轨顶面与车轮踏面的磨耗主要由车辆造成，而作用边轨距角处与轮缘的磨耗主要由机车造成。

1.1.1轨顶面与车轮踏面的磨耗

列车正常运行情况下,轮轨间的接触斑呈直径为13mm大小的椭圆形，承受的接触应力大约为1300~1700MPa,蠕滑量在0.01-0.05mm之间。在高应力作用下钢轨表面就会产生微小的金属颗粒，即磨耗。磨耗值与“第三体”特征、环境因素（雨、雪、砂子）、制动、蠕滑有关。

1.1.2作用边轨距角处与轮缘的磨耗

作用边轨距角处与轮缘的磨耗可分为2种，一种是直线上车轮发生蛇行运动时，由于车轮锥形踏面自定位机能会发生短时间磨耗，通常由于轮轨一点接触，这样的磨耗量是很少的，据国际重载铁道学会统计，年磨耗量约为0.1mm。另一种磨耗形式是

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转向架通过曲线时较大的车轮横向轮缘力与横向蠕滑力形成的侧磨，这在800m及其以下曲线半径区段比较常见，也是小曲线半径上股钢轨侧磨的主要原因。就轮轨接触关系而言，两点式接触虽然在曲线半径上股内轨距角处承受很小的垂向荷载，但限制了轮对的滚动半径差及导向能力，因此具有极大的滑动和摩擦。在一些钢轨涂油区段，甚至会发生轮缘刚蹭润滑油脂的情况。

1.2钢轨变形

当钢轨受到的接触应力超过其屈服强度时，金属表面就会发生塑性流动，形成变形。变形主要有3种表现形式:波磨、轨面平面化、肥边。

1.2.1钢轨波磨

钢轨波磨的形成机理较为复杂，涵盖路基、钢轨、轮轨接触关系等多种因素。虽然被定义为“钢轨表面的不均匀磨耗”，但主要还是与钢轨的塑性变形有关。形成的主要原因有以下几点：

(1)道床、路基的残余变形不均匀，道床弹性、密度不均匀,轨枕部件间隙不等。

(2)钢轨轧制过程中形成的周期性成分及钢轨接头焊缝，造成不均匀磨耗、轨头擦伤、剥离掉块，制造时产生的小坑。

(3)轮轨横向蠕滑力。

(4)轮对的“假凸缘”与钢轨轨头外侧接触造成应力集中，从而产生塑性流变引发波磨。

(5)轨道与车辆的转向架与车轴的抗扭度。

(6)振动。

研究表明，钢轨波磨最早始于轨面某一侧，然后逐步向中间发展。因此，塑性流变的存在和扩张可看做是波磨产生的先兆，这就要求建立相应的监测、分析制度,严格控制波磨发展的速度及程度。一般情况下，波磨深度在0.08mm以下时，对轨道及车辆破坏力较小，发展速率也较慢；当波磨深度超过0.08mm后，破坏力加大，发展速率增快。因此，当监测到钢轨表面有谷深超过0.08mm的短波时，应该及时安排钢轨打磨，以减小轮轨动荷效应。

1.2.2轨面平面化

轨面平面化是指轨面长期处在垂向荷载、横向蠕滑力及车辆蛇行运动作用下，由于轨顶面碳化程度不高，金属材料强度不高以及恶劣的轮轨接触形成的一种典型流变形态，直观表现为：轨头宽度加大，轨顶圆弧平面化，轨顶中心部位凹陷，轨面出现大量细长裂纹及“压溃”(轨面出现的不规则的黑色斑点)现象。

1.2.3钢轨肥边

轨面金属材料在轨顶横断面发生流动时，由于轨距角处再无其他金属支撑，流动体经过反复的变形，流动最终会在轨距角处形成一个金属层，就称为肥边。肥边的最大危害在于给线路养护带来不便，假轨距的存在使得列车运行的平稳性和轨道的稳定性受到影响。轨距过大,则造成轮轨间横向力加大，加剧轮轨磨耗和轨道变形,严重时将引起脱线;轨距过小,则增加行车阻力和轮轨磨耗，严重时还可能楔住轮对、挤翻钢轨或导致爬轨事件，危及行车安全。

当然，塑性变形在对钢轨形成损伤的情况下，还具备3个好处:一是塑性变形有助于阻断钢轨裂纹的继续发展;二是塑性变形使得轨面形成硬化层，减缓钢轨磨耗;三是在一定范围的塑性变形还可以尽快适应车轮踏面形状，避免应力集中。

1.3钢轨疲劳

钢轨滚动接触疲劳效应有多种表现形式，如起皮、裂纹、剥离、压溃、轨距角处的龟裂、核伤显现等，其中最核心的问题为裂纹，裂纹的出现及迅速发展，成为诸多疲劳损伤的巨大诱因。

裂纹起源于轮轨接触时的疲劳效应，轨距角处裂纹是轮轨接触面的剪应力大于钢轨的抗剪强度形成的。分布区域位于内轨距角及中部内轨距角处，通常沿钢轨纵断面方向以3~5mm间隔分布，裂纹与轨面呈10°-30°角向下延伸相同的深度。破碎马氏体裂纹，马氏体很脆，破碎的马氏体产生2个方向的裂纹，都与钢轨表面呈30。角，一个与线路主要行车方向相同，一个与线路主要行车方向相反。根据裂纹发展机理，其发展经过4个阶段：

(1)裂纹萌生阶段，裂纹刚刚产生，深度约为0.05mm,以一定的倾角向钢轨内部缓慢发展。

(2)快速扩展阶段，裂纹进入快速发展阶段。

(3)断裂阶段，裂纹以缓慢的速度发展至接触应力边缘区。