浅谈钢轨磨耗的成因及整治措施

浅谈钢轨磨耗的成因及整治措施
摘要:钢轨侧面磨耗是工务工程中普遍存在的问题，大量的钢轨磨耗严重的缩短了钢轨的使用寿命，增加了铁路运营成本。

本文首先从我段京包线的现状、客货运输的特点，指出了减缓曲线钢轨侧磨对于我国铁路具有重要的现实意义。

系统分析了轨头侧面磨耗的变化规律，重点分析了轨道不平顺对钢轨不均匀侧磨的影响；最后提出了一些减缓曲线钢轨侧面磨耗的措施及方法。

关键词: 曲线钢轨侧磨减缓措施
一、曲线钢轨侧磨的形成原因
为了找到引起侧磨的主要原因及切实可行的预防措施，通过长期的观察和测量，并对各类观测资料进行综合对比分析后，发现引起钢轨磨耗的主要原因有以下几个方面。

1.1 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相当大的关系。

曲线不圆顺就意味着曲线的半径不一致，有的处所半径变大，必然使有的处所半径变小，小半径曲线钢轨磨耗严重，大半径曲线钢轨磨耗较轻形成钢轨的不均匀磨耗，从而减少了钢轨的使用寿命。

从侧面磨耗理论可知，钢轨轨头的侧磨主要是由于导向力和冲角引起的，曲线轨道状态不良对这两个因素的影响相当大。

曲线的不圆顺可以看成是轮轨之间横向力的一个激励源，这些激励源使得轮对的运动状态发生改变，从而造成轮轨导向力和冲角的变化。

曲线圆顺度的不良直接引起轮轨横向力及导向力的改变，在圆顺度不良曲线范围内的后四分之一段内，其导向力和冲角增加都较大，从现场观察可知，在此范围内经常出现钢轨轨头最大侧磨点。

钢轨接头处的支嘴和钢轨硬弯引起的曲线圆顺度不良，对钢轨轨头的磨耗影响尤为严重。

1.2 轨距
轨距是影响曲线钢轨磨损地重要因素。

理论计算与现场试验都表明，适当减小轨距，可以改善机车车辆通过曲线的条件，使机车通过曲线时的轮轨导向力和冲角都相应减少，车辆通过曲线时，轨距减小车体横向摇摆幅度减弱，轮轨导向力也是适当减小，因此，曲线轨距适当减小，对于曲线钢轨磨损是有利的。

计算结果表明，轨距对横向力和冲角都有较大的影响。

轨距增大，将使横向力和冲角增大，增大了轮轨之间的冲击。

此外，大轨距使得轮轨之间的冲击较大，钢轨轨头的侧磨。

1.3 超高不适
超高通常根据列车通过曲线的平均速度来设置曲线外轨超高，因此，多数列车通过曲线时不是出现欠超高就是出现过超高，由于超高直接引起导向力和冲
角的变化，所以也就直接影响钢轨轨头侧磨速率的大小。

理论计算与现场测试表明改变超高会使影响曲线钢轨侧磨的两个主要因素：导向力与冲角出现完全相反的变化。

设置过超高，由于向心力的作用，导向力减少，但转向架在小半径曲线运行时，转向架前轴外轮轮缘紧贴外轨引导转向架沿曲线运行，而后轴则在向心力作用下向曲线内侧移动，从而增大了轮轨冲角，而有欠超高时转向架承受离心力的作用，转向架后轴向曲线外侧移动，导向力虽然增大，但轮轨冲角却减少。

如前所述，为减轻曲线钢轨侧磨，希望影响钢轨侧磨的主要因素导向力和冲击角都减少，但当曲线行车出现过超高时，导向力值减少而冲击角值增大，而出现欠超高时则是导向力值增加而冲击角值减小，在这种情况下要判断是欠超高对减缓曲线钢轨侧磨有利还是过超高有利。

根据实测的钢轨磨耗资料的分析表明，设置适当的欠超高对减缓钢轨侧磨是有利的。

1.4 轨底坡不合适
在曲线轨道上，外股长、内股短，只有轮对外轮的滚动半径大于内轮的滚动半径时，转向架才有良好的通过曲线性能，从而减少车轮对钢轨的滑动摩擦距离。

曲线下股轨底坡较小时，车轮踏面接触位置内移，滚动半径增大，内外轮滚动半径差减少，滑动摩擦距离增大，从而加剧曲线外股钢轨的侧面磨耗。

1.5 不同机车类型和行车速度
机车车辆通过曲线时会产生导向力和冲击角，而这两个因素又与机车车辆类型、机车转向架构造、牵引性能、固定轴距、行车速度、车轮踏面以及未被平衡的离心力有关。

我段线路自从有内燃机车以来，由于该机车牵引力打、速度高、而且转向架固定轴距大，轮轴位置不对称，左右两端轴的横动量小，机车三轴转向架可导致钢轨侧磨加快。

1.6 养护不当
曲线状态的好坏对钢轨侧磨产生直接影响，养护不良的曲线，钢轨侧面磨耗严重；反之，养护好的曲线，钢轨侧面磨耗就小，具体表现为：
第一、由于日常养护工作中，不坚持定期拨道制度，在综合维修中不全面测量、计算，而采取简易绳正法拨正曲线，使曲线头尾控制不好，正矢超限，加之钢轨死弯、接头支嘴，直曲线连接不顺形成曲线鹅头，造成曲线不圆，从而增加了车轮作用于钢轨上的横向力，曲线半径愈小，横向力的分力导向力愈大，加剧了钢轨的磨耗。

第二、超高顺坡不好，线路前后高低不好，引起列车在缓和曲线运动时的振动、摇晃和冲击，加剧钢轨的侧磨。

第三、道床不洁、捣固不良、线路上有三角坑、暗坑和吊板病害或线路翻浆冒泥等都会加剧钢轨的磨耗。

1.7 圆曲线半径过小
曲线半径过小，由于离心力的作用，运行中的列车对外股钢轨的侧向推力加大，造成内股钢轨压溃，而且还存在不同程度的波磨，外股钢轨产生严重的侧磨，轨距、水平、方向也不宜保持。

根据我段观测，半径小于600m以下的曲线外股钢轨均有不同程度的侧磨，半径愈小，磨耗愈大。

这可以从我段近几年的换轨可以证实；半径在500m以下的曲线平均更换的周期为24-36月，半径大于500m 的曲线平均更换周期则为4-5年。

二、曲线钢轨侧磨减缓措施
钢轨的侧面磨耗是个极其复杂的问题，它和轨道其他永久变形一样，是不可避免的，但是通过各方面的努力，减缓钢轨的侧面磨耗是有可能的。

如何减缓钢轨磨耗，延长钢轨的使用寿命，经过我段几年的现场实践和经验总结，认为采取以下措施效果比较明显：
2.1 提高曲线圆顺度
曲线圆顺度的不良，也即线上存在不平顺，如曲线正矢超限、钢轨硬弯、接头支嘴等等，它们都会引起列车激烈的振荡，从而造成钢轨的不均匀侧磨。

目前现场曲线的圆顺度是用20m弦线进行控制，但是在10m范围内往往还存在有不圆顺的情况，虽然用20m弦线测量，曲线的正矢差很好，但在局部曲线的圆顺度就不良，而这些局部的圆顺度不良往往是引起钢轨不均匀侧磨的主要原因。

值得特别指出的是，由于曲线长度往往不是整数，因而出现了非整桩点，现场整正曲线时，为计算与施工方便，常常把非10m倍数的非整桩点人为地化为整桩点，从而延长或缩短了曲线长度，这就必然造成曲线的不圆顺。

为此，建议按“绳正法”理论用计算机把各曲线桩点拨量算出，然后在曲线外侧打桩，按各桩拨量拨道。

这些桩按“固定桩”设置，以后维修时就“按桩拨道”即可，不需要再进行计算。

这样不仅简化了维修曲线的程序，而且可保持曲线的圆顺度。

2.2 适当调整轨距
线路轨距的变化可以影响轮轨之间的导向力和冲角。

对于大半径曲线，轨距减小能使轮对同样横向位移的情况下增大内外轮的滚动圆的半径差，从而改善了轮对对通过曲线的条件，降低轮轨之间的导向力和冲角，达到减磨的目的。

所以目前铁路不管在曲线上还是在直线上都有减小轮轨间隙的倾向，以减小轮轨之间的磨耗。

因此对于小半径曲线严格执行现有轨距加宽标准，而对于半径较大的曲线在检修线路时，适当减小轨距，使得轨距调整在公差下限对于减缓钢轨侧磨是有利的。

2.3 合理设置轨道几何参数
包括适当减小轨距，加大轨底坡。

特别是对曲线超高的设置，比按测定平均速度计算出的超高降低10% 左右设置超高，钢轨侧磨明显减小。

我段先后组织技术人员对京包线的所有曲线进行测速，每个曲线测量两昼夜所有通过列车的速度，在内燃机车未安装监控器、实现微机管理前，我段主要靠添乘机车测速；在内燃机车实现微机管理后，我们直接从机务段调速度资料计算超高，同时我段又组织人员对管内的现场状况进行详细调查，凡是发现钢轨不正常磨耗、曲线撞道严重地段，马上派人深入现场测速。

设置超高时充分考虑曲线现场的实际状况，尽量接比计算超高降低10%。

如我段K435上行曲线，半径为400m，以前超高为120mm，平均每3年更换一次钢轨，而在2004年大修前，我们对该曲线进行测速检算后，按折减公式计算，把超高设为90mm后，现在该曲线不仅钢轨侧磨明显减小，而且撞道等其他连带病害也明显减小。

适当改变轨底坡，增加轮轨接触面积。

当曲线上股钢轨主要表现为侧磨时，应在曲线下股垫以10/14mm的坡形胶垫，减少下股钢轨外倾量，防止因钢轨外倾造成的轨距扩大和冲击角的增加。

当曲线上股钢轨主要表现为剥离时，在曲线上股垫以坡形胶垫。

2.4 加强钢轨涂油工作
钢轨润滑对减缓钢轨侧磨是有效的。

工务段应配专人在列车尾部的车厢内安放涂油器，坚持每日对钢轨涂油一次，使曲线钢轨侧面保持润滑，对减小钢轨侧磨，延长钢轨使用寿命效果明显。

参考文献
1．《车辆曲线稳态模型及影响钢轨侧磨因素的分析——减轻重载列车轮轨磨耗的研究报告之四》段固敏，许实播1995
2．《曲线半径与过、欠超高对钢轨侧面的影响》赵国堂，曾树谷中国铁道科学院1995,16(3)。