钢轨接触疲劳伤损的预防及治理措施

  钢轨接触疲劳伤损的预防及治理措施  Summary：近来年随着各城市地铁建设高速发展，城市地铁线网不断的完善。随着地铁客运量逐年攀升，列车运行呈低密度、高荷载趋势，从而加剧了钢轨磨耗及接触疲劳伤损的发展。Keys：轨道交通；钢轨；接触疲劳伤损；预防措施引言钢轨接触疲劳伤损即钢轨与轮对在循环接触作用下，经过一定的循环次数，产生局部永久性累计疲劳伤损现象。主要现为接触表面产生钢轨波磨、裂纹、剥落甚至断裂，随着钢轨使用时间的增加轮轨接触疲劳所造成的破坏变得越来越严重。一、钢轨接触疲劳伤损的分类及产生原因钢轨接触疲劳伤损从其宏观特征与形成机理分类,可分为钢轨波磨、鱼鳞伤、裂纹、掉块及疲劳核伤。（一）钢轨波磨钢轨波磨的全称是钢轨异常波浪形磨耗，钢轨波磨产生原因主要有两种：一种是曲线上“蠕滑”，列车通过曲线地段时，列车左右两个车轮在同样的转速，相等的时间，走完不同路程。造成曲线下股上的车轮在轨面“蠕滑”，从而产生波磨；另一种是由轮轨接触不良导致，列车在一定的运行速度条件下，车轮的垂向加速度激发钢轨的自振，若车轮的振动频率达到和钢轨一致，则会形成轮轨共振，从而导致钢轨波磨。（二）鱼鳞伤鱼鳞伤主要分布于曲线、坡道地段，基本上是由于轮轨接触形成的疲劳裂纹，轮轨接触面表层金属发生塑性变形，使钢轨的几何形状发生变化。表现为轨头踏面压宽、碾边、垂直磨耗和侧面磨耗。（三）裂纹及剥离掉快鱼鳞纹向下继续发展则成裂纹，裂纹一般是沿着与机车前进方向一致,与轨面成小锐角方向扩展,当裂纹扩展到一定程度后，由于向心部扩展受到阻力作用而改向表面扩展,最后达到表面,形成钢轨表面的剥离，形状成薄块状掉块。其中在涂油器安装地段若已经产生剥离，由于涂油器的油脂渗入裂纹，在车轮压力下产生油楔作用，会加速钢轨裂纹及掉块的发展。（四）疲劳核伤1、纵横裂型核伤纵横裂型核伤是钢轨轨头内部疲劳裂纹,其特点是当裂纹发展到较大面积或发展到快速扩展阶段时,裂纹才会发展到轨头表面,造成断轨。2、轨面塑性变形形成的核伤轮轨接触面表层金属发生塑性变形使钢轨断面的几何形貌发生变化,表现为轨头踏面压宽、碾边、垂直磨耗和侧面磨耗。3、轨面剥离形成的核伤钢轨表面的塑性变形达到一定深度时,会在钢轨作用边(特别是在曲线上股)出现程度不同的鱼鳞状裂纹和剥离掉块。这种鱼鳞状的剥离裂纹的裂纹方向与行车方向一致。在小半径曲线上,车辆的振动、蛇行摆动及轮轨黏着和蠕动现象更为明显,轮轨接触应力更大,轨面的塑性变形可达2mm以上,剥离裂纹的深度和剥离掉块也在2mm左右。钢轨踏面表层或亚表层存在非金属夹杂物时,将会加速剥离裂纹的萌生和扩展，剥离掉块的深度可达4-5mm。剥离裂纹和剥离坑底部的残余裂纹有可能向深度方向疲劳扩展,导致形成轨头横向疲劳核伤。二、钢轨疲劳伤损的预防（一）合理设置曲线超高及轨底坡曲线超高过小,列车通过时外倾,加大了作用在外股钢轨上的压力,轮轨间摩擦力变大,加快了曲线的侧面磨耗。曲线超高过大,列车通过时内倾,紧贴内股钢轨运行,加大了作用在内股钢轨上的压力,加大了列车内外轮走行距离差,外股钢轨上车轮滑移加剧,同样也加快了钢轨的侧面磨耗。所以,合理设置曲线超高,是减缓曲线侧磨速率的重要、有效措施。设置适当的轨底坡，使轮轨接触面最大，降低接触应力，减轻轨头及轮踏面不均匀磨耗，减少轮轨疲劳损伤，降低钢轨打磨量及镞轮成本，延长钢轨及车轮使用寿命，使列车运行更稳定。（二）加强轨道日常养护维修1、加强线路几何状态检查，及时整改轨枕空吊、更换失效垫板，消除轨道不平顺及几何尺寸超限处所，保证轨道结构整体刚度均匀，弹性良好，减少钢轨异常受力。2、调整扣件系统刚度，作业时应严格按照扭力矩完成螺栓复拧，避免扣压力过大造成轨下弹性不足，或扣压力过小引起钢轨异常爬行。（三）科学开展钢轨预防性打磨（廓形打磨）机车车辆沿钢轨运行，其运行性能与轮轨接触几何关系和轮轨之间相互作用有着密切的关系。同时，由于轮轨的原始外形不同和运用中形状的变化，轮轨之间接触几何关系和接触状态也是不同变化的。对新铺设的钢轨采用预防性打磨，可消除新轨表面易导致鱼鳞状伤损的脱碳层及原始不平顺，减少磨合期内轮轨的异常磨耗，延缓钢轨病害的发生。所以需根据轮轨廓形情况对车辆轮对进行旋轮及钢轨修复性打磨。（四）改善轮轨摩擦管理在钢轨侧面的润滑及轨顶的摩擦控制都对减缓钢轨和车轮的磨耗具有非常显著的作用。由于轨顶实施摩擦控制而导致的轨道横向力降低，能缓解外轨轨角与轮缘之间的压力，进一步减缓钢轨轨侧和轮缘磨耗。在轨侧润滑基础上再加上轨顶摩擦控制，可获得额外的钢轨减磨效果。正是因为降低了横向力舒缓了轮缘与曲线外轨轨角间的轮缘力，从而更一步降低磨耗的效果。三、疲劳伤损的治理疲劳伤损治理主要根据伤损程度进行三种不同治理办法，在钢轨波磨及剥离掉块初期通过钢轨打磨进行治理。当剥离掉块达到一定程度但未达到重伤更换标准可对裂纹、掉块部位进行切除，在对切除部位进行钢轨电弧焊补。如伤损程度已达到钢轨重伤、折断标准则需进行更换。（一）钢轨修复性打磨（表面打磨）修复性打磨是控制和清除钢轨表面已有的缺陷，修复性打磨通常是在钢轨表面形成缺陷以后才进行。对已经产生剥离裂纹的钢轨，有计划性地安排钢轨打磨车进行打磨，能够去除轨面疲劳层和表面损伤，改善轮轨接触条件，较好地阻止裂纹向深度方向扩展。修复性打磨可以控制表面缺陷，从而起到减小垂向振动、垂向冲击力和噪声、提高旅客舒适性的作用。（二）钢轨电弧焊补钢轨电弧焊补主要用于探伤确认钢轨内部无核伤且无表面重伤的裂纹掉块钢轨。钢轨电弧焊补是改善钢轨状况，延长钢轨使用寿命，降低运营维修成本的有效。（三）更换钢轨当钢轨疲劳伤损已发展至重伤、折断或疲劳核伤时，需对伤损钢轨进行锯断，插入短轨后进行焊接。开通运营后线路进行焊轨作业只能采用原位焊接，而如今，铝热焊接是我国目前唯一采用的钢轨原位焊接技术。但铝热焊内部为铸造组织，焊接接头性能差，是目前无缝线路中最薄弱的环节。四、结语由于钢轨疲劳伤损导致的问日益突出，如何借鉴行业内的应用经验，实施行之有效的治理措施，后期还需我们进一步进行实践探索。Reference：[1]贺金菊.钢轨接触疲劳伤损产生的原因及预防[J].建筑技术与设计,2019,(11):4022. -全文完-