浅析山区铁路P60曲线钢轨病害成因及预防措施论文.docx

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浅析山区铁路P60曲线钢轨病害成因及预防措施论文

浅析山区铁路P60曲线钢轨病害成因及预防措施

摘要本文对山区普通铁路P60曲线钢轨病害的成因进行分析，并根据不同的病害成因采取相应的预防措施，以达到尽量延长设备使用寿命和减少养修成本投入的目的。

关键词曲线钢轨病害成因对策

我段外福线于2000年电气化改造完毕，其中K0-K63+00区段于1996年大修铺设P60轨计59.568km，其中曲线149条，计34.335km,占铺设长度的57.6％，曲线半径R≤450m的曲线103条，计22.791km,占铺设长度的38.3％。

自大修后，通过近6年的观测、分析表明该区段曲线钢轨的主要病害表现为：

小半径曲线上股钢轨侧磨异常、下股钢轨垂磨压宽形成凹槽、曲线下股钢轨波磨、接头综合病害等，但尚未出现钢轨疲劳伤损。

这些钢轨病害的存在给钢轨防断安全、线路日常养护的正常开展带来极大的困难。

只有分析、总结现有P60曲线钢轨病害的成因及制定相应的对策及预防措施，才能为我段正线全面铺设P60轨后，正确地进行曲线钢轨的养护工作起到积极的指导作用。

一、钢轨病害及成因浅析

1小半径曲线钢轨侧磨异常

自1996年K0-K63+00进行换P60轨线路大修和电化开通后，我段对P60曲线钢轨磨耗及时建立“三定”观测制度，摸索电化前后钢轨磨耗规律。

通过对小半径曲线上股钢轨电化前后侧磨数据比较，发现电化后钢轨侧磨速率较电化前的上升趋势较为明显，电化后钢轨作用边表面的光洁度也较电化前差。

外福线P60轨区段电化前后钢轨侧磨比较表表一

序号R（m）平均磨耗速率（mm/Mt）侧磨速率增长率（％）备注

电化前电化后

12500.0450.06953.3

23000.0330.04847.2

34000.0300.04240.5

45000.0130.01729.6

56000.0120.01521.4

通过调查分析，产生以上现象的主要原因有：

1.1超高设置不合理。

2000年12月外福线电化开通后，我段组织有关工程技术人员通过测定一昼夜客货列车的运行速度后，重新进行设置超高检算，发现需对既有超高调整的曲线有167条，最大调整超高70mm。

其中，处在P60轨区段的有102条，最大调整超高35mm，平均调整超高10mm。

由于超高设置不合理，加大了养护工作的难度，轨检车、动态添乘仪动态检查结果表明曲线超高未作调整地段，其水平加速度动态偏差扣分也大量增加。

1.2轨底坡设置不合理。

轨底坡设置正确与否，对钢轨磨耗的影响较大。

在外力不变情况下，当轨底坡由140增加到120时，水平力可减少3.6%,垂直力增加2.9%（车辆运行安全系数K=垂直力/水平力）。

因此，适当增大轨底坡，将减轻钢轨上股侧磨（见表二），也将增加钢轨的稳定性，此外，加大轨底坡，还可以使轮轨接触点靠近轨头中央，进而减轻轨头上圆角的应力集中，缓和轻钢轨侧面磨耗和剥离。

不同内轨轨底坡地段外轨侧磨量的对比（铁科院）表二

实测曲线外轨侧磨量（mm）

运量（Mt）内轨轨底坡

1/201/301/40

11.050.130.160.24

26.340.240.591.01

1.3侧磨不均匀。

通过调查分析，发现钢轨接头距轨端约1~1.5m处、曲线直缓点、缓圆点附近、支嘴接头处和钢轨硬弯处的侧磨速率较其它地方大。

受线路平面条件的影响，外福线小半径曲线圆曲线均较短（有的甚至不足5m），且曲线正矢点较多设在钢轨接头附近。

曲线局部的不平顺造成曲线正矢误差较大，增大车轮对外轨的导向力，同时也增加外轨的冲击角，圆顺度不良的附加正矢越大、长度越短、车速越高，导向力和冲角越大，进而在局部促使钢轨侧面磨耗加剧。

造成侧磨不均匀的因素是多方面的，其中支嘴和钢轨硬弯引起的曲线不圆顺，对钢轨侧磨不均匀的影响最大。

1.4钢轨涂油安排不科学。

在电化开通前，我段采用列车添乘涂油，一方面由于轮轨接触关系和油脂等原因，造成钢轨表面细微鱼鳞伤损随着油脂的增加而向轨面深层发展成小掉块，而鱼鳞伤损存在给探伤、防断工作带来极大压力；另一方面人工添乘涂油机无法保证油仅涂在钢轨轨头作用边，往往连轨面一起涂油，受列车在曲线上运行特性影响，将造成机车车轮空转，擦伤钢轨。

自2002年3月底我段停止涂油后，发现钢轨鱼鳞伤损明显减少，但是钢轨侧磨却明显加剧。

尤其是外福线R=250m曲线地段尤甚，2002年一季度平均侧磨值0.7mm,二季度平均侧磨值1.1mm，停止涂油后一季度钢轨侧磨上升57.1%。

2钢轨波磨严重

年检资料表明，外福线P60轨小半径曲线钢轨波磨较严重的有198根，最大波深0.5mm。

分析认为影响钢轨波磨的因素有：

轨道弹性和阻尼、机车车辆及其走行部结构特性、曲线半径、轮轨之间的粘着系数及轮轨蠕滑力特性曲线、轨道不平顺等。

对设备管理单位而言，其维修养护所改善的仅是轨道平顺、弹性和阻尼。

而该区段96年大修时因道床处理不彻底，加上厚度不足，造成道床脏污、板结、翻浆，导致轨道弹性及阻尼降低，促进了波磨的发展。

外福线P60轨波磨区段道床状态表表三

序号R（m）道床状况枕木类型波磨程度备注

1300厚200mm、脏污严重木枕严重最早出现波磨

2400厚190mm、脏污一般铪枕严重

3500厚200mm、脏污严重铪枕部分轻微

4600厚200mm、脏污严重铪枕部分轻微

调查发现钢轨波磨主要集中在曲线半径R=300～600m、道床厚度不足250mm、道床脏污地段。

在道床厚度足够、一般脏污区段的小半径曲线钢轨波磨发生、发展的现象相对较缓。

观测表明在累计通过总重115Mt.km/km左右，波磨轨将出现；在累计通过总重达150Mt.km/km左右，波磨轨开始大面积发展。

而波磨轨的存在，造成铪枕地段道碴翻白、轨底大胶垫压溃，木枕地段斜坡胶垫压溃、铁垫板折断等现象。

而轨检车、动态添乘仪检查也表明，波磨地段的垂直加速度偏差扣分较其它地段明显偏多。

3曲线下股钢轨压宽，形成凹槽。

调查发现外福线钢轨压宽，形成凹槽主要在R=250m曲线圆曲线下股，K0-K63共有32条R=250m曲线，曲线实设超高见表四。

由于下股钢轨垂磨速度快，2001年已更换下股钢轨7条，均为R＝250曲线，其中有4条是因下股钢轨压宽形成凹槽而更换的，占更换的57.1%。

外福线P60轨R=250m曲线实设超高表表四

序号超高（mm）条数轨枕类型备注

1801木枕

2901木枕

31002木枕

41104木枕3，铪枕1

512015木枕

61259木枕

通过计算发现这些曲线均为欠超高，由于超高设置不合理造成下股木枕切压、斜坡胶垫压溃、铁垫板外口磨耗等原因，使下股钢轨外翻，进而改变了原有的轮轨接触关系。

调查发现在累计通过总重达100Mt.km/km左右，将出现下股钢轨压宽，在累计通过总重达150Mt.km/km左右将出现凹槽。

4曲线钢轨接头病害。

我段曲线钢轨接头病害主要为：

小半径曲线地段下股钢轨轨头压溃、剥离掉块严重；曲线上股接头5m范围的钢轨作用边黑斑掉块、鱼鳞伤损较多；电化开通后初期因司机操作原因造成接头附近的钢轨飞轮擦伤。

三、预防及整治措施

1减缓钢轨侧磨

1.1合理设置超高。

根据鹰厦线电化开通后的调超经验，即实设超高小于计算超高10～15mm。

结合线路进行调整超高，但受各种因素影响仍有大量曲线超高尚未调整。

2002～2004年大修地段，应在大修设计时予以考虑。

通过部分曲线调超后的对比发现，侧磨速率下降10％～30％不等。

1.2合理设置轨底坡。

根据光带调整轨底坡。

光带在钢轨中轴线以内表明轨底坡不足；亮光带在钢轨中轴线以外侧说明轨底坡太陡。

调整的方法是测出光带偏离钢轨中轴线的距离，按下式计算出合理的轨底坡，然后进行调整。

轨底坡＝X/H

式中：

X---亮光带偏离钢轨

中轴线的距离

H---钢轨高度

通过对半径R=250m曲线钢轨磨耗较严重的测量结果显示，钢轨光带偏离中轴线距离表五。

亮光带偏离钢轨中轴线距离表表五

曲线编号曲线半径（m）偏离中线轴距离（mm）计算轨底坡（1/N）备注

缓和曲线圆曲线缓和曲线N值圆曲线N值

12508.81220.00014.667　

22508.511.820.70614.915　

32508.911.519.77515.304　

4250911.419.55615.439　

52508.712.120.23014.545　

62508.511.720.70615.043　

72507.711.922.85714.790　

82509.31218.92514.667　

9250911.519.55615.304　

102508.911.819.77514.915　

由上表统计可见，圆曲线部分的轨底坡应设置在115左右，缓和曲线部分的轨底坡应设置在120左右。

现场试验也说明了这点，具体的调整方法为：

在既有140轨底坡的铁垫板下垫坡度为124或120的楔形开发丝胶垫。

试验证明，轨底坡调整后，轨距扩大、拉杆折断和钢轨侧磨均有不同程度的改善。

对5个试验曲线的调查结果表明：

轨底坡调整后，钢轨的平均侧磨速率较调整前减少40％－50%左右。

1.4开展优质曲线、优质接头活动，加强线路养护。

为尽量减少钢轨不均匀侧磨，要求工区在日常养护中，严格按部、路局有关优质曲线标准做好曲线养护，特别加强接头综合状态及钢轨硬弯整治。

工区每月的重点检查应着重加强正矢变化大的曲线的检查，及时调整曲线正矢，保持曲线圆顺度。

1.5合理安排涂油周期。

轮轨相互作用的摩擦力基本可分为二类：

①轮轨踏面上的摩擦力，②轮缘与钢轨轨头侧面间的摩擦力。

而钢轨涂油的作用是：

在保证轮轨踏面间必要粘着力的前提下，通过涂油使轮缘与钢轨轨头之间形成油膜，以降低轮缘与轨头作用边的摩擦力，达到减缓轨头侧磨的目的。

目前外福线主要靠机车涂油器，通过轮缘转动对钢轨实施涂油，（机车涂油装置为HB-1型，采用单板计算机程控喷油量、制动高压空气喷油），但是现有涂油量稍显不足。

为此，须找出钢轨涂油量对侧磨和对鱼鳞伤损影响间的最佳结合点。

并借助计算机控制涂油，把需要涂油的曲线头尾里程预先储存进计算机，由计算机判定涂油起止里程，控制涂油量。

2延缓钢轨波磨出现，整治波浪伤损。

2.1提高轨道弹性和阻力。

要求工区在日常养护中加强捣固，特别是有碴桥（有护轨）地段。

综合维修时，应加强小半径曲线道床清筛工作，通过加强捣固、清筛解决道床弹性，提高轨道弹性和阻力。

2.2合理安排钢轨打磨。

定期对钢轨打磨，不仅能消除和延缓钢轨波磨，同时也可以消除钢轨表面的接触疲劳层，防止钢轨剥离等病害，据研究资料表明，钢轨打磨可延长钢轨使用寿命50％～100％，打磨的经济效益较为显著。

根据我段的钢轨状况，我们建议采取校正性打磨和预防性打磨相结合的办法。

对波磨达一定程度的钢轨进行校正性打磨，可消除钢轨波磨，恢复轨面的平顺性。

由于波磨钢轨的存在可激化轮轨振动，加剧轮轨垂向力波动和轮对的粘滑振动，构成波磨的恶性循环。

校正性打磨可中断钢轨波磨的这种恶性循环过程，减缓钢轨波磨的发展速率。

对波磨尚未出现的钢轨进行预防性打磨，可消除钢轨表面的原始不平顺，释放钢轨表层在加工过程中形成的残余压力，有助于延缓钢轨波磨的形成。

打磨周期控制在累计通过总重在115Mt.km/km左右进行，以后逐次减少两次打磨的间隔周期。

3减少钢轨凹槽

3.1纠正钢轨外翻。

要求工区在日常养护中，及时更换失效木枕、削平切压木枕、更换磨耗及折断铁垫板。

成段更换曲线下股钢轨后，应进行细整。

3.2安排钢轨倒换。

在凹槽尚未形成前有计划的将圆曲线钢轨和缓和曲线钢轨进行倒换，力求使圆曲线钢轨和缓和曲线钢轨出现凹槽的时间尽量一致，延长钢轨使用寿命。

3.3通过有计划的钢轨打磨，消灭钢轨轨面凹槽。

4综合整治接头病害

我们的处理方法是：

用上弯鱼尾板或捣垫结合等方法处理低扣接头，（采用废旧枕木进行顶拨或钢板内垫）等方法处理钢轨支嘴接头，采用特制高低垫片处理、打磨等方法处理接头错牙。

通过对曲线钢轨病害的综合整治和预防，可延长设备使用寿命，减少了养修成本的投入。

但是，探索和总结钢轨病害整治、预防措施的工作，仍然任重而道远。

参考文献：

《铁路线路维修规则》、《轨道力学》（轨道结构振动分析及其控制，上海铁道大学王午生练松良）、《轮轨磨损》（中国铁道出版社龚积球等）