重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

0 引言

钢轨是轨道交通的主要部件，与列车的车轮直接接触，其质量好坏直接影响行车的安全性和平稳性。神华铁路开通运营后，特别是在运量大幅度提升、万吨列车开行的情况下，钢轨长期处于恶劣的环境中。由于列车的动力作用，以及自然环境和钢轨本身质量等原因，钢轨经常出现伤损，如钢轨剥离掉块、断裂、压溃、侧磨、波磨、擦伤等，使轮轨接触面的状况进一步恶化，致使钢轨寿命降低，养护工作量增加，甚至严重影响行车安全。如何减少钢轨伤损，保证重载铁路运输安全，提高运输效率，降低成本，提高经济效益，已经成为铁路养护单位亟待解决的重要课题。

1 重载铁路钢轨伤损

重载铁路常见的钢轨伤损主要有剥离掉块、断裂、压溃、侧磨、波磨与擦伤等，这些伤损大都伴随着严重的塑性变形与磨损。

1.1 剥离掉块

钢轨剥离掉块主要以疲劳破坏形式为主，是由于轨头在车轮反复冲击载荷作用下，材料碎裂剥离，如图1 所示。这种情况主要发生在钢轨接头处，距轨缝大约60～140 mm，受力状态如图2 所示，裂纹形成情况如图3 所示。

1.2 断裂

钢轨由最初轮轨接触形成的疲劳裂纹（或剥离掉块）向轮轨接触表面的更深处扩展，最终导致钢轨折断。

当然，钢轨断裂也有可能是由轮轨材料自身缺陷引起，如钢轨的夹杂物、内核伤、残余应力、马氏体材料、内部裂纹等。

图1 钢轨剥离掉块

图2 轮对通过轨缝时冲击接触

图3裂纹形成的情况

1.3 压溃

钢轨压溃如图4 所示。

钢轨压溃的破坏形式主要发生在重载铁路曲线下股钢轨上，多发生在内轨距角处，也有可能在钢轨的外侧，轨头断面常被挤压成蘑菇状。钢轨压溃主要是由于钢轨材料强度过低、硬度不足，曲线超高设置不合理，下股钢轨轨底坡不合适，轮对作用在下股钢轨顶部的载荷较大，曲线过车速度过低等原因造成。

图4 钢轨内轨距角处压溃

1.4 侧磨

列车在曲线上行使时，导向轮往往存在2 点接触，除踏面接触外，外轮缘与外轨的轨距线相互贴靠，导向轮就在这一点上冲击钢轨，钢轨也在该点产生对车轮的导向力。同时该接触点上的轮对运行方向与轨距线的切线方向形成冲击角φ，轮轨之间导向力和冲击角的存在是产生曲线钢轨侧磨的主要原因。当轮轨之间存在导向力时，轮缘与钢轨轨头侧面接触点上的压强很大，当压强超过钢轨的屈服应力，接触点顶部就发生塑性变形，若此时轮缘与钢轨轨头侧面之间不存在表面膜，2 个表面接触点将发生粘着，同时车轮滚动时，轮缘在钢轨轨头侧面产生滑动，形成钢轨轨头侧面磨耗。钢轨轨头侧向磨耗如图5 所示。

1.5 波磨

钢轨波浪型磨损主要是由离散的轨枕支撑导致钢轨刚度不均匀引起。轨枕间距具有相等的间隔，则钢轨垂向或横向刚度具有周期性。图6、图7 为典型的钢轨波浪形磨损。

图6 钢轨短波长波浪型磨损

图7 钢轨长波长波浪型磨损

图8 为轮对蛇行运动导致的钢轨波磨。

假设蛇行波长为λ，yw为轮对中心横移量，钢轨上的灰线为波磨光带，由于轮对蛇行运动使轮缘贴靠一侧钢轨，轨角遭到严重磨损或塑性变形，由于这一侧轮轨作用载荷较大，所以这侧钢轨波磨同时包含了材料磨损和材料塑性变形2 种破坏机理，同时另一侧钢轨顶部外侧磨损也较严重。

图8 轮对作蛇行运动导致的钢轨波磨

1.6 擦伤

钢轨顶面擦伤（图9），发生在车轮制动时（此时车轮被闸瓦抱死），车轮沿着钢轨只滑动而不滚动（ω=0）（图10）。列车起动时因轮轨界面粘着力不够，导致车轮产生“飞车”现象（ω≠0）（图11），使钢轨接触面形成“扁疤”型擦伤。在以上2 种条件下，轮轨界面温度可瞬间达到600～1 400 ℃，接触界面附近的材料软化甚至融化，材料磨损率十分高。滑动停止后，接触表面附近材料迅速冷却，材料金相组织发生变化，形成马氏体，产生热残余应力和热疲劳裂纹。

图9 钢轨顶面擦伤

图10 车轮沿钢轨作纯滑动(紧急制动情况）

图11 车轮就地打滑（加速牵引情况)

2 解决措施

通过对上述几种典型的钢轨伤损现象进行分析，认为钢轨伤损在萌生和发展过程中各种破坏因素密切相关。如果从轨道结构配置、曲线参数设置、钢轨打磨、钢轨润滑等几个方面采取合理有效的应对措施，就能有效减缓这些破坏现象的发生和发展，延长钢轨使用寿命。

2.1 采用高强度钢轨

大断面重型钢轨可大大提高轨道的抗弯刚度，减小轨道的弯曲应力，增强轨道结构的承载能力。

积极采用耐磨钢轨，并对其材质进行强化、抗剥离和耐腐蚀处理（如淬火），提高钢轨的技术性能。

可采用PG4、75 kg/m 淬火轨。

2.2 采用Ⅲ型轨枕及配套扣件

采用Ⅲ型轨枕及配套扣件不仅能够提高轨下基础的承载能力，而且可以有效抑制道床残余变形积累。每根Ⅲ型轨枕比Ⅱ型轨枕的支撑面积大17.2%，不仅可以减少轨道的弹性下沉，还能减少道床应力22%。此外，由于Ⅲ型轨枕采取1 667 根/km 的等间距布置，比Ⅱ型轨枕能减少约10%的铺设数量，经济上也是可行的。

2.3 采用重型大号可动心轨道岔

采用重型大号可动心轨道岔，以减少重载列车对道岔区间的动力作用。

2.4 采用热塑性弹性体轨下垫板

采用热塑性弹性体垫板，其结构稳定，塑性变化小，重载下弹性变形较小，可以很好地适应重载运输的要求。热塑性聚酯弹性体TPEE 是含有聚酯硬段和聚醚软段的嵌段共聚物，与橡胶相比，具有更好的加工性能和更长的使用寿命，与工程塑料相比，同样具有强度高的特点，而柔韧性和动态力学性能更好。

2.5 采用Ⅰ级道砟，保证砟肩宽度

道砟是重载铁路上最易损坏的大宗材料，日常养护维修作业量的40%以上在道砟道床作业上。

提高道砟材质，加强对上线道砟质量的检验控制，对缺少道砟的线路及时补充优质道砟，提高道床阻力，是加强重载轨道整体结构的重要途径。

2.6 发展跨区间无缝线路，提高钢轨焊接质量

消灭钢轨接头和缓冲区，提高线路的平顺性和整体强度。采用移动式接触焊（闪光焊），提高现场接头的焊接质量，彻底实现线路的无缝化。

2.7 加强曲线及桥涵两端的养护

保持曲线良好的圆顺及平顺度，合理设置曲线超高值，适当调整内外轨底坡，适当减小轨距，加密小半径曲线地段的轨枕根数，改善曲线的内在质量及稳定性。延长桥涵两端的桥枕铺设距离，及时补足桥涵两端路基下沉地段的道砟，提高桥梁的稳定性。

2.8 改进钢轨打磨技术

采用新型钢轨整形技术，可利用钢轨铣磨车或打磨车，将钢轨预防性打磨作为钢轨养护维修的一项重要内容。钢轨铣磨车或打磨车的投入使用，将钢轨打磨由状态修调整为预防修，不仅能够消除钢轨鱼鳞状裂纹和剥离掉快，而且能够降低钢轨波浪形磨损，有效地延缓疲劳缺陷发展，极大地提高钢轨的平顺度。在改善轮轨接触几何状态的同时，减少轮轨间相对磨损，也减小对轨枕和扣件的破坏，确保行车安全。

2.9 用轨顶润滑技术降低轮轨接触应力和横向力

采用钢轨润滑剂对半径不大于1 000 m 的曲线上股钢轨进行润滑，以达到控制钢轨磨损速率的目的，有效延长曲线钢轨的使用寿命。

3 结语

只有不断深入地研究轨道破坏机理，多角度完善和强化轨道结构，认真探索运营安全与养护维修的合理匹配，才能有效延长钢轨使用寿命。

文章来源：

原文名称：重载铁路钢轨伤损原因探析与预防措施

作者信息：展红亮（朔黄铁路公司，河北肃宁062350）

原文出处：铁道技术监督 （2012）