★小半径曲线钢轨磨耗分析及整治措施

小半径曲线钢轨磨耗分析及整治措施

小半径曲线的换轨周期，主要由上股钢轨的侧面磨耗和波形磨耗来控制。我国铁路行业小半径曲线上的钢轨有98％是由于侧面磨耗超限而报废的。对于小半径曲线上的钢轨而言，轮轨的磨耗和损伤十分严重，具体表现在曲线上股钢轨侧磨加剧，导致几何形状发生改变，有效截面减小，影响运营安全。因此，必须在钢轨磨损达到一定限度时就更换钢轨，以保证列车的运营安全。严重的钢轨侧面磨耗减少了钢轨的强度，加剧了钢轨的伤损，缩短了钢轨的使用寿命，不仅浪费大量的资金，而且还干扰运营任务的完成。因此，延长钢轨使用寿命对解决轨道交通因钢轨磨耗而出现报废的问题具有积极意义。

1 曲线钢轨磨损机理

钢轨磨耗主要有垂直磨耗、侧面磨耗、鞍型磨耗和波形磨耗（简称波磨）等。其中影响最大的是钢轨的侧面磨耗和波形磨耗，下面就这两种磨耗机理进行简单阐述。

1.1 波磨机理

波形磨耗是指钢轨使用后钢轨顶面出现的波形不均匀磨耗。按其波长分为短波（波纹形磨耗）和长波（波浪形磨耗）两种。据研究，钢轨波形磨损形成的充要条件是轮轨接触点上的法向力和切向力联合作用结果，使旧钢轨轨头内产生2～7mm深的塑性区，并且在纵向负蠕滑率作用下，塑性区向上向前产生碾压变形基础单波，同时踏面经过不均匀磨耗和压宽，由单波发展成多波，从而导致波形磨损的发生和发展。在轮轨系统中，影响钢轨波磨形成的因素很多，大致分为两类：一是轮对的扭转粘滑振动的强度，它决定了是否会形成钢轨波磨；二是在车辆运行条件下，钢轨波磨是否会进一步发展，是加速还是减缓波磨的发展，则取决于轨道弹性和阻尼、机车车辆及其走形部构造特性、曲线半径、轮轨间粘着系数及轮轨蠕滑力特性曲线、轨道不平顺等因素(见图1)。

图１波磨示意图

1.2 侧磨机理

钢轨侧磨发生在小半径曲线的外股钢轨上，是目前曲线上伤损的主要类型之一。列车在曲线上运行时，轮轨的摩擦与滑动是造成外轨侧磨的根本原因。当机车车辆在直线轨道上运行时，一般轮轨间仅为一点接触，但列车通过小半径曲线时，外轮缘与外轨的轨距线相互贴靠，产生两点接触现象，并在该点上产生钢轨对车轮的导向力。与此同时，轮轨接触点上的轮对运行方向与轨距线的切线方向形成一个冲角α，轮缘将缘着切线方向对轨头边缘不断削磨，产生侧磨。侧磨的大小可用导向力与冲角的乘积即磨耗因子来表示。因此，导向力和冲角是决定钢轨侧磨大小的两个主要因素。疲劳裂纹图、钢轨外轨磨耗示意图分别如图2、图3所示。

图2 滚动接触疲劳裂纹

图3 钢轨外轨磨耗示意图

2 曲线钢轨磨耗的影响因素分析

曲线钢轨磨耗的影响因素存在于轨道和机车两个方面。从轨道方面而言，影响因素有：曲线半径、外轨超高、曲线轨距加宽，轮轨间的摩擦系数、轮轨游间以及曲线状态的好坏等；从机车方面而言，影响因素有：机车的类型、轴重、机车转向架构造、机车牵引性能以及行车速度。

2.1 轨道参数对钢轨磨耗的影响

2.1.1 曲线半径大小的影响

钢轨曲线段车轮与钢轨相互作用产生对列出轮对的导向作用，车轮与钢轨产生相互间的粘着、蠕滑，轮轨的磨耗和损伤十分严重。而且半径越小，钢轨磨耗越严重。表1列出了某地铁线路小曲线半径处的钢轨磨耗实测数据。

表1 小曲线半径对磨耗影响表

2.1.2 轨距

如图4所示：δ=(D A-D B)/(4n)

S =δ+ q

(n为踏面斜率；D为滚动圆直径)

如果轨距变大，则游间δ增大（轮轨游间值为轨距与轮对宽度之差）。列车进入曲线时，运行的蛇形幅度变大，列车左右摆动加强，作用于钢轨的横向力增大，轮轨间撞击力也变大，从而加剧轮轨磨耗和轨道变形。现场试验表明，适当减小轨距，可以改善机车车辆通过曲线的条件，使两轮的滚动半径差增大，滑动力减小，轮缘与外轨侧面之间的摩擦力也就减小，同时车体横向摇摆减弱，轮轨导向力也适当减小，从而减轻侧磨(见图4)。

图4 两车轮滚动半径

2.1.3 超高

由于超高影响导向力和冲角的变化，因而直接影响钢轨轨头侧磨速率的大小。经过对欠超高与过超高对曲线钢轨侧磨的影响的大量观测试验表明，有着适当的欠超高对减缓钢轨侧磨是有利的。

表2 超高对侧磨影响表

北京铁路局与北方交大合作也曾对此进行长期研究，并在石家庄至太原铁路线小半径曲线地段建立了实验观测段。如表2所示，试验段实测的列车平均速度为v=78km/h，曲线半径R=600m。按传统的超高公式计算的平衡超高为h=120mm。实测侧磨量数据表明，在平衡超高时钢轨侧磨量最大，试验同时也表明在小于平衡超高时钢轨侧磨量最小，得到了与其上相同的结论。各方专家研究表明，按平均速度算得的超高减少15%来设置曲线超高是比较合理的。

2.1.4 轨底坡

对轮轨接触几何关系的研究表明，轮轨接触角不同时，轮对中心将偏离轨道中心线以不同的滚动半径运行。加大内轨轨底坡，减缓外轨轨底坡，可加大内外轮滚动半径差，减小车轮在外轨上的滚动距离，从而达到减缓侧磨的目的。石太线对R=300m的两曲线改变轨底坡后，月均侧磨实测数据如表3所示。分析结果表明，曲线内轨轨底坡加大，曲线外轨轨底坡减小，将会减少轮对通过曲线时的轮轨滑动量，进而有利于减缓曲线钢轨磨损。

表3 轨底坡对侧磨影响表

2.1.5 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关系。曲线不圆顺就意味着曲线半径不一致，有的所处半径变大，有的所处半径变小。小半径曲线钢轨磨损严重，大半径曲线钢轨磨损较轻，从而形成不均匀磨损，减少钢轨的使用寿命。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，其导向力和冲角增大较多，钢轨侧磨加剧。因此，进行拨道使曲线圆顺及整治接头和消灭硬弯是防止不均匀磨耗的有效措施。

2.2 钢轨材质对磨耗的影响

由于各条线路的钢轨情况不同，所以影响轮轨磨耗的程度也不尽相同。各国铁路部门都在增加钢轨重量和提高钢轨技术性能两方面下功夫。据德国文献资料，速度由120km/h提高到160km/h时钢轨应力增加10.8%，这就需要增加钢轨的重量和改善钢轨的性能。石家庄工务段在石太线上行23个曲线的6.745km线路上铺设各种高强度、高硬度钢轨，磨耗情况如表4所示。高强度钢轨能有效延长钢轨的使用寿命，故改进钢材的生产工艺，保证钢轨质量的均一性，对减缓钢轨磨耗可以起很大的作用(见表4)。

表4钢轨材质对磨耗影响表

3 曲线钢轨磨耗的减缓措施

3.1.1 轮轨润滑

列车在曲线段上行驶，在轮轨接触面涂油，可以降低滑动摩擦因素，大大降低摩擦力，达到减缓钢轨磨耗的目的。轮轨涂油的效果已为国内外的铁路运营实践所证实。根据美国的试验资料，涂油后钢轨侧磨量降至原来的1/5～1/7，效果非常明显。为了减缓轮缘与轨头侧向磨损，可采用轮缘和钢轨轨头工作边润滑方法。

(1)人工涂液态油

人工涂油只能使用液态油，用量难于控制。油渗入疲劳纹将加速疲劳纹的发展，同时加大了车轮横向滑动。因此已经较少采用人工涂油。

(2)在列车上安装固体涂油装置

车载式钢轨涂脂装置投资少、见效快，是减缓轮轨磨损和延长轮轨使用寿命的有效方法。只要进行科学的管理和使用，一定会达到理想的减磨效果，取得更大的经济效益和社会效益。

3.2 钢轨断面打磨

机车车辆通过曲线一般是靠导向力来导向，而现代化曲线通过理论证明，在一定的曲线半径和机车车辆结构下，可用轮轨蠕滑力导向，从而使外侧轮缘簿贴靠外轨或减小贴靠时的冲角，以减轻轮轨磨耗。如图5所示，非对称打磨的断面形状，对外轨打磨可使轮轨接触点A移到B点，则内外轮滚动半径增大。理论上说，这个差值若能比内外轨长度差略大，则外侧轮轨可不接触，完全由轮轨蠕滑力导向，这是最理想的。对内轨打磨可以避免轮缘根部与轨距角的接触，防止轨头的剥离。非对称打磨在减缓钢轨侧磨、延长钢轨使用寿命方面取得很大效果。国外应用经验表明：将这种技术用于重载铁路，横向力可减少50%～90%，延长钢轨使用寿命50%以上。另外，我们还可以进行校正性打磨，保持轨面的平顺，再结合预防性打磨，打磨掉钢轨表面的细微裂纹，使之不能发展成接触疲劳型波磨。

图5 钢轨打磨图

3.3 改善转向架性能

改善车辆曲线通过性能是研究转向架动力学性能一直追求的目标。根据相关资料表明，采用径向转向架是降低曲线上轮轨磨耗和提高直线上稳定性的有效措施，适合运用在摆式列车及曲线较多的既有线提速客车上。

3.4 加强车辆的维修保养

车辆高质量的维修保养，也能减缓轮轨侧磨。例如，对车轮踏面上扁疤及时进行修正。另外，当轮对定位缺陷与曲线方向成不利组合时，轮轨磨耗增大近4倍。降低轮对定位误差，及时维修养护车辆，使轮对处于良好的状态，则对减缓曲线钢轨的侧磨和轮缘的磨损都是有利的。

3.5 小曲线半径地段安装新型护轮轨

弹性减磨、防脱新型护轨装置是近年来铁道科学研究院研制的新型护轨装置。它主要由护轨及护轨支架组成，护轨不与轨枕发生关系，是先将护轨支架用螺栓与扣板紧固在钢轨（走行轨）的轨底上，再将护轨用螺栓紧固在支架上，护轨的轮缘槽宽度根据需要可调。该装置在国内城市轨道交通线上已广泛采用，该装置能减少小半径曲线外股钢轨轨头侧面的磨耗与伤损，能延长钢轨使用寿命3～4倍，减少小半径曲线保养、维修工作量30%～40％。该装置也可在道岔尖轨尖端前基本轨处安装，减少车轮对尖轨的撞击。

4 国内外现状与发展前景

针对不可避免的轮轨磨耗，各国都采取了不同的减少磨耗方法。有的从轮轨关系入手，利用蠕滑力导向改善轮轨的接触条件和摩擦条件；有的从增加钢轨重量和提高钢轨技术性能两方面下功夫；有的通过更换曲线上股钢轨为全长淬火轨，提高钢轨的使用寿命；有的采用曲线钢轨不对称断面打磨技术减缓侧磨的发生，还有的采用科学的轮轨润滑技术降低轮轨磨损。总之，钢轨磨耗是一个具有积极经济意义和发展前景的研究方向。

5 结语

轮轨磨损是世界铁路界长期研究的课题，在理论和实践上已取得了很大进展。但城轨交通领域对轨道部件磨耗研究尚少，应借鉴（大）铁路的理论和成功经验，开展研究；应从轮轨系统的角度，把车辆和工务结合起来，提出养护维修中应采取的措施，以减缓轨道部件及车轮磨耗，提高轨道部件的使用寿命。

（来源：2013年第2期《地铁科技》；作者：邱捷程志全张学敏赵伟明）