论小半径曲线钢轨磨耗原因及防治

摘要:针对铁路运输小半径曲线轨道钢轨磨耗严重,危及铁路行车安全的问题,阐述了钢轨磨耗产生的机理,分析了导致铁路曲线钢轨磨耗严重的原因,介绍了相应的防治措施。

关键词:

力;小半径;曲线钢轨;磨耗;影响;防治措施

中图分类号:U2

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)16-0355-02

1 前言

铁路钢轨在大自然的影响和列车作用下,会因锈蚀、磨耗和伤损到一定程度而不断更换。在曲线轨道,特别是在小半径曲线轨道上,磨耗更为严重。我们辽源矿业集团铁路运输公司始建于1931年,钢轨型号复杂,设备陈旧老化,小半径曲线多,坡度大,钢轨磨耗更为严重。在养护维修中,近几年发现二百半径处钢轨磨耗远比其它处严重,表现为踏面磨耗、钢轨飞边、擦伤、剥落掉快和侧面磨耗,尤以侧面磨耗严重,需经常换轨。而换轨大修费用十分昂贵,且浪费工时,人员劳动强度大,成本消耗大。

2 钢轨磨耗产生的机理和影响因素

机车车辆在轨道上运行时,会产生各种复杂地振动,导致复杂地作用与轨道上的荷载,产生各种各样的力。

行驶中的机车车辆作业于钢轨上的力是非常复杂的。大体可分为垂直于轨面的竖向力,垂直于钢轨的横向水平力和平行于钢轨的纵向水平力三种。轨道在这些力的作用下,产生各种各样的应力和变形。

这些力或由于机车车辆与轨道之间的相互作用,或由于轨道本身温度变化或其它原因而产生,对钢轨产生不同影响。

2.1 竖向力的影响

竖向力是指作用于钢轨的车轮荷载。竖向力包括静轮重和附加动压力两部分,随行车速度的增加而增加,过大可以造成钢轨压溃现象。

影响竖向力的主要原因有:

(1)车轮踏面因制动或其它原因被擦伤而形成扁瘢。有扁瘢的车轮每转动一周要撞击钢轨一次,产生具有冲击性质的轮载,使动力附加值增加。

(2)车轮轮箍和轮心因圆周不同心而形成偏心。有偏心的车轮在行驶过程中对钢轨施加冲击力,犹似蒸汽机车的过量平衡锤一样,使动力附加值增加。

(3)机车车辆通过曲线轨道时,因未被平衡的外轨超高而产生的轮载偏载,使一股钢轨上的轮载增加,另一股钢轨上的轮载减小。

(4)机车车辆通过钢轨接头时,由于轨缝、错牙和折角的影响而产生的冲击附加力。

(5)机车车辆通过轨道不平顺时,由于簧上结构(轮对弹簧装置以上部分)和簧下部分(轮对弹簧装置以下部分)作复杂的空间振动,使作用于轨道上的动轮载有所增加。

(6)机车车辆通过钢轨顶面有类似擦伤一样的短波长单独不平顺时,产生与扁瘢车轮完全相同的冲击性轮载,使动力附加值增加。

(7)机车车辆通过曲线轨道时,作用于转向架上的横向力,使同一轮对上左右两车轮的轮载偏载。

2.2 横向水平力的影响

横向水平力是指车轮轮缘作用于轨头侧面上的力,是由未被平衡的离心力,线路不平顺及车辆摇摆的动力作用以及转向架、轮轴间相互作用所引起的力。在曲线地段,特别是在小半径曲线地段,横向水平力一般要大出直线地段好几倍。横向水平力受机车车辆、轨道结构类型、曲线半径、轮轨摩擦系数和轨道侧向刚度等众多因素的影响。机车车辆轮缘作用于钢轨上的横向水平力等于车轮通过曲线时的导向力与车轮循转向架转动中心转动时轮轨间摩擦力之差或之和,随车轮的转动方向而定。导向力根据转向架通过曲线时作用于其上的离心力、向心力、摩擦阻力的平衡条件计算求得。横向水平力能使钢轨的侧面磨耗加大。

影响横向水平力的主要因素有:

(1)机车车辆在方向不平顺的轨道上时(方向错乱,接头死弯,道岔上尖轨、辙岔翼轨和护轨等处所),因车轮轮缘或车轮内侧面冲击钢轨而引起的。

(2)机车车辆通过有未被平衡外轨超高的曲线轨道时,因离心力与向心力不能相互抵消而引起的的,能引起外轨或内轨的偏载。

(3)机车车辆通过曲线轨道时,因车架或转向架转向,使车轮轮缘作用于钢轨侧面上,这是产生横向水平力的主要原因。

2.3 纵向水平力的影响

产生纵向水平力的主要因素有:

轨道纵向爬行时的爬行力,坡道上列车重力的纵向分力,制动力,摩擦纵向力,因轨温变化而在钢轨内部产生的温度力。

3 产生钢轨磨耗的原因

3.1 钢轨的位置不正确

钢轨的位置不正确是造成钢轨磨耗的主要原因。由于钢轨位置不正确,使里外股钢轨受力不均匀,发生钢轨偏压,列车行车不平稳,产生附加力打击钢轨而加速轨面磨耗。

(1)超高度不适合。

超高过大或过小都会引起钢轨的偏载和轮轨不正常的接触。超高过大,则列车的重量偏载于里股钢轨,使里股钢轨的垂直磨耗加大,出现碾压现象,同时对外轨的侧面磨耗也不利。超高过小,列车外轮紧贴外轨运行,对钢轨的侧向磨耗也不利。因此说,超高度不适合,就能产生里外股钢轨偏载和轮轨的不正常接触,从而加剧钢轨的磨耗。

(2)钢轨轨底坡不正确。

钢轨轨底坡不合适使钢轨顶面与车轮踏面不相吻合,钢轨顶面受偏压,会加速钢轨的磨耗。曲线钢轨均是外侧钢轨长,内侧钢轨短,不能满足轮轨受力关系的要求。曲线内侧钢轨和车轮的接触面没有位于钢轨的轴心,而在钢轨外侧,钢轨受力不合理,从而造成内侧钢轨轨面外侧磨耗以及外侧钢轨轨面不均匀磨耗现象。

只有当外轨的滚动半径大于内轨的滚动半径时,机车车辆的转向架才能顺利通过曲线钢轨,车轮在与钢轨的滑动摩擦距离得以减少。通常情况下,可以对曲线里股钢轨增大轨底坡,以减缓钢轨侧面磨耗。

轨底坡设置是否合理,可根据钢轨顶面上的由车轮碾磨形成的光带位置来判定。若光带偏离轨顶中心向内,说明轨底坡设置不足,若光带偏离轨顶中心向外,说明轨底坡设置过大,若光带偏离轨顶中心居中,说明轨底坡设置合适。3.2 养护不良

曲线状态的好坏,对钢轨磨耗也会产生直接的影响。如果养护的曲线不良,则钢轨磨耗就大,反之,养护好的曲线,钢轨磨耗就小。

(1)轨距超限。

由于轨距超限,使车轮与钢轨的内接情况不好,阻力增加,增加车辆的不稳定性和横向力,增加导向力和冲击角,引起行车摇晃,造成钢轨磨耗。

(2)缓和曲线超高度递减距离不够。

由于缓和曲线受地形的限制,长度不能满足顺坡递减率的要求,顺坡率过大,引起列车在缓和曲线运行时发生振动,摇晃和冲击,加速钢轨磨耗。

(3)方向不圆顺。

在拨道时为图方便省事,经常把钢轨向上拨,使误差都集中在缓和曲线头,造成曲线“鹅头”,曲线方向不顺,列车通过曲线钢轨时,产生的导向力和冲击角不同,曲线钢轨受到的侧面磨耗影响也不同。理论上的计算表明,曲线钢轨正矢的变化与导向力和冲击角成正比。曲线钢轨鹅头状或者方向不圆顺,均会使列车通过时产生摇晃,加速钢轨的磨耗。

(4)道床不洁,捣固不良,线路上有三角坑,暗坑和吊板等病害或线路翻浆帽泥,线路质量变化,这些都会加速钢轨的磨耗。

(5)曲线若位于坡道上,坡度不良,使机车车辆在各种力的作用下对钢轨的磨耗加大。

3.3 其它原因

除了上述两大方面的原因外,还有其它方面的原因也能造成钢轨磨耗。

(1)钢轨本身硬度不够或钢轨未予及时修整,钢轨有低接头、硬弯,加大了车轮对钢轨的打击力。

(2)防爬设备、轨枕、联结零配件的数量缺少或失效,不能牢固的固定钢轨,也会使钢轨磨耗加剧。

(3)曲线轨道下股钢轨轮轨接触点上接触应力过大,在已经磨耗的车轮踏面边缘出现半径很小的反向凸缘,是曲线下股钢轨轨头压溃的主要原因。

(4)轮对通过小半径曲线时的“粘着――滑移”效应而产生钢轨波形磨耗,钢轨材质对波形磨耗的形成和发展也有很大影响。

(5)货物超载。

钢轨头部伤损几乎全是疲劳伤损,大都由超载引起。重载货物列车,即使运行速度不高,对钢轨的破坏也比一般高速列车大。我们公司主要承担矿山煤炭及其附属产品生产的装车和运输,自备车时有超载现象,对钢轨的损伤也加大了。

(6)机车车辆维修不及时,机车车辆轮对尺寸超限,车轮轮箍和轮心因圆周不同心而偏心或车轮踏面有擦伤等都会增大对钢轨的冲击力,使钢轨的磨耗现象加大。

4 钢轨磨耗的防治

钢轨磨耗超限,唯一的办法就是换轨。这样即浪费材料又浪费工时。因此,必须尽量减少换轨工作,把钢轨磨耗这一病害消灭在萌芽之中。即采取有效措施防止钢轨磨耗发生,或使钢轨磨耗的程度减缓。

4.1 正确调整钢轨位置

(1)正确调整曲线外轨超高度,合理设置外轨超高。

设置曲线外轨超高度,其目的有三点:第一是防止车辆通过曲线时向曲线外侧倾倒,第二是使上下股钢轨的荷载平衡,减少钢轨磨耗,第三是使列车安全平稳通过曲线,使乘客感到舒适。如果超高度不正确,就会加大钢轨的磨耗,使轨距挤开,造成机车车辆脱轨或倾覆。超高值大小需结合列车不同运行地段的实际速度进行调整,合理设置相应地段的曲线外轨超高。

我公司2003年前为蒸汽机车、牵引力大,列车速度高,外轨超高为60毫米,2003年改为内燃机车,机车平均速度下降,为25公里/小时,最高行车速度为40公里/小时,最低行车速度为10公里/小时。如果仍按原有超高运行,必会产生较大的向心力,甚至有倾覆的危险。这就需要改变原有的外轨超高度。

根据公式外轨超高度h=11.8V2平均/R=11.8*25*25/200=39.8≈40毫米。

《线路维修规程》规定,未被平衡的欠超高不大于75毫米,未被平衡的余超高不大于50毫米.。欠超高和余超高是未被平衡的离心加速度和未被平衡的向心加速度的另一种表示方法。

经过检测,把超高h=40毫米代入公式中,算出欠超高、余超高。

未被平衡的欠超高Δh=11.8V2max/R-h=11.8*40*40/200-40=54

未被平衡的余超高Δh=h-11.8V2min/R=.40-11.8*10*10/200=35

欠超高、余超高,皆在《线路维修规程》允许范围内。

我们把外轨超高度改设为40毫米,超高调整后,减少了未被平衡的离心力,钢轨的磨耗现象有所缓解。

(2)及时调整轨底坡。增大曲线下股钢轨的轨底坡,及时更换压溃大胶垫,使车轮的重心落在钢轨顶面中央位置上,以增加轮轨接触面面积。

4.2 加强养护,消灭超限

经常保持曲线状态良好,保持方向圆顺,正矢好,轨面平,轨距水平不超限,道床石碴清洁、饱满、夯实,以减少列车的摇晃,减轻车轮的冲击力。

4.3 其它防治措施

(1)在小半径曲线,可以广泛使用合金钢轨或淬火钢轨,以提高钢轨的耐磨性。但由于造价高,我公司没有采用。

(2)整修钢轨与零件的缺陷。

及时矫直钢轨的硬弯,整治接头支嘴,低接头与病害,二百半径处原低接头较多,经过起小坑,低接头现象得到改善。同时对缺损的联结零配件、防爬设备进行了补充,使钢轨固定在正确位置,使轨枕扣压力达到规定标准,减轻了钢轨的磨耗。(3)在已经磨耗的车轮踏面边缘出现半径很小的反向凸缘,是曲线上下股钢轨轨头压溃的主要原因。消灭磨耗踏面上的反向凸缘,是防止轨头压溃的最有效的补救措施。

(4)定期涂油。钢轨侧面涂油是减少曲线外股钢轨侧面磨耗的有效、经济的好方法,可以降低轮缘与钢轨作业边的摩擦系数,减轻轮缘的磨耗,并可节约机车所消耗的燃料。

定期对钢轨进行涂油,降低摩擦系数,减少钢轨磨耗,延长了钢轨的使用寿命。

(5)杜绝超载现象。

钢轨头部伤损几乎全是疲劳伤损,大都由超载所引起。重载货物列车,即使运行速度不高,对钢轨的破坏,也比一般高速列车大。我公司所载重车皆为煤车,时有超重的现象。认识到这个问题的严重性以后,我们对超载重车进行了整治,超载现象基本上杜绝了。减少了对钢轨的磨耗。

(6)曲线轨道上股钢轨的侧面磨耗与机车车辆的通过条件密切相关。减少钢轨侧面磨耗的最有效措施是改善机车车辆的通过条件,力求使列车轮轮缘导向力最小。加强对机车车辆的检修,使机车车辆的轮对尺寸不超限,轮缘车轮踏面无扁瘢,减少对钢轨的冲击力。

(7)及时对钢轨头部进行打磨,在波形磨耗还没有深到一定程度使打磨无效之前,予以彻底清除。

(8)把曲线的钢轨与直线的钢轨交换使用

将曲线上使用一年或二年的钢轨与直线上的钢轨倒换使用,减轻钢轨的磨耗。曲线与直线上钢轨的磨耗程度不同,互相倒换还可延长钢轨的使用寿命,但要注意不要调边使用。

5 结束语

通过以上整治,我公司二百半径处钢轨磨耗现象得到了减缓,减轻了维修工作强度,延长了曲线钢轨的使用周期。同时在经济效益上起到了增收节支重要作用。

以上几个方面的防治措施,是我们在多年的维修工作中,通过实践积累起来的,有些可能很不完善,在今后生产实践应用中,我们将会不断完善和更新。

参考文献

[1]童大埙.铁路轨道[M].北京:中国铁道出版社,1988.