重载铁路小半径曲线钢轨磨耗初探

(神华准能大准铁路公司 工务机械段，内蒙古 薛家湾 010300)
摘 要：文章通过分析钢轨伤损原因，提出了整改方法： 减缓轮轨的磨耗速度，延长设备的使用周期，探索小半径曲线的养护维修方法。
关键词：小半径曲线；钢轨磨耗；整治铁路
中图分类号：U216.42+6  文献标识码：A  文章编号 ：1007—6921(2009)20—0112—02 

大准线东起大同东站西至准格尔旗薛家湾站，是处于西煤东运北通道上的一条重要运煤专用 铁 路。设计初轨道结构为次重型，路基丹州营至薛家湾段次重型(比照重载路基压实)、大同东 至丹州营段重载路基。大准铁路原年设计运输能力为1 500万t，货物运输在2002年突破设 计运能后，运量平均每年以650万t的热血传奇私服规模递增，并于2006年开行C₈₀车辆编组的万 吨列车，为 解决日益突出的运能与运量的矛盾，大准铁路于2006年将全线50kg/m钢轨普通线路更换为60 kg/m钢轨的无缝线路。随着运量逐年增大，小半径曲线病害日益加剧，钢轨伤损依然严重， 针对大准铁路现状，技术人员积极分析钢轨伤损原因，努力探索小半径曲线的养护维修方法 ，改善机车车辆曲线通过条件，减缓轮轨的磨耗速度，延长设备的使用周期，逐渐形成了一 整套有效的维修方法，在线路维修中广泛使用，目前效果良好。
1 小半径曲线病害
1.1 造成小半径曲线“鹅头”

曲线方向不良多发生在曲线头尾处，曲线“鹅头”与反弯主要原因是养护维修作业方法不当 ，如用目视指挥拨道，习惯于上挑，从而破坏了曲线头尾的正确位置，使用简易计算法拨道 ，由曲线中间向两端拨道也有可能产生“鹅头”，设置缓和曲线长度、超高及轨距加宽递减 不合理，道床不实时，也易产生“鹅头”，列车动力的作用也有较大影响。
1.2 钢轨伤损
1.2.1 钢轨磨损
1.2.1.1 黏着磨损。轮轨之间的黏着磨损是造成钢轨磨损的重要原因。黏着磨损的磨损量 与钢 轨承受的荷载成正比，而与钢轨材质的屈服极限成反比。由于轮轨接触应力达到一定值后引 起钢轨表面金属的塑性变形，而后由于塑性变形的累积形成表面裂纹，在车轮荷载的循环作 用下使裂纹不断扩展，最终导致剥离掉块。为减少重载铁路钢轨的严重磨损，就必须采用屈 服极限较高的强韧钢轨和减小轮轨接触应力。
1.2.1.2 磨粒磨损。磨粒磨损也是轮轨磨损的一个重要原因。在列车转向架通过小半曲线 时， 转向架前轴外轮踏面与曲线外轨顶面接触，而车轮轮缘则与轨头侧面接触，形成轮轨两点接 触状态，使两点间存在导前值。当车轮滚动时，轮缘将磨削轨头侧面，也造成轮轨之间的磨 粒磨损。
1.2.1.3 表面疲劳磨损。在反复应力循环作用下，滚动接触表面将产生表面疲劳磨损。表 面疲劳磨损与接触时的最大弹性应力有关，列车轴重增加将严重缩短钢轨失效时间。
1.2.2 曲线钢轨侧磨
1.2.2.1 机车车辆一般是依靠导向轮轮缘导向通过曲线时，由于机车轴重大，轴距大，通 过曲线时轮轨间产生的横向作用力较大，能引起较大的钢轨应力及钢轨磨耗。
1.2.2.2 轮轨接触几何关系。当车辆沿线路运行时，轮轨接触点的位置不断发生变化，轮缘与轨头侧面之间在接触点处将 会产生相对滑动，造成轮缘与轨头侧面的磨耗，而且轮缘接触点离踏面接触点的垂向距离越 大，则摩擦越严重。
1.2.2.3 轨道几何参数对侧磨的影响。曲线轨道几何参数包括超高、轨底坡、曲线的圆顺度等。几何参数的设置是根据列车运行速 度和曲线半径决定的。如果设置不当，则可造成曲线钢轨侧磨。适当调整几何参数可改变轮 轨间的受力，并使轮轨间有良好的接触点，从而达到减缓钢轨侧磨的目的。

超高过大，列车的重量偏载于内股钢轨，会加大内股钢轨垂直磨耗，同时也会增加外股钢轨 的侧磨。因为内外股钢轨长度不等，当车轮箍导向车轮轮缘靠处股走行时，可以利用轮缘踏 面锥形坡度来弥补一部分，但在后轴上，一般内股轮缘紧贴内股，使内外钢轨行程差值相对 较大，只有靠外轮沿纵向滑动或内轮向后滑动来调整，导致外轨的侧向磨耗；如果超高过小 ，离心力得不到平衡，增大的横向力导致曲线外股侧磨增加。
在曲线轨道上，只有当轮对外轮的滚动半径大于内轮的滚动半径时，转向架才有良好的曲线 通过性能，从而减少车轮对钢轨的滑动摩擦。曲线上股轨底坡较小时，车轮踏面的滚动半径 增大，内外轮滚动半径差减小，滑动摩擦距离增大，从而加剧曲线外股钢轨的侧磨。

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1/4段 内，其导向力和冲角都较大。从现场观察可知，在此范围内经常出现钢轨最大侧磨点。曲线 圆顺度不良对钢轨轨头侧磨的影响是曲线正矢差小的地方，钢轨轨头侧磨速率的平均值相应 就小，反之钢轨轨头的侧磨速率就增大。
2 小半径曲线病害整治措施
2.1 防治曲线“鹅头”

日常曲线养护拨道时，一定用绳正法计算拨道量，全长范围内拨道并预留回弹量，合理做好 轨距加宽、超高与正矢递减，做到三者同步等量进行。在小半径曲线头尾处，应保持足够的 道床厚度，加强道床夯实，并保证曲线外股有足够的道床宽度。
2.2 合理调整轨道几何参数，减少侧磨
2.2.1 轨距

将轨距保持在标准轨距的0～-2mm，小半径曲线由于离心力的作用，轨距普 遍大6mm 左右，且不易保持。为使轨距保持在规定的范围内，将小半径曲线钢轨外侧的普通轨距挡板 更换为轨撑式挡板。
2.2.2 设置合理的曲线超高

通常根据列车通过曲线的平均速度来设置曲线外轨超高，因 此， 多数列车通过曲线时不时出现欠超高就是出现过超高。设置过超高，由于向心力的作用，导 向力减小，但增大了轮轨冲角；反之导向力增大，轮轨冲角减小（见图1）。技术人员通过 查阅资料、反复试验及现场观测，得出轮轨冲角在一定范围内减小优于导向力减小对钢轨侧 磨的影响。因此，根据实测速度及现场外轨侧磨合内轨压溃情况，及时调整曲线超高。 
2.2.3 保持曲线圆顺

现场在整正曲线时，为方便计算与施工，往往把非10m倍数的非整 点人为 地化为整桩点，从而延长或缩短了曲线长度，这就必然造成曲线不圆顺。技术人员采用以下 措施整正曲线：①增加缓和曲线正矢的标示数量，每5m标记一个正矢点，更换好的控制曲线 正矢、超高递变率；②使用全站仪测量计算拨道量，采取精确作业法配合大机整治曲线正矢 ；③进一步规范曲线检查，日常按规定定期检查曲线高低、水平、轨距(作业时控制标准0～ -2mm)、方向、正矢等几何尺寸，同时还重点检查曲线超高顺坡率、轨距变化率、正矢递变 率及曲线前后150m范围内直线地段的各项几何尺寸及顺坡情况；④日常养护维修拨道按“绳 正法”理论，把各曲线桩点拨量算出进行拨道；⑤对曲线进行地锚拉杆加固，以增加曲线的 横向框架刚度，确保其稳定性。
2.2.4 改变轨底坡

改变轨底坡实际上就是调整轨顶坡，使轮轨接触点发生变化而有利于 轮对通过曲线，减少外轨轨底坡可增大内外轮的滚动圆半径差，这样可减小轮轨之间的摩擦 。内轨轨底坡增加后，轮对横移量、横向作用力和摩擦功均有不同程度的减小，加大内轨轨 底坡对减缓钢轨的侧磨起到相当有利的作用。曲线外轨轨底坡保持原有的1/40，里股轨底坡 改为1/20，可提供较大的内外轮滚动半径差，减少车轮滑动，进而减轻钢轨磨损。
2.3 减小轮轨间的摩擦系数

当列车通过曲线时，由于轮缘以一定的冲角帖靠钢轨侧面，在轮缘与钢轨头部侧面之间就会 产生摩擦力。在轮缘、轨侧采用润滑措施，对曲线上股钢轨进行涂油，减少钢轨侧磨效果十 分显著。经试验，润滑工况与干摩擦工况相比，钢轨侧磨迅速下降，减磨效果可达2～10倍 （见图2）。在保证机车正常牵引和制动的条件下，润滑对改善轮轨的摩擦，降低列车的牵 引能量消耗，带来较大的经济效益。

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以上的方式只是在既有轨道基础上进行了整治。由于大准线设备现状与逐年增长的运量已不 相适应，与重载铁路的标准不相匹配。采用重型轨道能有效提高轨道的横向框架刚度，增加 道床的横向阻力，从而提高线路的稳定性。大准铁路公司为了适应运量的要求，减少曲线钢 轨侧磨，降低维修成本，已于2008年开始将大准线既有JⅡ型轨枕逐步更换为Ⅲ型混凝土轨 枕。要从根本上进行整治，建议选用耐磨的全长淬火钢轨，组织开展翻浆冒泥路基病害大修 施工，全面改善道床质量状况；使用大型养路机械维修线路，优化线路几何参数，提高线路 质量，从而减少病害，降低维修成本，提高运能。