集通线减少曲线地段钢轨磨耗分析

(内蒙古集通铁路(集团)有限责任公司  内蒙古 呼和浩特 010010)
摘 要：文章分析了集通线曲线地段钢轨产生磨耗原因， 提出了减少曲线地段钢轨磨耗一些具体办法。
关键词：集通线；曲线钢轨；磨耗；分析
中图分类号：U213.4＋2  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2009)03—0330—03
集通铁路是东北连接西北的一条铁路通道。通过地段大多属于山区，小半径曲线较多，曲线 磨耗问题一直困扰着集通铁路的工务部门。随着列车牵引质量和机车轴重的增加以及列车运 行速度的相对提高，小半径曲线地段钢轨侧磨速率加大，迫使工务部门缩短换轨周期，大大 增加了铁路的运输成本。
1 经棚至嘎拉德斯汰区间曲线钢轨磨耗情况
1.1 线路状况

经棚至嘎拉德斯汰间区段延长48km，地处集通线的中心腹地，设备条件较复杂，高路堤、深 路堑、小半径曲线、大坡道较为集中。R≤600m的曲线39条，延长23 394m，占整个区段48km 的48.8%。其中R＝600m曲线11条，延长5 626m，R＝500m曲线7条，延长2 676m，R＝400m曲 线17条，延长10 086m，R＝350m曲线4条，延长5 014m；机车在经棚至上店区间下行运行时 ，处于坡度大于6‰的最大连续延展长度7 302.77m的上坡道，在上店至嘎拉德斯汰区间上行 运行时，处于坡度大于6‰的最大连续延展长度7 100m的上坡道，该区间最高行车速度限速5 5km/h，货物列车上坡时运行速度较低。
1.2 曲线钢轨侧面磨耗情况

为真实掌握集通线管内经棚至嘎拉德斯汰区段小半径曲线钢轨侧面磨耗的情况，段里建立了 定点定时观测制度，在2006年组织对K479＋277～K480＋403(R＝350m)段；K503＋536～K5 04＋069(R＝400m)段；K504＋136～K505＋289(R＝400m)段；K506＋238～K506＋909(R ＝400m)段；K509＋376～K511＋012 (R＝400m)段五条小半径曲线的钢轨侧面磨耗进行重 点观测，具体磨耗情况见表1。

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2 产生钢轨磨耗的原因分析

曲线钢轨磨耗是一个复杂的问题，涉及轮轨间的作用力、轮轨的化学成分、机械性能、金相 组织等，其中最主要的影响因素——轮轨间的作用力，也受诸多因素的影响，如机车车辆转 向架的动力性能、轮轨踏面的形状、轨道几何形位、轨道刚度等。针对集通线经棚至嘎拉德 斯汰间曲线钢轨侧面磨耗的具体情况，本文从不同的角度对小半径曲线地段钢轨磨耗的原因 进行分析与研究。
2.1 曲线轨道的受力分析

小半径曲线钢轨磨耗的产生与钢轨受力有直接关系。当列车在曲线地段运行时，作用于钢轨 上的力分为三个方向，即竖直方向、水平横向以及水平纵向。
2.2 机车车辆曲线通过形态。一般情况下，机车车辆转向架通过曲线时，转向架第一轮对的外轮总是贴靠外轨的内侧，其 余轮对则视列车通过曲线的速度而定。低速时，转向架最后一轮对的内轮可能贴靠内轨(最 大偏斜位)，机车以正常强制内接形式通过曲线。当速度高时，转向架最后一轮对的外轮轮 缘不贴靠外轨，内轮轮缘不贴靠内轨(自由位)，这时机车以自由内接形式通过曲线。随着 速度的增高，离心力的增大，转向架最后一轮对的外轮有向外滑动的趋势(最大外移位)。 多数情况下，转向架以自由内接形式通过曲线。转向架以正常强制内接形式低速通过曲线时 ，处于最大偏斜位，此时轮轨之间的冲角最大。随着速度的增加，转向架由正常强制内接形 式转为自由内接形式通过曲线，而轮轨之间的冲角随之减小。转向架通过曲线时的各种位置 如图1。

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2.3 轮轨接触状态与轮轨磨耗的关系

中国机车车辆走行部是按照传统强迫导向理论设计的，在机车车辆通过小半径曲线时，轮缘 靠贴钢轨，通过轮缘与轨头侧面之间的正压力，即导向力的作用使机车车辆转向，同时也使 轨道承受了横向作用力。根据国内轮轨学的研究可知，摩擦力与摩擦距离相乘的摩擦功是曲 线钢轨轨头侧磨的主要原因。

通常轴重大、转向架长、曲线半径小、摩擦系数大，导向力即正压力值也大，当然摩擦力值 也大，轮轨间摩擦系数的减少不但可使摩擦力降低，而且可使导向力即正压力减少，从而使 钢轨侧磨减轻，这就是轮轨之间涂油减少摩擦系数进而可减轻钢轨侧磨的主要原因。轮轨之 间的摩擦距离就是轮轨两点接触状态下的导前值即轮缘与钢轨侧面接触点导前车轮轴线的距 离。当列车类型一定时，导前值主要与轮轨冲角有关，而摩擦力又主要与导向力有关，即导 向力与冲角的乘积越大，钢轨侧磨就越严重。
2.4 轮轨冲角与轮轨磨耗的关系

当列车类型一定时，两点接触状态下的导前值主要与轮轨冲角有关，冲角越大，导前值越大 ，轮缘与轨头侧面间的滑动范围也越大，轮轨间磨耗就越剧烈。通过以上4个方面的研究可 知，轮缘与轨头侧面的导向力和冲角是引起钢轨侧面磨耗的主要因素。曲线半径越小，轮轨 之间的导向力和冲角都越大，钢轨轨头的侧磨也就越严重。
3 集通线钢轨磨耗特点及各种因素对钢轨磨耗的影响

通过观察发现，集通线经棚至嘎拉德斯汰间小半径曲线的磨耗还具有以下6个特点： ①曲线 上股钢轨伤损基本都是由侧磨造成；②磨耗情况同机车类型关系较大；③最大侧磨点出现在 曲线中部。半径相同的条件下，曲线越长，侧磨越严重。同一根钢轨上，小腰处侧磨较严重 ，大腰段相对较轻；④机车下坡运行时侧磨严重，而上坡运行上时侧磨相对较轻；⑤侧磨与 钢轨的材质有关；⑥雨季侧磨严重。

为了找出影响钢轨磨耗的原因，从轨道几何参数、钢轨材质、钢轨涂油、机车构造性能及轴 重等几方面进行了分析。
3.1 轨道结构几何参数对钢轨侧磨的影响

超高对钢轨侧磨的影响。钢轨侧面磨耗的一个主要原因是轮缘在钢轨侧面上滑动，两者之间 的滑动距离越长，则钢轨的轨头侧磨就越严重。从超高计算可知，如果是欠超高，则外轮偏 载，即外轮所受的荷载大于内轮，此时内轮滑动的可能性较大；如果是过超高，即内轮所受 的荷载要大于外轮，则外轮滑动的可能性就较大。因此在曲线上设置的超高小于用平均速度 计算所得的超高，大部分机车车辆以欠超高形式通过曲线，外轮荷载大于内轮，达到了减缓 曲线钢轨轨头侧磨的目的。

轨底坡对钢轨轨头侧磨的影响。改变轨底坡实际上就是调整轨顶坡，使得轮轨接触点发生变 化而有利于轮对通过曲线。在轨头未磨损的条件下，适量调整内轨轨底坡和轨距则可改善轮 轨之间的接触状况。当外轨轨底坡不变，将内轨轨底坡增加1∶40(也即内轨轨底坡改变为1 ∶20)，则当轮对横移量为零时，内外轮的滚动圆半径差就达到将近1mm，所以增大内轨轨底 坡对减缓钢轨轨头侧磨有利。

轨距对钢轨轨头侧磨的影响。曲线轨距加宽是将内轨向曲线内侧移动，大轨距会使得内轮的 滚动圆半径更小，加大内外轮滚动圆半径差，有利于轮对的导向，这是轨距加宽有利的一面 。不利的一方面是，轨距增大不仅使横向力和冲角的最大值增大，而且横向力和冲角的平均 振幅都增大，增大了轮轨之间的冲击。所以目前国内外铁路不管在直线上还是在曲线上都有 减小轮轨间隙的倾向，以减小轮轨之间的冲角及轮缘和钢轨的磨耗。

曲线圆顺度对钢轨侧磨的影响。在对曲线线路进行分析计算时，是考虑曲线线路在圆顺状态 下进行的，但实际上曲线线路上钢轨不可能绝对圆顺，如存在钢轨“接头支嘴”、“硬弯” 等。从现场观察可知，线路存在有不圆顺点时，这一点就引起轮对、转向架甚至车体的横向 振动，从而造成轮轨之间的振荡型不均匀侧磨。曲线不圆顺的长度越短，引起的振荡就越厉 害。因此加强对轨道结构的养护，提高曲线的圆顺度，有利于降低轮对的振荡作用，从而降 低轮轨之间的不均匀侧磨，从总体上减缓曲线钢轨轨头的侧磨。
3.2 合金钢轨及淬火钢轨对钢轨侧磨的影响

合金钢轨及全长淬火轨能明显提高轨头的屈服强度和金属表面的疲劳强度，有利于抵抗轮载 作用下钢轨的塑性变形和延缓轨面出现剥离掉块现象，有效的提高了钢轨的抗磨能力。虽然 高强淬火轨的成本较高，但由于它可明显地提高钢轨的使用寿命，延长换轨周期，效果仍然 十分显著。
3.3 轮轨涂油对钢轨侧磨的影响

轮轨润滑具有特殊性。轮轨接触时，车轮踏面与钢轨顶面接触需要保持较高的粘着系数，而 车轮轮缘与钢轨内侧圆角的接触则需要润滑减少磨损，因此轮轨润滑对润滑装置的要求十分 高，润滑装置的完善与否，直接影响着轮轨润滑的效果。完善的涂油装置只将润滑剂涂于机 车轮缘、轨头侧面，减小轮缘、轨侧的摩擦系数，降低列车运行阻力，减轻轮轨磨损，延长 轮轨使用寿命。
3.4 机车构造性能及轴重等因素对曲线钢轨侧磨的影响

轮对定位方式因素。DF4型机车一系悬挂刚度和纵向刚度取决于轴箱拉杆定位刚度及轴箱弹 簧横向刚度的定位作用 。轴箱拉杆采用大小头结构，其纵向和横向刚度都比较大，因此， 机车通过曲线时产生的导轮轮缘力也比较大，相应的对钢轨的磨耗就比较严重。

轴重因素。随着轴重的增加，机车通过曲线时所产生的未被平衡离心力相应增大，反映在轮 轨上则是导向轮对的横向力增大，机车轮缘磨耗加剧。

转向架和轮对技术状态对钢轨磨耗的影响。DF4型机车转向架旁承的结构摩擦副浸泡在润滑 油中以减少滑动摩擦阻力,这种旁承具有良好的抗蛇行运动性能,但在曲线多、半径小、通过 速度较低的线路上运行，其摩擦阻力比较大。加之机车运行时的惯性转向力会使轮缘导向力 大大增加,将会产生更大的转向阻力。这样对钢轨的磨耗将会更大。

轮轨材质的匹配因素。轮轨是一对摩擦副，二者材质的提高必须保持一定的比例关系。实践 证明，车轮踏面的强度和硬度应小于钢轨的强度和硬度即当轮/轨的硬度比为1/(1.2～1.3) 时轮轨的耐磨耗性能最佳。

机车类型因素。研究表明，在同一条线路上更换牵引机车类型后，曲线钢轨轨头侧磨则急剧 增加。铁科院在相同的轨道状态下对两轴与三轴机车测试结果表明，两轴转向架机车的轮轨 之间冲角和横向力都比三轴转向架的机车小，因此三轴转向架的机车对曲线钢轨轨头的侧磨 较大。
4 减缓钢轨磨耗的措施
4.1全面改善轨道弹性

在当前和今后很长一段时间内，工务系统线路养护维修面临的主要问题是：小半径曲线的钢 轨磨耗和混凝土枕的挡肩破损；钢轨的低接头病害(如轨头压溃)；由于线路底碴不足和道碴 被磨碎粉化造成的线路板结和翻浆泛白病害；以及由于板结和翻浆病害，造成的混凝土枕的 横、纵裂纹失效和钢轨的加速疲劳伤损(如核伤、钢轨裂纹)等。所以应通过全面清筛道床， 来彻底改善轨道弹性，以减少小半径曲线的钢轨侧磨与接头病害。在清筛的同时，更换III 型轨枕，增强线路结构的整体稳定性与承载能力。
4.2 合理设置曲线超高

由于经棚至嘎拉德斯汰间坡度大、曲线半径小且集中，上下行行车速度差较大，要合理设置 曲线超高，必须综合考虑列车种类、牵引重量、上下行速度、货物列车和旅客列车的速度等 因素。通过实测一昼夜或几昼夜不同种类列车的速度，结合列车的牵引重量来计算曲线超高 ，并对未被平衡超高进行检算，使其在最佳范围内。
4.3 调整轨底坡

在曲线里股增设1/20的轨底坡，可有效的改善轮轨间接触点的位置及受力大小，降低导向力 和轮轨间的冲角，减轻轮轨之间的磨耗。所以在曲线：K503＋536－K504＋069(R＝400m、L ＝533m)段和K506＋238－K506＋909(R＝400m、L＝671m)段的内股增加1/40的坡形胶垫， 通过对其影响钢轨磨耗情况进行观察，发现效果比较明显，目前这一方法已经在磨耗严重的 R≤400m的曲线上推广。
4.4 加强养护维修，保持曲线的圆顺度

曲线不圆顺就意味着曲线半径不一致，有的处所半径变大，有的处所半径变小。小半径曲线 钢轨磨耗严重，大半径曲线钢轨磨耗较轻，形成不均匀的侧面磨耗。因此，采用绳正法理论 计算、拨道，使曲线圆顺及整治接头是防止不均匀磨耗的有效措施。为此，建议按“绳正法 ”理论用计算机把各曲线桩点拨量算出，然后在曲线外侧打桩，按各桩拨量拨道。这些桩按 “固定桩”设置，以后维修时就“按桩拨道”即可，不需再进行计算。这样不仅简化了维修 曲线的程序，而且可保持曲线的圆顺度。从2005年开始，采取对经棚至嘎拉德斯汰间的R≤6 00m的小半径曲线利用大型养路捣固机械，在起道的同时完成拨道作业，全面提高了曲线的 圆顺度。
4.5 更换淬火钢轨

现在经棚至嘎拉德斯汰间有18条R≤400m的小半径曲线上股已全面更换了全长淬火钢轨，通 过一段时间的观察，效果较好。

轮轨涂油方面。现在国内只在一些磨耗严重的个别曲线地段进行涂油，像集通公司经棚至嘎 拉德斯汰间这样连续小半径曲线与大坡道复合线路条件下涂油的经验却不成熟。经查阅资料 ，认为集通线经棚至嘎拉德斯汰段，在现有的线路与机车运行状况下，不适合使用涂油的方 式减小磨耗。
5 结论

通过对曲线地段轨道受力情况等的分析，对曲线地段钢轨磨耗的原因进行认真的研究，有针 对性的从改善轨道弹性等五方面提出了减少曲线地段钢轨磨耗的措施，通过采取这些措施， 集通线经棚至嘎拉德斯汰段曲线地段钢轨的磨耗已经得到了有效的控制。文中所提到的一些 作法对其他铁路也有一定的借鉴意义。
［参考文献］
［1］ 陆化平.铁路小半径病害成因及整治措施［J］.科技情报与经济，2006，(24). 
［2］ 吴禄保.曲线外轨超高及受力分析［J］.铁道运营技术，2000，(6).