浅谈延长重载铁路曲线钢轨使用寿命的方法

宋学兵

摘 要：在重载铁路曲线钢轨中，通过适当调整曲线超高、对钢轨表面初始裂纹进行预防性打磨，可改善轮轨关系，将钢轨伤损消灭在萌芽阶段，从而延长钢轨的使用寿命，并减少了设备隐患，从而保证铁路运输的安全、高效、稳定。因此，对延长重载铁路曲线钢轨使用寿命的方法措施进行了探讨。

关键词：重载铁路；曲线钢轨；轨道超高；轮轨关系

中图分类号：U298 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.075

大秦铁路自1992年全线开通以来，运量逐年增长，2015年运量已经达到4.5×109 t，成为世界上运量最大、最繁忙的铁路。在大秦铁路中，曲线钢轨伤损越来越重，这不仅埋下了安全隐患，还会耗费大量的人力、物力监测轨道的安全状况和维护轨道的正常营运。根据研究表明，周期性地对曲线钢轨打磨和设置合适的曲线超高，是减少曲线钢轨伤损、延长曲线钢轨寿命的有效途径。

1 轨道曲线超高调整

1.1 轨道超高的基本概念

轨道超高的目的是用车辆自身质量的横向分量来抵消车辆在转弯时产生的离心力，以免车辆在上股道形成过大的横向力，从而减少钢轨侧磨和降低脱轨的风险。图1是车辆在弯道行驶

时的受力图。车辆在行驶中会受到重力（mg）、离心力 和

风力（Hw）的作用。

图1 车辆受力图及轮轨受力图

图1中，m为车辆质量；g为重力加速度；V为车辆速度；R为曲线半径。如果忽略风力的作用，当重力的横向分量与离心力达到平衡时，其数学表达为：

. （1）

式（1）中： 为车辆中心的横向分量；h为轨道超高；d为

轨距； 为车辆转弯的离心力。

如果d=1.5 m，g=9.81 m/s2，将速度单位由m/s转换成km/h，将超高单位改为cm，则式（1）可以简化为常用的轨道超高设计公式：

. （2）

式（2）还可以表示为：

. （3）

式（3）中：h为超高偏差。

当h=0时，式（3）表示的是平衡时速度与超高的关系（平衡超高状态）；当h>0或h<0时，式（3）分别表示过超高或欠超高时速度与超高的关系。

1.2 轨道欠超高研究

在20世纪90年代初，我国曾对轨道超高进行过研究。在该研究的众多结论中，有2点与轨道超高有关：①欠超高可减小冲角，从而降低上股道钢轨的侧磨；②欠超高可防止下股道压溃。此次研究认为，欠超高有利于对钢轨的保护。根据此结论，大秦线线路的养路维护曲线基本采用欠超高。

1.3 轨道超高的现状分析

以大秦线K385+100和K386+400两条曲线为例，曲线中点位于K385+151和K386+404处两个相邻曲线的上股道钢轨侧的磨损相差巨大，如图2所示。图2中的蓝色线为新钢轨，红色线为已磨损的钢轨。然而，这2条曲线的条件基本一致、半径均为800 m、铺设时间均为2009-06、车速相差不大；2条曲线唯一的差别是超高不同，位于K385和K386两处的曲线超高分别为70 mm和60 mm，相差10 mm。图3为超高与侧磨的关系，可见超高较大的钢轨侧磨小，超高较小的钢轨侧磨大。

a.位于K385的曲线 b.位于K386的曲线

图2 大秦重车线K385、K386处2009-02测量的上股道钢轨的廓面形状

图3 大秦重车线K385-K386两段曲线的上股道钢轨的侧磨与超高

在进一步对车速分布的调查研究中发现，在K386曲线上与60 mm超高对应的平衡速度为63 km/h，如图2所示，在通过该曲线的车辆中，有71%的车辆的速度大于该速度，其所产生的离心力没有被重力水平分量所抵消，因此，车轮被离心力推向上股道，导致轮缘与轨侧接触，进而造成严重的钢轨侧磨；在K385处曲线上的轨道超高为70 mm，这一超高对应的平衡速度为69 km/h，仅有54%以上车辆的速度大于该速度。虽然K385曲线的超高设置并不完善，但与K386曲线相比，大于平衡速度的车辆的比例较低，且侧磨较轻。

图4 在K385-K386两段800 m曲线的车辆通过速度分布

2 钢轨打磨

2.1 钢轨打磨的目的

钢轨的伤损主要表现为钢轨磨损（垂直磨耗和轨侧磨损）和疲劳破坏（裂纹和剥离掉块）。钢轨的失效主要表现为磨损超标和因疲劳破坏而产生的钢轨重伤。对大秦重车线钢轨使用情况的调查表明，曲线上、下股在铺设后2个月出现了不同程度的剥离掉块，而这种剥离掉块不仅会严重影响钢轨的使用寿命，还会给超声波探伤作业造成困难，进而给运输安全埋下隐患。采用钢轨打磨的方法（以最佳重载轮轨廓面为基础）控制钢轨廓面形状，可改善轮轨关系，延缓和消除钢轨的接触疲劳和疲劳破坏。

2.2 钢轨打磨的原则和方法

钢轨打磨要以最佳钢轨廓形为基础，减小或消除轮轨蠕滑。钢轨打磨的3项基本原则为“严格根据重载铁路钢轨最佳廓面、预防性地去除钢轨上的疲劳初始裂纹、打磨中将磨削量降至最低”。

钢轨疲劳破坏起源于钢轨的表面初始裂纹，初始裂纹会在钢轨表层扩展，最终导致剥离掉块。此外，初始裂纹还会向钢轨深层扩展，进而导致钢轨重伤，严重时可能会出现断轨。因此，消除初始裂纹就能消除疲劳破坏，采取预防性地钢轨打磨是通过钢轨打磨去除疲劳初始裂纹的有效途径。

在直线上，初始裂纹大部分出现在钢轨顶面两侧的塑性流动部位，因此，对直线钢轨的打磨主要是削掉钢轨两侧的塑性流动层，并收窄接触带。

对曲线下股道的打磨与在直线上的相似，主要是削掉钢轨两侧的塑性流动层，并收窄接触带，以去除钢轨顶面两侧出现的初始裂纹。对于曲线上股的钢轨，裂纹出现的主要部位在轨距角附近和轨肩表面，因此，打磨轨肩附近的浅表层是必要的，以去除初始裂纹。此外，上股的顶部也会出现疲劳破坏，如果出现大面积的疲劳裂纹，则应打磨顶部。

3 结束语

综上所述，通过适当调整重载铁路曲线钢轨的曲线超高、对钢轨表面初始裂纹进行预防性打磨，可改善轮轨关系、将钢轨伤损消灭在萌芽阶段，从而延长钢轨的使用寿命，并减少了设备隐患，保证了铁路运输的安全、高效、稳定。

参考文献

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[3]胡森.曲线钢轨磨耗机理及整治办法的研究[J].上海铁道科技，2005（01）.

〔编辑：张思楠〕