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重載小半徑曲線鋼軌最佳磨耗率及鋼軌打磨參數研究
摘要：對不同通過總重下的重載鐵路小半徑曲線在役鋼軌進行取樣、裂紋深度測量、流變層金相分析、鋼軌型面測量和磨耗計算，分析了輪軌磨耗和裂紋隨通過總重累積的發展情況和相互關系。根據磨耗和打磨對裂紋的影響，分析了裂紋-磨耗消長平衡機制，提出了最佳磨耗率的計算方法，并分析了試驗段的鋼軌最佳磨耗率和預防性打磨參數。結論表明：用適當時機的磨耗加打磨來消除或控制裂紋，有利于實現預防性鋼軌打磨和延長鋼軌使用壽命。該重載條件下，小半徑曲線預防性鋼軌打磨的打磨周期約為1700~2000 萬噸通過總重，上、下股鋼軌打磨量分別為0.40~0.45mm、0.25~0.30mm，最佳磨耗率為0.032~0.034mm/MGT。
關鍵詞：道路與鐵道工程；鋼軌；滾動接觸疲勞；鋼軌磨耗；鋼軌打磨；最佳磨耗率
0 引言
現場觀測發現，重載鐵路小半徑曲線鋼軌上道后不久就在表面出現疲勞裂紋、剝離掉塊和肥邊[1]，而這時的輪軌磨耗還不足以磨損掉這些傷損，使得疲勞裂紋和剝離掉塊得以進一步擴展；當通過總重累積到一定程度時，輪軌磨耗才逐漸加快并抑制疲勞裂紋的發展，但這時在曲線鋼軌上已經形成一定規模且較為嚴重的密集裂紋或剝離掉塊，之后鋼軌磨耗特別是上股鋼軌側磨快速發展，導致鋼軌的型面惡化甚至過早下道。疲勞裂紋和剝離掉塊的存在影響鋼軌的現場探傷，會引起核傷、斷軌等安全事故，而磨耗影響鋼軌使用壽命。目前，預防性鋼軌打磨是控制和減緩鋼軌使用初期滾動接觸疲勞裂紋、改善輪軌關系的重要措施，其目的就是通過合理時機內的輪軌磨耗結合鋼軌打磨來“捕捉”到裂紋的發展，同時恢復鋼軌型面、改善輪軌關系，從而平衡裂紋和磨耗，這個平衡點被稱為最佳磨耗率[2][3]。Kalousek 等[4][5]研究了北美重載鐵路的最佳磨耗率，提出了預防性鋼軌打磨的參數如打磨周期和打磨量。
Dikshit 等[6]設計了鋼軌取樣和實驗室裂紋金相分析的方法；Satoh 等[7]通過對軌頭表面塑性變形的觀測，建立了有效的鋼軌打磨作業方法；Schoech 等[8]跟蹤觀測了疲勞裂紋和磨耗的發展，設計了相應的鋼軌養護方法。為了發揮鋼軌打磨技術的優勢，需要根據我國重載鐵路小半徑曲線鋼軌滾動接觸疲勞裂紋和磨耗發展的規律，確定小半徑曲線鋼軌的最佳磨耗率及打磨參數。本文在對我國典型重載鐵路中的小半徑曲線鋼軌進行跟蹤取樣、裂紋測量和特征分析、軌頭型面測量的基礎上，建立裂紋-磨耗消長平衡機制，研究疲勞裂紋與輪軌磨耗、鋼軌打磨量和打磨周期的關系，提出最佳磨耗率和相應的預防性鋼軌打磨參數。
1 試驗概況
試驗線路為山區重載貨運鐵路，電氣化自動閉塞，開行5000 噸重載列車，年運量約1.2億噸，重車線的小半徑曲線鋪設75kg/m 的U75V 淬火鋼軌（1180MPa），II 型混凝土軌枕、1840 根/公里、I 型彈條扣件、II 級碎石道床，道床厚550mm。
前期現場觀測發現，500m~600m 曲線半徑的鋼軌上道后約10MGT（百萬噸通過總重）時，在一些地段就出現疲勞裂紋并隨著通過總重的累積逐漸密集、擴展、相連最后形成剝離掉塊，而這時的輪軌磨耗尚不足以磨耗掉這些裂紋；通過總重約100MGT~150MGT 以后，輪軌磨耗加劇，疲勞裂紋和剝離掉塊的發展受到抑制，但已形成一定規模，甚至布滿整個輪軌接觸帶。
選取 R=500m 的某曲線線路作為試驗段，其圓曲線部分長375m，坡度7‰，超高90mm。
線路在觀測期間進行正常的上股鋼軌側面涂油和大機搗固。
對試驗段鋼軌進行多次取樣和磨耗測量，時間分別是新軌上道后（新軌未預打磨）、累積通過總重約9.8MGT、30.1MGT 和58.2MGT。
2 鋼軌疲勞裂紋測量
2.1 鋼軌表面觀測和取樣
經表面觀測，累積通過總重9.8MGT 和30.1MGT 時，試驗段的上、下股鋼軌均在垂磨測量點位置（靠近軌距角1/3 軌頭寬度處，下同）有疲勞裂紋，而頂面及其他位置未出現裂紋；累積通過總重58.2MGT 時，上、下股鋼軌在軌距角和軌頂面都存在疲勞裂紋裂紋。
每次觀測后，分別從試驗段的圓曲線中部截取30cm 長的上、下股鋼軌各一根，作為裂紋測量的取樣軌。從取樣軌上沿列車運行方向切割縱斷面試樣若干，并在裂紋出現的位置截取試樣進行裂紋深度觀測。
2.2 裂紋深度
疲勞裂紋的深度是縱斷面試樣上軌頭表面到裂紋尖端的垂直距離。上、下股鋼軌在垂磨測點處的裂紋深度隨通過總重的累積而變化的情況如圖1 所示。從圖 1 中可以看出，隨著通過總重的累積，上、下股鋼軌的疲勞裂紋深度的最大值和平均值都呈增長的趨勢。說明在新軌上道后的初期，上、下股鋼軌表面疲勞裂紋就較早地萌生，并以較快速率向軌頭內部擴展。
2.3 鋼軌表面塑性變形
從鋼軌橫斷面金相組織發現，裂紋大多數起源于表面，且沿表層流變方向擴展，隨著通過總重的累積，流變層的厚度逐漸增加，如表1 所示。當超過表1 的深度后，鋼軌內部的流變逐漸減弱。
3 鋼軌型面測量和磨耗計算
新軌上道后，采用鋼軌型面測量儀測量定點（間隔5m）的上、下股鋼軌型面作為初始輪廓。在3 次通過總重條件下，再分別測量相同測點的鋼軌型面，與初始輪廓進行比較，計算相應的垂磨量和側磨量。
考慮到用于裂紋測量的取樣軌位于圓曲線中部，因此，將圓曲線中心前后各65m 范圍內的鋼軌測點進行統計，全長130m，約占圓曲線全長的1/3。計算磨耗發展率時，將兩次測量的磨耗量與兩次測量間的通過總重增量相比。兩股鋼軌的平均磨耗量和平均磨耗發展率如表2。可以發現，垂磨方面，初期垂磨量較大，且隨著通過總重的累積逐漸增加，而垂磨發展率呈降低趨勢；側磨方面，初期上股鋼軌側磨量較小，且隨著通過總重的累積逐漸增加，側磨發展率也呈增加趨勢，下股鋼軌側磨不明顯未做統計。這樣，在60MGT 前，上股鋼軌側磨量在1.2mm 以內，側磨速率在增加，垂磨量在1.0mm 以內，垂磨速率在降低。
4 最佳磨耗率和打磨參數
4.1 裂紋-磨耗消長平衡機制
國內外對裂紋和磨耗的研究表明[4][5]，鋼軌滾動接觸疲勞裂紋與輪軌磨耗相互影響。磨耗較小，則裂紋發展就很快；磨耗較大，則裂紋發展緩慢，甚至變化不明顯或被消除掉。從試驗段觀測來看，輪軌磨耗不足以消除裂紋，需要引入鋼軌打磨，借助打磨來平衡裂紋和磨耗的關系。這樣，建立裂紋-磨耗消長平衡機制來控制裂紋擴展，找到最佳磨耗率，并設計合理的鋼軌打磨參數，如圖2 所示。裂紋-磨耗消長平衡機制的原理就是，在掌握裂紋理論深度（一定通過總重下，不考慮輪軌磨耗時裂紋理論上擴展的深度）和垂磨發展率的基礎上，將鋼軌打磨考慮進來，設計合理的打磨周期和打磨量，即在裂紋擴展的適當時機（打磨周期），以最小的打磨量結合打磨周期內的輪軌自然磨耗量，將鋼軌疲勞裂紋消除或控制，達到裂紋-磨耗的平衡。這樣，就將裂紋的擴展與磨耗的發展、打磨周期和打磨量聯系起來。
這時根據鋼軌打磨和自然磨耗所確定出來的單位通過總重的磨耗速率即為最佳磨耗率。
這種最佳磨耗率使鋼軌具有狀態良好、無明顯裂紋的滾動表面，或者使鋼軌具有穩定的、適度裂紋的鋼軌表面。這種情況下的預防性鋼軌打磨，既能很好的控制滾動接觸疲勞裂紋，又改善了輪軌關系，一定程度上控制了側磨的發展，同時又以較少的打磨量、快速的打磨效率，節約了打磨成本，充分發揮了打磨設備的效率。
4.2 疲勞裂紋的理論深度
首先根據裂紋和磨耗測量數據計算不同通過總重下的裂紋理論深度。一定通過總重時的平均理論深度Q0 h 包括該通過總重下金相測量到的平均裂紋深度Q h 和被通過總重磨耗掉的平均深度wQ h ，即垂磨量，計算公式如下：
whQ = hQ + hQ0 （1）式中，Q 為累積通過總重（MGT）；Q0 h 為Q 通過總重時的平均裂紋理論深度（mm）；Q h 為Q 通過總重時測量得到的平均裂紋深度（mm）； wQ h 為Q 通過總重時的軌頭平均垂磨量（mm），iwQiniwQ Q s h Δ ? Δ =Σ=1（2）i 為測量次數； i ΔQ 為第i次測量至第i+1次測量間的通過總重增量（MGT）； wQi Δs 為i ΔQ通過總重內的軌頭平均垂磨發展率（mm/MGT）。
根據圖 1 和表2 的數據，計算得到的平均裂紋理論擴展深度hQ0 如圖3 所示，其符合對數分布的規律。
4.3 最佳磨耗率和打磨參數
根據裂紋-磨耗消長平衡機制，在預防性打磨周期內，最佳磨耗率可以從以下兩方面考慮：
（1）從磨耗角度考慮，最佳磨耗率應包括輪軌垂磨速率和單位通過總重下的打磨量；（2）從裂紋理論深度考慮，最佳磨耗率應正好磨耗掉理論裂紋。
這樣，以打磨量、打磨周期和最佳磨耗率分別為x、y、z 為坐標，建立三維坐標系。根據由測量數據經曲線擬合后內插得到的垂磨發展率和理論裂紋深度數據。由表2 可知，通過總重到達約58MGT 時，上股鋼軌平均側磨已經達到1.274mm，這時鋼軌型面已經發生變化，預防性鋼軌打磨將鋼軌型面恢復到標準型面較困難，打磨量會很大，因此，預防性打磨應該在鋼軌型面未發生明顯變化之前，即通過總重約60MGT 之前實施。
假設打磨周期在5MGT~60MGT 通過總重、打磨量在0.1mm~1.0mm 變化時，公式（2）、（3）得到的最佳磨耗率是兩公式所代表的曲面的交線，上股鋼軌的最佳磨耗率如圖4 所示。圖 4 中，網格曲面由公式（2）結合磨耗發展率數據得到，為從磨耗和打磨角度考慮的最佳磨耗率；光滑曲面由公式（3）結合平均理論裂紋深度數據得到，為從裂紋深度角度考慮的最佳磨耗率。當前者大于后者時，說明不僅裂紋被磨耗掉，而且不存在裂紋的軌頭金屬也被過度磨耗掉；反之，則說明裂紋沒完全被磨耗掉，軌頭內仍然存在裂紋。當兩者計算得到的最佳磨耗率相等時（圖4 中的黑實線），則說明裂紋恰好被磨耗掉。俯視圖4，即將打磨量和打磨周期分別作為橫、縱坐標，就形成圖5�？梢园l現，在兩曲面的交線處，當打磨參數取最小時（圖5 的A 點），即打磨量為0.33mm、打磨周期為1000 萬噸，對應的最佳磨耗率為0.061mm/MGT。考慮到軌頭垂直磨耗限值為12mm（75kg/m 鋼軌重傷標準），這種情況下鋼軌的壽命大約為1.97 億噸通過總重，鋼軌壽命因初期較高的輪軌磨耗（與新鋼軌型面與車輪型面匹配而發生較高的磨耗有關）和頻繁的打磨而縮短，因此，這種打磨參數及對應的最佳磨耗率對鋼軌壽命不利。當最佳磨耗率取最小時（圖5 的B 點），即最佳磨耗率為0.026mm/MGT，這時對應的打磨周期為5500 萬噸通過總重，打磨量為1.0mm，在這樣的通過總重下，鋼軌軌頭輪廓被磨耗成與車輪外形匹配的外形，因而輪軌磨耗率降低，但是裂紋深度已經較大，需要大量的、多遍的打磨才能消除裂紋，增加了實際作業的難度。所以要使打磨參數和最佳磨耗率兩者最佳匹配，如圖5中的C 點，最佳磨耗率為0.032mm/MGT，對應的打磨周期為2000 萬噸、打磨量為0.45mm，可以打磨掉表面流變層的厚度，預計的鋼軌壽命大約為3.7 億噸通過總重。
同理，分析下股鋼軌的最佳磨耗率和打磨參數發現，最佳磨耗率為0.034mm/MGT 時，對應打磨周期為2000 萬噸、打磨量為0.3mm，這時預計的鋼軌壽命為3.5 億噸通過總重。
考慮到打磨車的作業效率，一條曲線通常是兩股鋼軌同時進行打磨作業，則該小半徑曲線的預防性鋼軌打磨可以考慮每隔1700~2000 萬噸通過總重時進行，打磨量約為0.40~0.45mm（上股鋼軌）和0.25~0.30mm（下股鋼軌），這時對應的最佳磨耗率約為0.032~0.034mm/MGT。
5 結論
本文建立了鋼軌裂紋-磨耗消長平衡機制，提出了最佳磨耗率和打磨參數的計算方法，得到如下結論：
（1）試驗段現有條件下，鋼軌上道初期的輪軌磨耗無法消除或控制裂紋的擴展，必須利用裂紋-磨耗消長平衡機制，引入預防性鋼軌打磨，在鋼軌表面傷損如裂紋和磨耗尚未嚴重時，選擇適當時機，以較小的打磨量，平衡裂紋和磨耗的發展，從而達到控制鋼軌表面傷損和磨耗、延長鋼軌壽命的目的；（2）設計合理的預防性鋼軌打磨周期和打磨量，要根據運行狀況、軌道結構參數等條件，掌握鋼軌磨耗狀態和裂紋萌生擴展狀態；（3）在一定的線路運輸條件、軌道結構和輪軌幾何關系的情況下，鋼軌的最佳磨耗率與打磨參數，即打磨周期和打磨量密切相關、相互影響，只有將打磨參數和最佳磨耗率綜合考慮，才能充分發揮預防性打磨的優勢、有效地延長鋼軌使用壽命；（4）在考慮磨耗和疲勞裂紋發展的情況下，試驗線路的鋼軌最佳磨耗率約為0.032~0.034mm/MGT，預防性鋼軌打磨周期為1700~2000 萬噸通過總重，每次打磨的打磨量約為上股鋼軌0.40~0.45mm、下股鋼軌0.25~0.30mm；（5）一次打磨作業的打磨量應該超過該打磨周期內軌頭表面流變層的厚度；（6）在進行預防性鋼軌打磨時，除實施設置的打磨量以消除和控制軌面裂紋外，還應通過打磨恢復標準鋼軌型面或為減緩鋼軌側磨而設計的特殊鋼軌型面（如非對稱鋼軌型面），從而改善輪軌幾何關系和接觸關系，改善車輪通過曲線的狀態，減緩鋼軌側磨。
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