轨底坡和轨头廓面对钢轨接触疲劳伤损的影响研究

2011-05-04邓建辉陈朝阳刘丰收

铁道建筑 2011年8期

邓建辉，陈朝阳，邓勇，刘丰收

(1.攀钢集团研究院材料研究所，四川攀枝花 617000;2.中国铁道科学研究院金属与化学研究所，北京 100081)

铁路的曲线路段钢轨为满足轮轨接触状态良好，降低轮轨接触应力，保证列车平稳运行，需设置轨底坡，我国在20世纪60年代中期将轨底坡由1∶20改为1∶40，一直沿用至今。

本文对我国目前60 kg/m钢轨在1∶20和1∶40轨底坡条件下与LM型货车车轮的接触状态进行了分析，并进行了60 kg/m轨型钢轨1∶20轨底坡的铺轨试验;还对美国07版136RE牌号钢轨与LM型货车车轮的接触状态进行了研究，并进行了1∶40轨底坡的铺轨试验，研究轨底坡和轨头廓面对钢轨接触疲劳伤损的影响。

1 轨底坡和轨头廓面对轮轨接触状态的影响

1.1 轨底坡对轮轨接触状态的影响

曲线上股钢轨的超高不变，当上股钢轨的轨底坡不同时，钢轨的接触疲劳伤损程度不同。

我国目前普遍使用的货车车轮是LM型，结合我国60 kg/m钢轨标准轮廓，分别对曲线上股钢轨在1∶40和1∶20轨底坡状态下的轮轨接触匹配状态进行分析，结果表明，在1∶40轨底坡状态下的轮轨接触斑面积明显小于1∶20轨底坡(见图1)，在线路其他条件不变的情况下，曲线上股钢轨采用1∶20轨底坡时见图2，增大了钢轨踏面的轮轨接触面积。参考文献［1］中60 kg/m钢轨1∶40轨底坡与LM型车轮匹配，在相同轴重条件下其接触应力是1∶20轨底坡的2.015倍，说明在1∶40轨底坡轮轨接触斑面积明显小于1∶20轨底坡的轮轨接触斑面积。轮轨接触斑面积减小，接触应力增大，加剧钢轨的接触疲劳伤损。

图1 我国60 kg/m新钢轨轮轨接触(1∶40 轨底坡，钢轨倾斜 1.43°)

图2 我国60 kg/m新钢轨轮轨接触(1∶20 轨底坡，钢轨倾斜 2.86°)

1.2 轨头廓面尺寸对轮轨接触状态的影响

为研究轨头廓面尺寸对轮轨接触状态的影响，选取美国07年版136RE牌号钢轨与LM型车轮匹配，与60 kg/m钢轨进行对比，结果表明在1∶40轨底坡时，美国07年版136RE牌号钢轨轮轨接触状态与我国60 kg/m钢轨在1∶20轨底坡的轮轨接触状态相当，见图3。说明美国07年版136RE牌号钢轨的轨头廓面设计比60 kg/m钢轨合理。两者的差别在于美国07年版136RE牌号钢轨的踏面圆弧为203.2 mm，我国60 kg/m钢轨的踏面圆弧为300.0 mm。我国60 kg/m钢轨如果在轧制时出现钢轨踏面负公差，钢轨踏面就更平(没有上“凸”显现)，则车轮与钢轨踏面就不易接触，形成只有轨上圆角区域接触，其轮轨接触斑就会明显减小，轮轨接触应力就会明显增大。

图3 美国07版136RE新钢轨轮轨接触(1∶40 轨底坡，钢轨倾斜 1.43°)

2 钢轨接触疲劳伤损观测试验

2.1 轨底坡改变铺轨试验

为了研究不同轨底坡对钢轨接触疲劳伤损的影响，在南昆线钢轨接触疲劳伤损突出的曲线分别进行1∶40和1∶20轨底坡的铺轨试验(1∶40轨底坡是现行规程)，采用轨底橡胶垫板来实现不同的轨底坡的调整。试验钢轨为1 100 MPa级热处理钢轨和U75V热轧钢轨，铺设路段参数见表1。该试验段前期使用的U75V热轧钢轨接触疲劳伤损突出，见图4。1∶40轨底坡的轮轨接触斑面积比1∶20轨底坡小，相应的接触应力增大。接触应力增大，其钢轨的接触疲劳伤损加剧，反之，钢轨的伤损减轻。

表1 试验钢轨铺设路段情况

图4 试验段前期1∶40轨底坡的U75V钢轨

试验钢轨于2008年8月铺设，至2010年3月钢轨使用19个月，对钢轨的使用情况调查结果表明:1∶20轨底坡时轮轨接触光带比1∶40轨底坡时宽约10 mm，见表2。并且1∶20轨底坡的钢轨接触疲劳伤损明显比1∶40轨底坡的轻。试验的U75V热轧钢轨与该路段前期在1∶40轨底坡条件下使用的U75V钢轨比较，接触疲劳伤损明显减轻，仅在个别钢轨的局部出现轻微的接触疲劳剥离伤损，绝大部分钢轨轮轨作用面光亮。

轨踏面轮轨接触光带增宽，表明轮轨接触状态更好，有利于减小轮轨接触应力，减轻钢轨的接触疲劳伤损。

同牌号钢轨在同路段的不同轨底坡条件下使用，接触疲劳伤损程度明显减轻，表明了轨底坡对其轮轨接触状态和钢轨接触疲劳伤损的影响。上股钢轨在1∶20轨底坡状态下其钢轨的倾斜角大于1∶40轨底坡钢轨的倾斜角，这就有利于车轮与钢轨踏面的接触，从而增宽钢轨的轮轨接触光带。

铺轨试验结果表明，1∶20轨底坡条件的钢轨接触疲劳伤损明显比1∶40轨底坡轻，说明在目前60 kg/m钢轨轨头轮廓尺寸状态下，轨底坡由现行的1∶40改为1∶20，可有效减轻钢轨的接触疲劳伤损。

2.2 按美国136RE牌号生产的SS钢轨铺设试验

在1∶40轨底坡条件下美国07版136RE牌号钢轨与LM型车轮的接触状态与我国60 kg/m钢轨在1∶20轨底坡条件下接触状态相当。同样在1∶40轨底坡条件下，美国07版136RE牌号轨型钢轨的接触疲劳伤损比60 kg/m钢轨损伤轻。

在京包线上行线进行了攀钢按美标136RE牌号生产的SS钢轨的铺轨试验。试验段线路曲线半径为610 m，年运量160 Mt，试验段原有线路参数均不变，铺设SS钢轨，而该路段前期使用的是60 kg/m U75V热轧钢轨，接触疲劳伤损和磨损突出，使用约一年就因伤损突出而下道。

SS热轧钢轨的抗拉强度 Rm≥980 MPa，延伸率 A≥10%，钢轨性能指标与我国U75V热轧钢轨相当，属于同一强度级别。试验钢轨于2007年10月铺设，采用1∶40轨底坡，钢轨使用36个月，整体使用状态较好，几乎未出现接触疲劳伤损，最大侧磨约12 mm。与前期使用的我国60 kg/m U75V钢轨比较，使用时间已经延长了2年，而且钢轨还能使用一段时间。

表2 不同轨底坡和不同使用周期的钢轨踏面轮轨接触光带比较

2.3 观测结果分析

1)通过对1∶40和1∶20轨底坡的轮轨接触状态分析，我国60 kg/m钢轨与LM型货车车轮接触条件下，1∶20轨底坡的轮轨接触斑面积明显大于1∶40轨底坡的接触斑面积，1∶20轨底坡的轮轨接触应力比1∶40轨底坡状态减小一倍［1］。轮轨接触应力减小，有利于减少钢轨的接触疲劳伤损。

2)对美国07年版136RE牌号钢轨与LM型车轮的接触匹配状态分析表明，轨底坡在1∶40状态下，其轮轨接触状态与60 kg/m钢轨在1∶20轨底坡条件的轮轨接触状态相当，美国07版136RE钢轨的轨头廓面尺寸设计对减小接触应力有利。

3)将轨底坡由1∶40改为1∶20后，增大了钢轨的倾斜度，相当于增大轨踏面的“凸”度，或者说相当于增大了轨踏面的圆弧曲率，在线路其它参数不变的条件下，改善了轮轨接触状态，增大了轮轨接触斑面积，由此减小轮轨接触应力，减轻钢轨的接触疲劳伤损。

由表2可见，同样的 60 kg/m 1 100 MPa钢轨，使用时间相同，1∶40轨底坡的钢轨踏面轮轨接触光带宽度比1∶20轨底坡的小约10 mm，轮轨接触光带宽度小，表明轮轨接触斑面积小，轮轨接触应力增大。

同样是 U75V钢轨，轨底坡由1∶40改为1∶20后，钢轨的接触疲劳伤损明显减轻。表明在目前的60 kg/m钢轨轨头廓面尺寸条件下，在曲线路段采用1∶40的轨底坡不是很合理。

SS钢轨在相同的路段所有线路参数均不变的情况下，仍是1∶40轨底坡，钢轨使用36个月，其接触疲劳伤损和磨损均明显轻于前期铺设的60 kg/m U75V钢轨，钢轨的实际使用寿命延长了2年。

钢轨的接触疲劳伤损与钢轨的抗接触疲劳强度有关，抗接触疲劳强度越高、越不易产生接触疲劳伤损，而钢轨的抗接触疲劳强度又随钢轨的抗拉强度提高而提高。136RE牌号 SS钢轨的强度与我国60 kg/m U75V钢轨属于同一级别，所以其抗接触疲劳强度应该是相当的。在相同线路条件下、同性能的钢轨出现不同程度的接触疲劳伤损，主要是由于不同的轨头廓面尺寸导致的轮轨接触斑面积和接触应力的变化所致。

据资料显示，美国的136RE牌号钢轨轨型在2005年版的基础上，2007年又进行了改进，制订了2007年版的136RE轨型标准。而我国钢轨的轨型标准几十年没变过。

［2］指出1965年起实行1∶40的轨底坡后，在一些小半径曲线路段钢轨接触疲劳伤损有所增加，轨底坡为1∶40的钢轨使用一段时间后，其轨头断面几何形状趋于1∶20轨底坡的断面形状，即相当于轨底坡改变成了1∶20。这主要是钢轨磨损后形成的。

从上述分析可见，轨底坡参数和轨头廓面尺寸对钢轨的接触疲劳伤损有直接影响，在目前的我国60 kg/m钢轨轨头廓面尺寸条件下，曲线路段采用1∶20的轨底坡是合适的，也有必要参考美国136RE牌号钢轨的轨头廓面尺寸，对我国钢轨轨头廓面尺寸进行优化。