上海地铁一号线曲线钢轨侧磨研究

陈 佳 君

(1.同济大学经济与管理学院，上海 200000;2.上海轨道交通维护保障中心工务公司，上海 200129)

0 引言

地铁发展日新月异，据了解，至2009年底，上海将开通10条线路，共310 km的线路。随着接管的线路越来越多，作为地铁保障单位的工务分公司责任也愈显重要，因此对于现有的曲线侧磨轨要进行及时的控制与更换。根据资料显示，我国98%的小半径曲线钢轨是由于侧面磨耗超限而报废的。严重的钢轨侧面磨耗减少了钢轨的强度，缩短了钢轨的使用寿命，不仅浪费了大量的资金，而且还干扰着运营任务的完成。随着轨道交通运量的不断增长，曲线侧磨超限的问题越来越突出。研究曲线侧磨超限及防治技术就显得越来越迫切。近年来，随着列车牵引重量的增加和列车通过速度的提高，无缝线路曲线钢轨侧磨日益严重，侧磨速度不断加快，尤其是小半径曲线上股钢轨的侧磨更为严重。因此，我们必须正确认识和掌握曲线侧磨的发展规律，主动进行超前防范。

1 曲线钢轨侧磨形成的机理

1.1 钢轨曲线侧磨的形成过程

通常情况下，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面轨距侧，转向架车轮轮缘与钢轨发生接触，这是曲线钢轨发生磨耗最主要的原因。而其余轮对则视列车通过曲线的速度而定。据统计，650 m半径以下小半径曲线的侧磨超限尤为严重，这是因为小半径曲线曲率越大，未被平衡的离心力就越大，轮轨之间接触加剧(见图1)。

图1 侧磨形成的位置

在曲线钢轨侧磨出现的初期，由于钢轨表面微观上来看是一个较为粗糙，是一系列凹凸点构成的面，而未被平衡离心力造成的横向力在钢轨轨头侧面产生过大的接触应力(见图2)。即作用在钢轨轨头侧面上的荷载较大，根据摩擦原理轮轨之间摩擦力与荷载成正比，原本凸出点发生断裂脱离母材形成凹坑，而原来的凹坑成为凸点，往复进行就形成了钢轨轨头侧面的磨耗，这是曲线侧磨发展的第一阶段。

随着磨耗的发展，车轮与钢轨的接触面积亦随之增大，当钢轨受到的摩擦力在其自身耐磨强度允许范围内，钢轨的磨耗趋于缓和。继续发展下去钢轨内部先出现疲劳裂纹，加速了钢轨磨耗发展速率，直至成为重伤轨，这是曲线侧磨发展的第三阶段。

1.2 接触疲劳裂纹的形成过程

钢轨出现疲劳裂纹与多种因素有关(见图3)，包括列车通过频率、运量、轴重、曲线半径、轨道不平顺度等，可以说是一个复杂的多项参数渐变的过程，总之由于钢轨工作疲劳紧张才是最主要原因。

图2 轮轨之间二点接触

图3 接触疲劳裂纹的形成过程

上海地铁一号线自1997年全线贯通至今，相邻列车间隔的时间根据城市轨道交通的发展缩短了不少，现在高峰时期列车间隔时间为150 s左右，运量也处于逐年递增的趋势。频繁的车次和高运量是造成钢轨工作紧张度增加的原因，另外上海地区处于软土层，路基无论是隧道、地面还是桥梁，本身就发生不同程度的沉降，轨道也因此存在各种各样的不平顺。钢轨处于这样高强度工作条件下，轨头工作面因时效效应发生冷硬化致使其硬度不断增长，轮轨关系始终处于“硬碰硬”的状态(见图4)。这是造成钢轨疲劳裂纹的内因。

图4 钢轨金相发生变化示意图

2 曲线钢轨侧磨情况分析

2.1 工务保养改善曲线侧磨

由于我国目前城市轨道交通采用的磨耗形车轮踏面，其斜率并非是一常数，也即当轮对有一横移量时，其两轮轮径差的变化并非线性，离轮缘跟部近，则车轮踏面斜率就较大，轮径的变化较大;离轮缘跟部远，踏面斜率小，轮径变化也小。图5表明，在同样轮对横移量的条件下，轨距小，则轮径差就大，从而有利于降低轮轨之间的冲击角，减小钢轨侧面磨耗系数。结果当月测得的磨耗值增加量有明显的减少。

2.2 凹形车轮对内轨外侧表面伤损的影响

在徐家汇车站附近线路踏勘时发现，除钢轨表面有剥离掉块外，内轨轨顶面外侧有一明显的擦痕，如图6所示。根据轮轨接触几何条件，认为这主要是由于假轮缘在轨顶面摩擦所引起。

图5 凹形车轮踏面

图6 假轮缘与轨头外侧接触的光弹应力图

列车在线路上运行，车轮踏面要发生磨损，如磨损不均匀，就会形成凹形车轮踏面，如图5所示，车轮踏面的外侧称为假轮缘。如将未磨损和磨损的车轮踏面形状进行对比，如图7所示。

图7 未磨损和磨损车轮踏面的对比

在图7中，将车轮踏面分几部分:轮缘面、轮缘跟部、轮踏面和踏面外侧(轨道外侧)，当轮对中心线偏离轨道中心线不同距离时，轮轨的接触部位也发生变化。在正常情况下，是轮踏面与钢顶面接触。当列车通过曲线时，一轮对的外轮轮缘贴靠钢轨侧面，造成曲线外轨的侧面磨耗，此时外轮轮缘与外轨侧面间无间隙，所有轮轨间隙都在内轮与内轨轨距侧之间，内轮的踏面外侧与轨头外侧接触，如此时车轮为凹形磨耗形踏面，则就会造成假轮缘与轨头外侧接触，如图6所示。从图6中可知，由于假轮缘为凸出状态，且曲率半径很小，往往造成很大的轮轨接触应力，对轮轨的伤损产生很大的影响。

上海地铁曲线轨道内轨的受力没有图6所示的极端严重状态，但由于钢轨侧磨轨距扩大，轮轨间隙增大，造成轮对横移量增大，但轮踏面部分仍与钢轨顶面踏部分接触，假轮缘与轨头外侧接触，从而造成轨头外侧的擦伤现象。为避免这一现象，应适当调整轨距，对车轮进行镟轮，减小假轮缘与轨头外侧接触的概率。

3 曲线钢轨侧磨减缓措施

3.1 预利用设备资源检查轨道动态情况

通过三全检查，我们可以对轨道静态几何状态有详细的了解。然而由于轨下基础受到质量、刚度和阻尼等作用限制，光检验静态几何状态并不能满足现代轨道交通工务保障的要求，如何了解动态几何状态，尤其是钢轨踏面是否不平顺越发重要。

3.2 巡检及测量工作

巡检中要求人员对于出现磨耗的曲线要重点观察磨耗发展情况，并且进行涂油工作。由于钢轨疲劳裂纹容易出现在那些钢轨踏面不平顺的区域，作为工务线路工区，每周两次的巡检除了全面看之外还应该增加重点观察和检查。

3.3 小半径曲线的日常养护

加强小半径曲线的维护，首先要加强小半径曲线的检查。工区每个季度检查一遍曲线正矢，适时采用改道的方法来进行整治，重点消灭由于不圆顺度造成的附加正矢量，减少由于轨道几何状态不良造成的列车横向偏移。

［1］颜秉善，王其昌.钢轨力学与钢轨伤损［M］.成都：西南交通大学出版社，1989.

［2］练松良，孙 琪，王午生.铁路曲线钢轨磨耗及其减缓措施［M］.北京：中国铁道出版社，2001.

［3］王午生.铁路线路工程［M］.上海：上海科学技术出版社，1999.

［4］龚积球.曲线钢轨损伤的起因及对策［J］.上海铁道科技，2004(6)：31-32.

［5］孙建业.通过综合养护工作延长曲线钢轨使用寿命［J］.科技情报开发与经济，2003(2)：68-69.