小半径曲线钢轨磨耗研究

吴 野 上海铁路局南京桥工段

1 引言

曲线是轨道三大薄弱环节之一，特别是半径小、坡道大的曲线随着列车运量的增大、速度的提高，小半径曲线外股钢轨侧面磨耗加快。为了适应铁路运输发展的要求，延长曲线更换磨耗钢轨的周期，减少养护维修的工作量，降低运营成本，分析及防治小半径曲线外股钢轨侧面磨耗，已成为线路维修工作中急需解决的重要课题之一。

钢轨的伤损主要包括锈蚀、磨耗和折断等，其中尤以钢轨磨耗最为严重。钢轨磨耗包括垂直磨耗和侧面磨耗，垂直磨耗一般情况下是正常的，侧面磨耗是我国现阶段最为突出的伤损类型，它属于塑性变形磨损、粘着磨耗和疲劳磨耗的综合机理，最终形态犹如切削。侧磨主要发生在小半径曲线上，由于钢轨对列车轮对的导向作用，车轮与钢轨产生粘着、蠕滑和滑动，造成曲线上股严重侧磨，在半径较小，坡道大的小半径曲线上，钢轨的侧向磨耗就更为严重。我段管辖的宁芜线及部分支正线小半径曲线，由于设计等级较低，线形条件不良，个别小半径曲线的换轨周期非常短，有的7～8 个月就得下道，而且这些换轨周期完全由钢轨的侧磨来控制。有资料显示小半径曲线上的钢轨有95%是由于侧面磨耗超限而下道的，严重的钢轨磨耗减小了钢轨的强度，加剧了钢轨的伤损，缩短了钢轨的使用寿命，不仅浪费大量的资金，而且还干扰运输任务的完成。因此减缓小半径曲线钢轨磨耗的速率，从而延长钢轨使用寿命具有重大的现实和长远意义。

2 曲线磨耗造成的主要病害

(1)钢轨极易受伤，由轻伤发展到重伤。钢轨侧磨、波磨及接头伤损是小半径曲线常见的病害，尤其是侧磨，是小半径曲线最突出的伤损类型。

(2)轨道几何尺寸易超限，小半径曲线上高低、轨距、正矢相对其他线路容易发生变化，保持的周期短，特别是轨距扩大病害相当普遍，并且随着钢轨侧磨的增加而逐渐加剧。

(3)联接零件易松动且破损率高，小半径曲线上联接零件承受的冲击力和横向作用力都比较大，在相同扭力距的情况下，小半径曲线联接零件容易松动，当冲击力和横向力达到一定值时易造成夹板及接头螺栓折断、混凝土枕立螺栓失效、枕木道钉浮离、轨距杆折断、轨掌压裂、尼龙座挤碎、轨枕挡肩破损等病害。

3 曲线磨耗原因分析

小半径曲线病害的产生与钢轨受力有着直接关系。当列车在曲线地段运行时，产生的力十分复杂。通过力的分析，可将列车作用于钢轨上的力分为3 个方向，即竖直方向、水平横向以及水平纵向。作用于钢轨上竖直方向分力的构成上，列车通过小半径曲线通常会出现两点接触的情况，轮轨间存在着较大的横向力作用，导致几何形状发生改变，有效截面减小。另外，由于轨面几何尺寸不可能始终处于良好状态，特别是轨距、正矢(或曲线方向)不良，这对钢轨侧面磨耗影响很大，也是引起曲线不均匀侧磨的主要原因。不均匀侧磨长度一般3 m～10 m之间，长短不一，大者甚至间隔几十米。在磨耗形成的开始阶段，磨耗速率很小，约每月0.1 mm 左右，主要是轨面淬火层未被完全破坏，不均匀磨耗框架还小；列车蛇形运动对钢轨的冲击力较小；当磨耗达到4 mm 以后，磨耗速率明显大，轨面淬火被完全破坏，不均匀磨耗框架变大，列车蛇形运动对钢轨的冲动力增大；曲线钢轨侧磨往往在多种原因的复合作用下形成，每一种原因只是引发磨耗的诱因，只是原因主次不同。

（1）曲线超高设置不合理的影响。曲线超高设置应根据实际通过的列车对数和实际通过的车速来确定。而事实上车速和通过对数是在不断变化的，超高数值的合理性很难确定。超高偏大，车轮在向心力作用下撞击磨擦下股钢轨，从而逐渐形成下股钢轨侧磨和垂磨出现，超高偏小，车轮在离心力作用下撞击磨擦上股钢轨，上股钢轨磨耗逐渐形成。

（2）线路结构状态及轨面几何尺寸不良的影响线路结构状态不良是指：道床板结、翻浆；轨枕失效、空吊；扣件离缝、扭矩不足；钢轨打疤、掉块、低头、擦伤、鞍磨等。轨面几何尺寸不良是指：线路上存在着大的方向、高低、轨距、水平、正矢等超限处所。上述病害如集中于曲线地段，就会加速磨耗的形成发展。

（3）轨底坡的影响。轨枕预留轨底坡是l／40，用于直线地段是合适的，而在曲线地段，由于超高的作用，使车轮踏面与钢轨顶面未全部接触，车体荷载就集中于钢轨内顶接触面，对钢轨破坏很大，容易形成磨耗。只有增大轨底坡，方可消除偏载作用。

（4）车体本身的影响。车轮面对钢轨的冲击摩擦，使其踏面形成不均匀磨耗，从而使列车进行蛇形运动，冲击钢轨，助长磨耗的形成。另外，车体与车体、车体与轮对之间连接不牢固，增加列车的晃动，也会助长磨耗的形成。

4 曲线磨耗整治措施

4.1 合理设置曲线超高

结合综合维修对超高进行调整，最好利用大机维修对曲线超高进行调整，调整前要对通过对数和列车通过速度进行统计，并对超高设置进行重新换算，特别对钢轨出现伤损异常的曲线要做重点测速，为克服过去人工测速误差大的问题，可与机务段联系，调用其机车监控议的速度数据，既省力、省时，又保证了采集数据的准确性。凡是发现钢轨不正常磨耗、曲线撞道严重地段，马上派人深入现场测速。设置超高时充分考虑曲线现场的实际状况，尽量接近于计算超高。

4.2 做好曲线的拨道工作，保持正矢不超限

消灭“鹅头”及“反弯”如果曲线方向不良，就会形成这样一种循环：方向不良一钢轨不均匀磨耗一曲线横移、撞道一扣件松动失效一轨距及变化率超限一加剧方向不良。为保证曲线方向处于良好状态，必须用绳正法计算拨道量。在拨道时首先将曲线及两端的轨缝均匀，并将头尾的直线方向拨直，如果拨量较大可在大机作业前根据绳正法计算的拨量进行粗拨道，然后再利用大机进行精拨，可以取得更好的整治效果。

4.3 加强曲线的日常保养

保持曲线圆顺，减少车轮对钢轨的冲击力(1)保持曲线的几何尺寸不超限。(2)整治、更换、补充联结零件及扣件，加强两个扭矩，防止线路爬行。(3)矫直钢轨硬弯，消灭钢轨接头“支嘴”。(4)提高捣固质量，特别要注意捣固均匀一致、捣垫结合，消灭低接头硬小腰或高接头低小腰以及暗坑吊板。(5)彻底整治接头病害，及时清筛翻浆冒泥接头，并换成小石碴以增加其稳定性，接头错口及大轨缝及时整治，打磨接头钢轨倒角以减少钢轨揭盖掉块。

4.4 适当改变轨底坡

增加轮轨接触面积当曲线上股钢轨主要表现为侧磨时，可在曲线下股垫以l0／14 mm 的坡形胶垫，减少下股钢轨外倾量，防止因钢轨外倾造成的轨距扩大和冲击角的增加。

4.5 对小半径曲线进行技术加强

（1）可根据曲线的实际情况采用增加轨距杆，或在曲线上股外侧增加混凝土轨撑的加强方法。（2）在小半径曲线上铺设淬火轨和Ⅲ型轨枕及相应的扣件是小半径曲线技术加强的发展方向。淬火钢轨具有较高耐磨强度和足够的硬度。对曲线上股轨枕外侧挡肩挤坏严重、动静态检查病害较多的曲线换铺Ⅲ型轨枕及相应的扣件。（3）坚持钢轨涂油。在曲线上利用钢轨侧面涂油的办法可以减缓钢轨磨耗特别是侧磨，延长钢轨使用寿命1/3 或更长一些。

5 结束语

通过以上分析，归纳起来，对防治小半径曲线钢轨的磨耗上，工务部门主要做好一下几个方面的工作：

（1）清理路肩，整修排水设备，使路基排水畅通。

（2）保持道床弹性和排水良好，根据曲线半径或线路横移情况，适当加宽曲线外侧碴肩宽度。无缝线路地段可根据需要堆高碴肩。

（3）更换接头失效轨枕，接头的四根轨枕下垫高弹胶垫。

（4）整修钢轨坍低接头，对马鞍形磨耗、波形磨耗等要进行打磨，侧面磨耗曲线应定期涂油。

（5）根据具体情况，增设轨距杆及轨撑，必要时增加防爬器及支撑，杜绝线路爬行。

（6）绝缘接头采用高强绝缘螺栓（扭力矩保持700 N·m）。

（7）加强捣固及时消灭空吊板、三角坑等，补足道碴填满夯实。

（8）按规定做好超高及其顺坡，使超高顺坡均匀曲线圆顺。

（9）对变化较快的曲线，应埋设永久性拨道桩。

（10）小半径曲线要尽量使用耐磨淬火轨。