研究曲线超高设置对钢轨侧面磨耗的影响

张文生+黄守刚

摘 要：世界各地的铁路工作者，包括一些力学、材料、机械、摩擦磨耗及润滑的研究工作者，都对钢轨磨耗问题进行了长期的研究，其目的是为了减缓曲线的外轨侧磨、内轨压溃、波浪形磨耗，以及降低轨道部件的力学伤损。由于世界各国铁路的列车运行情况不同，就是国内铁路，各条线路的列车运行情况也不相同，所以影响曲线钢轨侧磨的因素也就各不相同，因此我们应该采取的减缓磨耗措施也就各不相同，有提高钢轨材质、改善轮轨润滑条件；有改善机车车辆转向架转向性能、改变车轮踏面形状、钢轨预打磨；也有改变轨道结构几何参数等。但目的只有一个，就是降低钢轨侧面磨耗的速率和减少轨道部件的伤损，延长钢轨的使用寿命，从整体上提高铁路运输的经济效益。

关键词：钢轨侧面磨耗；曲线超高；原因分析；整治措施

一、选题的背景和意义

轨道是列车运行的基础，钢轨是铁路运输的重要基础设施之一。保持钢轨性能的良好和完整，是铁路运输的基本前提。近年来，随着我国铁路的全面提速以及重载铁路的发展，行车密度日益增加，钢轨的伤损日趋严重，尤其是重载干线和小半径曲线，这一问题尤为突出。钢轨的伤损主要表现为锈蚀、鱼鳞纹、磨耗和折断等，其中以钢轨磨耗最为严重，缩短了钢轨的使用寿命， 干扰正常运输任务的完成，对行车安全造成重要的影响，严重制约了铁路运输的发展。

根据调查资料，小半径曲线轨道上的钢轨，有98%是由于磨耗超过限度而报废。因此，探讨一种有助于改善曲线侧磨条件的可行性建议和结论，减缓小半径曲线钢轨侧面磨耗的速率， 延长钢轨使用寿命，降低维修费用，保证行车安全，是工务工作的一项重要任务，同时对于我国铁路运输发展也具有重大的意义。

二、国内外研究现状

钢轨侧面磨耗和轨道其他的永久变形一样，是不可避免的，但是通过各方面的努力，减少和缓和钢轨侧面磨耗是可能的。列车通过曲线时，轮轨产生两点接触以及在接触点上轮轨间的相互作用——滑移和摩擦是产生曲线轨道上钢轨侧面磨耗的根源。实践表明，要减缓钢轨的侧面磨耗，必须从机车车辆、轨道以及轮轨关系等方面入手，改善轮轨的接触条件和摩擦条件。世界各地的铁路工作者，包括一些力学、材料、机械、摩擦磨耗及润滑的研究工作者，都对钢轨磨耗问题进行了长期的研究，其目的是为了减缓曲线的外轨侧磨、内轨压溃、波浪形磨耗，以及降低轨道部件的力学伤损。但世界各国铁路的列车运行情况不同，就是国内铁路，各条线路的列车运行情况也不相同，所以影响曲线钢轨侧磨的因素也就各不相同，因此我们应该采取的减缓磨耗措施也就各不相同：有提高钢轨材质、改善轮轨润滑条件；有改善机车车辆转向架转向性能、改变车轮踏面形状、钢轨预打磨；也有改变轨道结构几何参数等。但目的只有一个，就是降低钢轨侧面磨耗的速率和减少轨道部件的伤损，延长钢轨的使用寿命，从整体上提高铁路运输的经济效益。

练松良、孙琦和王午生根据轮缘导向理论提出影响曲线铁路钢轨轨头侧面磨耗的主要原因是轮轨之间的导向力和冲角。导向力指的是机车车辆通过曲线铁路时，外轨轨道施加给机车车辆外轮轮缘的作用力；冲角指的是轮轨滚动轴线与曲线半径方向的夹角。曲线半径越小，导向力越大，冲角也越大，所以，曲线半径越小，钢轨轨头的侧磨也就越严重。另外，在曲线钢轨磨耗及其减缓措施中，还对轮轨接触几何关系、曲线轨道受力和轮轨接触面的受力进行了详细分析，并着重分析了改变轨道结构几何参数对钢轨磨耗的影响，同时还分析了钢轨材质、养护条件和机车车辆构造性能及轴重等因素对曲线钢轨侧磨的影响，并提出了了相应的改善措施。

赵国堂和曾树谷在《曲线半径与过、欠超高对钢轨侧磨的影响》一文中首先介绍了曲线钢轨侧磨规律和钢轨磨耗评价体系，随后建立计算模型，应用车辆动力学分析程序NUCARS，建立了49个自由度的轮轨相互作用分析模型，模拟了车辆在曲线上运行过程中的侧磨规律分析了采用Vogel侧磨指数和轮轨接触摩擦功作为钢轨侧磨指标时，不同曲线半径和过欠超高下侧磨的变化特点。

陈鹏，高亮和郝建芳运用SIMPACK虚拟样机技术，从线路设计及养护维修的角度出发，对铁路曲线上车辆速度、轨底坡、曲线超高及钢轨涂油对轮轨磨耗的影响进行仿真计算和分析。分析结果表明：为降低轮轨磨耗及保证行车安全， 车辆速度以及线路条件决定的最高行车速度略低为宜；曲线超高过低或过高均会增大轮轨磨耗，由于小半径曲线上设置的超高一般偏大，故而适当降低小半径曲线的超高对于降低轮轨磨耗是有利的；轨底坡的适当增大可使得轮轨磨耗有一定降低，但效果不明显，且轨底坡过大会加剧轮轨磨耗；对钢轨进行适当的涂油可有效降低轮轨磨耗，但应进行严格控制，涂油太多对于降低轮轨磨耗反而不利。

三、数据采集

大准铁路是国家 “八五”计划重点建设项目“准格尔项目一期工程”三大主体工程之一，大准铁路东起山西省大同市，西至内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾，正线全长264公里，途径两省六旗县（市），是已形成的“西煤东运”大通道，大秦线的向西延伸。1998年随准格尔能源公司划归神华集团，是神华集团四条自营铁路之一，也是目前我国煤炭系统最长的企业自建自管的专用铁路，属I级单线电气化铁路，设计年运输能力1500万吨，2006年完成扩建改造后运输能力已达到4800万吨，是目前我国第二条开行万吨列车的铁路，远景规划可达到1-1.5亿吨的运输能力。大准铁路地处山区，曲线居多，尤其小半径曲线，本课题选取了27条曲线，每条曲线设置5个测点进行钢轨侧面磨耗观测。

四、曲線段未被平衡超高与侧面磨耗关系

超高是影响车辆在曲线轨道上运行的主要因素之一，一旦线路实设超高确定后，在运行过程中是不能随意改变的，但是通过曲线的列车速度有高有低。当实际列车速度大于或小于曲线的平均速度时，就会产生未被平衡的横向加速度，从而产生轮载偏载，使一股钢轨上的轮载增加，另一股钢轨上的轮载减小。超高设置不当，会引起钢轨偏载和轮轨的不正常接触，从而影响到钢轨的侧面磨耗。

分析曲线段钢轨未被平衡超高对曲线的侧磨影响所用数据见表1。

（一）曲线段未被平衡超高与侧面磨耗数据分析

所调查数据共包括27条曲线，其中设置欠超高的数据共有15条，设置过超高的曲线有12条，现将两部分曲线分别进行分析。

1、曲线段欠超高与侧面磨耗数据分析

对设置欠超高的曲线磨耗数据进行分析，数据见表2。

由于测点M1和测点M5的磨耗值都为0，所以在此只分析磨耗比较严重的M2点、M3点和M4点，在分析时对曲线进行筛选，剔除坏值。为了更好的研究欠超高与钢轨侧磨之间的关系，依据表4-2中的数据绘制散点图，见图1、图2和图3。

从图1可以分析得出，欠超高与应设超高的比值在0.26～0.40范围内，钢轨测点M2的平均侧面磨耗值最小。

从图2可以分析得出，欠超高与应设超高的比值在0.28～0.42范围内，钢轨测点M3的平均侧面磨耗值最小。

从图3可以分析得出，欠超高与应设超高的比值在0.04～0.20范围内，钢轨测点M4的平均侧面磨耗值最小。

对设置欠超高的所有曲线中的测点M2、测点M3和测点M4的磨耗值分别取平均值，得到曲线中测点M2、测点M3和测点M4的平均磨耗值分别为3.27mm、3.67mm和1.67mm。测点M2、测点M3和测点M4的平均磨耗值在总平均磨耗值所占的比重分别为0.38%、0.43%和0.19%。现在对图1、图2和图3分析得到的测点平均磨耗值最小时欠超高与应设超高的比值范围做加权平均，可以求得欠超高与应设超高比值的取值范围为0.23～0.37。从而得出，欠超高与应设超高的比值在0.23～0.37范围内，钢轨平均磨耗值最小。

2、曲线段过超高与侧面磨耗数据分析

对设置过超高的曲线磨耗数据进行分析，数据见表3。

由于测点M1和测点M5的磨耗值大多为0，所以在此只分析磨耗比较严重的M2点、M3点和M4点，在分析时对曲线进行筛选，剔除坏值。依据表3中的数据绘制散点图，见图4、图5和图6。

从图4可以分析得出，过超高与应设超高的比值在0.48～0.64范围内，钢轨测点M2的平均侧面磨耗值最小。

从图5可以分析得出，过超高与应设超高的比值在0.52～0.68范围内，钢轨测点M3的平均侧面磨耗值最小。

从图6可以分析得出，过超高与应设超高的比值在0.52～0.68范围内，钢轨测点M4的平均侧面磨耗值最小。

对设置过超高的所有曲线中的测点M2、测点M3和测点M4的磨耗值分别取平均值，得到曲线中测点M2、测点M3和测点M4的平均磨耗值分别为5.50mm、7.83mm和3.92mm。测点M2、测点M3和测点M4的平均磨耗值在总平均磨耗值所占的比重分别为0.32%、0.45%和0.23%。现在对图4、图5和图6分析得到的测点平均磨耗值最小时欠超高与应设超高的比值范围做加权平均，可以求得过超高与应设超高比值的取值范围为0.51～0.67。从而可以得出，过超高与应设超高的比值在0.51～0.67范围内，曲线钢轨的平均磨耗值最小。

3、曲线段过超高曲线与欠超高曲线磨耗数据对比分析

分别对欠超高和过超高两组曲线的磨耗求平均值，所求结果见表4。

从表4的数据可以分析得出，设置欠超高的一组曲线的总平均磨耗值为1.72mm，而设置过超高的一组曲线的总平均磨耗值为3.67mm，将两组曲线对比，设置欠超高的曲线磨耗平均值明显小于设置过超高的曲线磨耗平均值。

（二）针对未被平衡超高因素采取的减缓钢轨侧磨的措施

超高大小对轮轨之间的导向力及冲角的影响相当敏感，所以超高对钢轨的侧磨具有很大的影响。由于超高直接引起导向力和冲角的变化，所以也就直接影响钢轨轨头侧磨速率的大小。列车通过曲线时，横向力随着欠超高的增加而增大，当此时横向力小于轮轨接触面上的横向蠕滑力时，轮对可实现蠕滑导向而轮缘不与钢轨轨头侧面接触。在小半径曲线上，由于钢轨所受的横向力远大于轮轨接触面上的蠕滑力，所以要有轮缘力参与导向，此时在钢轨轨头侧面就会发生磨耗。

但在过超高条件下，虽然轮轨之间的蠕滑力小于摩擦力，但由于存在较大的冲角是轮缘与钢轨接触，从而产生钢轨轨头的侧磨。为了减缓曲线钢轨的侧磨，就要求内轮产生向后蠕滑，而要达到这一目的就要求外轮所受的荷载大于内轮所受的荷载。如果在曲线上设置的超高小于用平均速度计算所得到的超高，则大部分机车车辆通过曲线时都是以欠超高形式通过曲线，外轮荷载大于内轮，就达到了内轮产生蠕滑的目的，也就达到了减缓曲线鋼轨轨头侧磨的目的。针对此次调查的15条曲线钢轨的实际侧磨数据来看，当欠超高与应设超高的比值在0.23～0.37范围内时可以显著减轻此路段各曲线段的钢轨侧磨现象，所以，应结合现场的实际情况，尽量将设置过超高的曲线通过调整超高，设置为欠超高曲线，并且将欠超高与应设超高的比值控制在0.23～0.37之间。

参考文献：

[1]练松良，孙琦，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.