城市轨道交通线路钢轨剥落掉块分析与防治措施

何继平

(苏州市轨道交通集团有限公司, 215006, 苏州//工程师)

苏州轨道交通2号线(不含延伸线)共有16处小半径曲线。该线自2013年12月28日开通以来，陆续发现小半径曲线上股钢轨出现不同程度的剥落掉块现象。其中，在苏州火车站站—山塘街站上行方向里程为K14+252.621附近的曲线段，该现象尤为明显。钢轨剥落掉块如图1所示。本文针对小半径曲线上股钢轨出现的剥落掉块现象进行了分析，并给出了防治措施建议。

图1 钢轨剥落掉块现场照片

1 钢轨与轮对接触分析

通过对苏州轨道交通2号线钢轨剥落掉块处调查，发现一半以上的掉块均出现在小半径曲线的上股。检查轨道几何尺寸，发现各项尺寸皆正常。经初步研究认为，钢轨剥落掉块是由于钢轨与轮对的接触关系引起的。因为钢轨在列车的横向荷载、纵向荷载及竖向荷载的复杂作用下，所受到的冲击与破坏较大，同时在列车不间断的快速碾压下，钢轨轨头内侧受到疲劳伤害会持续发展。尤其在小半径曲线地段，由于超高、离心力及轨底坡等原因使车轮踏面与钢轨轨面未做到较好贴合，可能导致偏载等复杂情况，对钢轨受力面影响较大，从而导致钢轨磨耗与剥落掉块。钢轨发生磨耗与剥落掉块后，轮轨关系会进一步恶化，再加上列车的蛇形运动冲击，导致钢轨剥落掉块现象愈加严重。

为了真实地模拟钢轨和车轮的接触状况，工务专业以苏州轨道交通所采用的电客车轮缘(LM型)为参考，制作了1∶1的轮缘模型，并在苏州轨道交通2号线小半径曲线区域做现场试验，如图2所示。

a) 上股钢轨

b) 下股钢轨

由图2现场车轮碾磨形成的光带来看，上股光带偏离钢轨轨顶中心靠向钢轨内侧，且剥落掉块较多，而下股基本无剥落掉块；上股钢轨内侧光带与轮缘内侧接触，下股钢轨与轮对接触面位于轮缘1∶20位置处。轮缘踏面的具体尺寸如图3所示。

注：R代表半径;单位mm

图3 轮缘踏面图

2 轨底坡调整现场试验分析

经现场研究得知，可通过修正钢轨轨底坡来调整轮对与钢轨的接触面。当增大轨底坡时，可使光带趋于钢轨中心，以此消除偏载作用。为此苏州轨道交通工务专业人员采取了在曲线上、下股钢轨外侧各垫半块高度为3 mm胶垫的措施；经轨底坡测量仪测量此时的轨底坡为1∶20，目的在于使车轮在轨底坡为1∶20的一段踏面与钢轨顶面接触。轨底坡调整后，对上股钢轨剥落掉块数据、光带变化进行监控，如图4及表1所示。

图4 调整轨底坡3个月后上股钢轨光带变化图

轨底坡调整时间掉块深度/mm掉块长度/mm轨底坡调整时间掉块深度/mm掉块长度/mm1个月前001个月后003个月前003个月后00半年前00半年后001年前0.2～0.53～61年后002年前约1.0约10

由图4和表1可知，轨底坡调整后光带趋于钢轨顶部中间区域，且调整后钢轨剥落掉块发展速度明显降低。因此调整轨底坡确实对钢轨剥落掉块有一定的延缓作用。

3 不同轨底坡情况下钢轨受力分析

3.1 计算模型

为模拟轨底坡取值不同时的钢轨受力情况，利用ANSYS软件建立了钢轨受力分析有限元模型，如图5所示。模型中，钢轨采用SOLID45实体单元模拟，轨下橡胶垫板采用SOLID45实体单元模拟。上述两者的接触采取刚体-柔体的接触分析，该分析中，将钢轨设置为刚体，将轨下橡胶垫板设置为柔体；将钢轨与橡胶垫板的接触面设置为目标面，用TARGE170单元模拟，摩擦系数定义为0.3；将橡胶垫板与钢轨的接触面设置为接触面，用CONTA173单元模拟。

a) 俯视图

b) 侧视图

3.2 计算结果

本文针对轨底坡调整前(即偏荷载作用下)和轨底坡调整后(即正荷载作用下)钢轨的受力情况进行了计算。经计算，不同荷载作用下，钢轨受力情况如图6及表2所示。

由图6及表2可知：轨底坡调整后钢轨应力及变形量均明显降低。轨底坡调整前钢轨应力集中在钢轨内侧轨头弧度处，与现场剥落掉块位置相吻合；轨底坡调整后钢轨应力基本均匀分布于整个轨头，避开了现场剥落掉块位置。

4 防治措施建议

钢轨剥落掉块若持续发展，会造成剥落掉块的尺寸越来越大，进而影响其使用寿命；同时该现象对母材的伤损越来越大，其裂纹可能会向钢轨内部发展，一定程度时会引起断轨；另外剥落掉块会影响轨道几何尺寸，尤其是轨面平顺度，进而使钢轨受力恶化，从而引起附加病害，例如零部件破损、轨枕失效等。目前城市轨道交通针对钢轨剥落块现象普遍采用打磨、焊补、上下股钢轨调换或者整段钢轨更换等措施。这些措施维修成本较大，劳力投入较多，因此需引入新理念进行预防性维修，以此来节约维修成本以及延缓钢轨伤损发展。

a) 轨底坡调整前

b) 轨底坡调整后

(1) 合理设置轨底坡。根据以上现场实验结果以及计算结果可知，在小半径曲线地段将轨底坡由1∶40调至1∶20后，曲线上股钢轨光带由内侧转移至钢轨顶部中间区域；轨底坡调整后，钢轨受力情况由偏荷载变成正荷载，其应力与变形量均减小；轨底坡调整前钢轨应力集中在钢轨内侧轨头弧度处，与现场剥落掉块处相吻合，轨底坡调整后钢轨应力基本均匀分布于整个轨头，避开了现场剥落掉块处。因此在小半径(半径小于400 m)曲线地段，轨底坡可设置成1∶20，从此减少轮轨非正常接触。

(2) 钢轨预打磨。在新线开通前，对钢轨进行预打磨，尤其针对小半径曲线区域。该措施可消除钢轨表面毛刺，改良轮轨关系，延长钢轨剥落掉块发展周期；另外，钢轨预打磨在很大程度上可消除钢轨制造的公差以及施工铺设、焊接的误差，使轮轨接触面较为顺滑，缩短其磨合期，亦可延长钢轨及轮对的使用寿命。

(3) 车辆轮对及时镟修。由于钢轨剥落掉块对车轮轮缘踏面易造成不均匀磨耗，严重时亦会产生剥离，此隐患如不及时消除，会加剧钢轨剥落掉块发展速度，给行车安全带来隐患；在轮轨之间复杂荷载的持续作用下，与钢轨接触的轮对踏面将会发生磨耗与变形，而通过车辆轮对及时镟修可以修复轮对尺寸、改善轮轨关系、延长钢轨及轮对使用寿命。

(4) 加强养护、消灭偏差处所。保持轨道几何尺寸(例如正失、轨距递减率、水平、高低、方向、三角坑等)优良，尤其是小半径曲线地段，可大大减少车轮对钢轨的冲击力，减少钢轨疲劳伤害，进而延缓钢轨剥落掉块的发展。