通霍铁路钢轨廓形打磨效果分析

2019-06-18李锦张成功李东宇刘永乾林鹏

铁路技术创新 2019年2期

李锦，张成功，李东宇，刘永乾，林鹏

（1. 中国铁路沈阳局集团有限公司工务处，辽宁沈阳 110001；2. 中铁物轨道科技服务集团有限公司，北京 100036；3. 中国铁路沈阳局集团有限公司沈阳工务机械段，辽宁沈阳 110025）

近年来，随着我国铁路客货运大面积提速，高速重载铁路蓬勃发展、运量持续增长，导致钢轨磨耗速率加快，裂纹掉块、波磨、轨头压溃等病害发展呈增长趋势，不仅加大了工务维修成本，而且增加了安全隐患。要延长钢轨使用寿命，降低线路维护成本，必须定期对钢轨进行维护，一般通过个性化打磨廓形设计降低钢轨磨耗速度，控制钢轨伤损发展，降低“三折”发生率等[1-3]。

为验证钢轨打磨的治理效果，在年运量超过100 Mt的通霍铁路上选取采用廓形设计和非廓形设计钢轨打磨的曲线或直线，结合小半径曲线钢轨廓形、车轮廓形及钢轨轨面状态的测量结果，分析钢轨打磨对轮轨接触关系的影响，掌握钢轨打磨后钢轨磨耗和伤损发展变化情况[4-5]。

1 概况

通霍铁路上行年通过总质量约130 Mt，冬季最低气温-45 ℃，防断压力大。全线铺设60 kg/m无缝线路，R600 m曲线上股侧磨、波磨及裂纹掉块严重，下股轨顶剥离掉块严重（见图1）。打磨前上股换轨周期为12～18个月。2015年9月，更换杜尔基—西哲里木区间部分曲线钢轨，材质为U77素轨，轨廓为标准60；2015年10月，更换该区间部分曲线钢轨，材质为U75V淬火轨，轨廓为60N。

钢轨上道一段时间后，上股轨距角、轨顶、下股轨顶均出现严重疲劳伤损，个别曲线上股出现波磨。

2 廓形打磨对轮轨接触几何关系的影响

图1 R600m曲线打磨前钢轨表面状态

当货车分别通过直线地段打磨前后的钢轨时，轮轨接触点分布见图2。直线上钢轨打磨前，钢轨接触点分布范围较宽，几乎布满整个钢轨表面。左股接触点分布范围为-20～35 mm，右股接触点分布范围为-36～15 mm；左右钢轨上各区域接触点分布概率较均匀，在现场表现为钢轨表面的满光带现象。

钢轨打磨后，钢轨接触点分布范围明显收窄，左股接触点分布范围为-5～-20 mm，右股接触点分布范围为5～-20 mm；轮轨接触点大部分集中在轨顶中心附近，光带宽度约25 mm。

当货车车轮分别通过打磨前后的R600 m曲线钢轨时，轮轨接触点分布见图3。钢轨打磨前，曲线上股钢轨轮轨接触点集中在钢轨内侧工作边，主要在轨距角处接触，因此轨距角处轮轨力较大，易对钢轨产生破坏，增加磨耗；曲线下股钢轨的轮轨接触点范围为-20～25 mm，接触宽度约45 mm。

钢轨打磨后，曲线上下股钢轨的接触点分布范围收窄，曲线上股轮轨接触点主要集中在钢轨内侧工作边，轨距角处轮轨接触频率相比打磨前有明显减少趋势。

图2 直线钢轨打磨前后轮轨接触点分布

图3 曲线钢轨打磨前后轮轨接触点分布

基于CONTACT数值计算程序分析通霍铁路钢轨打磨前后的轮轨静态接触。打磨前后滚动圆半径差、接触角变化见图4。分析表明，滚动圆半径差、接触角变化趋势相同，均随着轮对横移量的增加而增大，打磨后数值小于打磨前。

通霍铁路钢轨打磨前后的纵向蠕滑率和自旋蠕滑率变化见图5。分析可知，纵向蠕滑率随轮对横移量的增加而增大，当轮缘要贴靠到钢轨内侧边缘时，纵向蠕滑率急剧增大，进而增大侧磨速率，打磨后其绝对值小于打磨前。

3 廓形打磨及效果分析

图4 钢轨打磨前后滚动圆半径差、接触角变化

图5 钢轨打磨前后纵向、自旋蠕滑率变化

2015年10月，新换U75V淬火轨使用情况见表1。由表1可知，廓形打磨的U75V淬火轨在使用25个月后仍在用，最大侧磨约6 mm，同一区间未打磨的曲线（K246+980曲线）于2017年11月下道，最大侧磨9～10 mm，同时上股波磨严重。

2015年9月，新换U77素轨使用情况见表2。由表2可知，廓形打磨后U77素轨使用寿命约25个月，而未打磨U77素轨（K296+010曲线）于2016年10月下道，使用寿命约13个月。另外，K296+010曲线于2016年10月更换U75V 60N新轨，换轨后5个月左右出现严重波磨。

3.1 磨耗速率

根据打磨前后钢轨磨耗情况，可计算出钢轨平均磨耗速率。经计算可知，打磨后曲线上股垂磨速率显著下降，相比打磨前下降20%～40%（见图6）。

打磨后曲线上股侧磨速率显著下降，相比打磨前下降20%～70%（见图7）。

打磨后曲线下股垂磨速率略有下降，相比打磨前下降5%～30%。下股打磨效果主要体现在疲劳伤损的控制上（见图8）。

廓形打磨曲线与未打磨曲线磨耗速率（mm/8.33 Mt）对比见图9。由图9可知，打磨后曲线相比于未打磨的对比曲线而言上股垂磨、上股侧磨及下股垂磨均显著下降，其中侧磨下降最明显。2017年11月观测时，打磨后钢轨在上道后25个月观测时最大侧磨小于6 mm，而未打磨钢轨上道后13个月最大磨耗已达6～7 mm。

表1 新换U75V淬火轨使用情况

表2 新换U77素轨使用情况

图6 打磨前后上股垂磨速率对比

图7 打磨前后上股侧磨速率对比

图8 打磨前后下股垂磨速率对比

图9 打磨曲线和未打磨曲线磨耗速率对比

3.2 钢轨表面伤损

通霍铁路上行R600 m曲线上下股打磨前后钢轨表面状态对比见图10、图11。由图10、图11可知，打磨前上下股轨顶均存在严重的剥离掉块，表面可见深度2～3 mm，打磨后上股疲劳伤损基本完全消除，下股明显改善。打磨后15个月（2017年11月）观测时，钢轨表面裂纹掉块未见明显发展，疲劳伤损控制良好。

同一时间上道未打磨曲线和打磨后12个月曲线下股掉块伤损情况对比见图12。由图12可知，未打磨曲线下股钢轨轨顶明显存在2条疲劳带，掉块情况比打磨后曲线下股严重、光带更宽。

3.3 钢轨廓形变化

通霍铁路上行K303+600位置R600 m曲线（2015年10月上道淬火轨）廓形打磨后曲线钢轨廓形变化见图13（a），其他打磨后曲线廓形变化情况类似。可见打磨后上股钢轨侧磨和钢轨垂磨发展平缓，廓形保持良好，上道后25个月观测时最大侧磨在6 mm以下。

图10 通霍铁路R600m曲线上股打磨前后钢轨表面状态

图11 通霍铁路R600m曲线下股打磨前后钢轨表面状态

图12 同时段上道曲线下股掉块情况对比

通霍铁路上行K296+010位置R600 m曲线（2016年10月上道淬火轨）未打磨对比曲线上股钢轨廓形变化见图13（b），可见初始钢轨侧磨和钢轨垂磨发展相对较慢。但随着磨耗量的增加，上股钢轨廓形逐渐恶化，与车轮踏面形成典型的两点接触，磨耗速率显现出逐渐增大的趋势，上道后13个月最大磨耗已达6～7 mm。

廓形打磨曲线和未打磨曲线上股钢轨廓形对比见图14，图中蓝色廓形为标准60N，棕色为打磨后廓形（2015年10月上道，已用25个月），红色为未打磨（2016年10月上道，已用13个月）。可见未打磨上股钢轨侧磨明显大于打磨后钢轨，且钢轨非工作边相对较高，和车轮形成明显的两点接触，后期磨耗速率依然会较大。