普速铁路小半径曲线上股钢轨疲劳伤损整治

张金 徐凤生 章环宇 梁旭 李晨光

1.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081；2.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071

随着既有线提速和重载运输的发展，许多普速铁路尤其是纵平面条件较差的山区铁路（如昆明局的贵昆线、南昆线，成都局的成渝线，兰州局的兰新线等）小半径曲线上股钢轨铺设使用后不久就出现了疲劳伤损，严重影响钢轨的使用寿命甚至危及行车安全［1］。

我国普速铁路线路运行多种车型，车轮型面主要有JM3、LM、LMA，钢轨主要有60、60N 两种轨头廓形，轮轨匹配关系十分复杂。在不能统一车轮型面又无法改变轨底坡设置的情况下，钢轨轨头廓形打磨可以有效改善轮轨匹配关系。通过钢轨打磨形成适合车轮型面的轨头廓形，人为地加快轮轨磨合，使轮轨匹配达到理想状态，从而减小轮轨作用力，延长轮轨的使用寿命［2-6］。

1 伤损特征及成因分析

通常小半径曲线上股钢轨更换下道的主要原因是侧磨超限。不同于以侧磨为主的伤损形式，这种疲劳伤损特征为：①从轨头廓形来看，轨距角处明显凸出，存在辗边；②车轮轮缘未接触钢轨轨头侧面，未形成轨距角侧磨；③钢轨轨距角处存在过多的机车润滑脂，出现明显的鱼鳞纹、剥离掉块等疲劳伤损。

为了提高列车的曲线通过性能，小半径曲线地段设置成欠超高，同时机车轮缘润滑过多降低了钢轨轨距角的摩擦因数。曲线上股钢轨长期无磨耗，轮轨难以磨合，轮轨接触关系不良，导致曲线上股钢轨轨距角处长期承受很大的接触应力，是造成曲线上股钢轨出现鱼鳞纹、剥离掉块等疲劳伤损的主要原因［7］。

2 钢轨打磨廓形优化设计

理想的轮轨型面匹配状态能有效地降低接触应力和磨耗，提高直线运行时列车蛇行失稳的临界速度，同时改善列车曲线通过性能［8］。考虑到车辆运营一定里程后会进行车轮镟修恢复车轮原始标准型面，故以普通客货车标准LM 车轮型面为基础，依据轮轨接触几何学和轮轨接触力学等理论，针对小半径曲线上股钢轨疲劳伤损的情况进行轨头廓形优化设计，提出了上股钢轨打磨目标廓形60N⁃S，下股钢轨工作边按照60N 廓形进行打磨，如图1所示。可以看出，上下股钢轨均重点优化了内侧轨距角，该位置长期承受较大的轮轨接触应力，容易引起钢轨塑性变形和疲劳伤损。

图1 钢轨实测廓形及设计廓形与LM车轮匹配

廓形优化设计后，上股钢轨与车轮发生两点接触（一点为轨顶面与车轮踏面接触，另一点为轨内侧与车轮轮缘接触），轮对以轨顶面接触点为滚动中心，轮缘接触点处必然产生滑动，加快轮缘和钢轨内侧磨耗，有利于上股钢轨尽快形成侧磨，从而显著减小内侧轨距角的轮轨接触应力，可以有效缓解或抑制轨距角出现鱼鳞纹、剥离掉块等疲劳伤损。下股钢轨与车轮在轨头踏面中心和车轮踏面中心发生接触，具有轮轨接触应力最小、横向蠕滑率及蠕滑力很小的特点，可以避免早期钢轨疲劳伤损的出现。

3 钢轨打磨应用效果

按照优化设计的钢轨打磨廓形，通过非对称打磨实现上下股钢轨不同廓形，可以有效改善轮轨接触关系，加大内外轨车轮滚动圆半径差，提高列车曲线通过能力，降低轮轨纵向滑动，减少轮轨接触应力，抑制或减缓钢轨疲劳伤损、波磨、肥边等病害的发生与发展，从而延长钢轨的使用寿命［7］。

3.1 轨头廓形及轨面状态

打磨前轨头廓形及轨面状态见图2。可知：上股钢轨与60N⁃S 廓形差异较大，内侧轨距角处最大廓形偏差约为0.80 mm；下股钢轨与60N 廓形差异较大，内侧轨距角处最大廓形偏差约为0.70 mm；上股钢轨轨距角无侧磨，存在严重的鱼鳞纹及剥离掉块；下股钢轨轨面状态良好，未见明显表面病害。

图2 打磨前轨头廓形及轨面状态

打磨6个月后轨头廓形及轨面状态见图3。可知：上股钢轨与60N⁃S 廓形差异较大，内侧轨距角处最大廓形偏差约为1.30 mm；下股钢轨与60N 廓形差异较大，内侧轨距角处最大廓形偏差约为0.80 mm；上股钢轨内侧轨距角形成了明显侧磨，并伴有轻微鱼鳞纹（打磨前鱼鳞纹较深未能完全消除）；下股钢轨轨面状态良好，未见明显表面病害。

图3 打磨6个月后轨头廓形及轨面状态

3.2 轮轨接触几何关系

打磨前后实测廓形与LM 车轮型面匹配时的轮轨接触点分布情况见图4。可知：打磨前上下股轮轨接触点分布较分散且偏向工作边一侧；打磨后上下股轮轨接触点分布趋于集中且基本位于轨顶中心附近。

图4 打磨前后轮轨接触点分布情况对比

3.3 轮轨接触特性

为评估钢轨轨头磨耗性能和接触疲劳性能，计算了打磨前后实测廓形对应的轮轨磨耗指数及轮轨接触应力，结果见表1。可知：按设计廓形打磨后，曲线下股钢轨磨耗指数增加了3.1%，接触应力减小了5.4%；曲线上股钢轨磨耗指数增加了159.7%，接触应力减小了39.3%。这表明设计廓形打磨加速了曲线上股钢轨侧磨，有利于缓解曲线上股钢轨疲劳伤损。

表1 打磨前后轮轨接触特性指标对比

3.4 车辆运行安全性指标

打磨前实测廓形对应的轮重减载率为0.703，打磨后为0.615，降低了12.5%；打磨前实测廓形对应的脱轨系数为0.399，打磨后为0.375，降低了6.0%。打磨前后轮重减载率和脱轨系数均小于安全限值0.8。可见，采用设计廓形进行钢轨打磨作业可以保障列车运行安全，且对列车运行安全性有一定的改善作用。

4 结论及建议

1）机车轮缘过度润滑，轮轨难以磨合，曲线上股钢轨轨距角处长期承受很大的接触应力，造成曲线上股钢轨出现鱼鳞纹、剥离掉块等疲劳伤损。

2）按设计廓形打磨后，轮轨接触点分布相对集中且位于轨顶中心附近，曲线上股钢轨磨耗指数明显增大，接触应力明显减小，加速了曲线上股钢轨侧磨，有效缓解了曲线上股钢轨疲劳伤损。

3）打磨后轮重减载率和脱轨系数分别降低了12.5%和6.0%，对列车运行安全性有一定改善作用，可以保障列车运行安全。

4）钢轨打磨加速了曲线上股钢轨侧磨，改善了钢轨疲劳伤损情况。如果侧磨过于严重，建议采取科学合理的润滑措施控制钢轨侧磨发展，避免因钢轨侧磨过快而更换下道，影响钢轨使用寿命。