论北京地铁房山线小半径曲线钢轨磨耗的原因及预防

摘要：地铁运行路线小半径曲线较多，导致钢轨磨耗严重，不仅影响机车运行的稳定性和舒适性，甚至在极端情况下会造成机车脱轨，严重威胁人民群众的生命和财产安全。本文以北京地铁房山线良乡大学城小半径曲线为研究对象，着重探讨钢轨磨耗形成的原因及相应的预防和整治措施，以提高钢轨使用寿命，降低运营维护成本。

关键词：北京地铁  小半径曲线  钢轨磨耗  预防

On the Causes and Prevention of Small Radius Curve rail Wear on Fangshan Line of Beijing Metro

LI Siyaun

Abstract： There are many small radius curves in the subway operation route， resulting in serious rail wear， which will not only affect the stability and comfort of locomotive operation， but also cause locomotive derailment in extreme cases， which will seriously threaten the safety of people's lives and property. This paper takes the small radius curve of Liangxiang university town of Fangshan Line of Beijing subway as the research object， this paper focuses on the causes of rail wear and the corresponding prevention and treatment measures， to improve the service life of the rail， reduce operation and maintenance costs.

Key Words：Beijing Metro; Small radius curve; Rail wear; Prevention

随着我国社会经济的稳步发展，机动车成为人们出行代步的交通工具，城市交通拥堵成为普遍现象。地铁具有客运量大、安全性高、占用地上空间小、受天气影响小、污染小等特点，成为大中城市轨道交通网中重要的交通方式。由于地铁建设过程中受城市街道、建筑物等条件的限制，以及基于建设成本的考虑，导致运行线路上小半径曲线占比远高于普通铁路。相较大半径曲线，小半径曲线轮轨之间相互作用更加复杂，当机车行驶至曲线段时迫使机车转弯，高速行驶机车的惯性作用会对轨道产生强大冲击力，使轨道发生形变，并造成钢轨侧磨和波磨。钢轨磨耗严重会使内外轨发生偏载，轮轨之间的匹配性也遭到破坏，不仅会加剧耗损机车机器部件，而且还影响机车行驶的安全性、稳定性、舒适性，因此在地铁运营的过程中需要重视钢轨磨耗，针对钢轨磨耗的原因采取相应的减磨措施。

1 地铁线路概况

北京地铁房山线良乡大学城站曲线全长630.4m，曲线半径404.2m（<600m），属于典型的小半径曲线路段。为了尽可能减少机车行驶带来的不利影响，全部采用高架无缝线路小阻力扣件。运营实践表明，不仅钢轨侧磨发展较快，出现了波磨和轨枕墩松动，而且轨距不易保持，影响行车安全，这样就对该小半径曲线路段的养护维修提出了更高的要求。

2 曲线钢轨受力分析

不论是钢轨侧磨还是钢轨波磨，都是由于来至于不同方向的力共同作用于钢轨的结果。机车运行时不可避免地会产生各种震动，尤其是高架线路震动更加明显，震动与荷载产生各种作用力。行驶中的机车产生的力按照与钢轨轨面的方向关系，通常分为竖向力、横向力和纵向力3个方面，以至不同方向的力作用于轨道，一旦超过轨道的承受极限，必然会产生应力和变形，使震动和摇摆加剧，机车通过曲线时产生轮轨间的不正常接触和滑动摩擦加剧。

2.1 转向架与钢轨间的横向作用力

横向作用力主要是指作用于钢轨的侧面压力和附加横向力。在机车通过小半径曲线时，车轮轮缘紧贴外股钢轨内侧，通过轮缘与轨头侧面之间的正压力，即导向力迫使机车转向，使轨道承受来自水平方向的横向力。横向力不仅会使小半径曲线外股钢轨产生严重的侧面磨耗，而且还会破坏曲线方向，造成曲线轨距扩大、正矢超限、轨枕松动、线路沉落等一系列病害，长久下去形成恶性循环，加速侧面磨耗的发展^[1]。

2.2 作用于钢轨上的竖向力

竖向力主要是指机车荷载对钢轨产生的竖向作用压力，与机车行驶速度成正比，当竖向力的增加超过钢轨承受极限，就会导致钢轨出现压溃现象。冲擊接头使动力附加值增加，从而造成车轮偏载，严重时破坏轨枕，使线路平顺性降低，冲击接头产生波磨和不正常磨耗^[2]。

2.3 作用于钢轨上的纵向力

纵向力主要是指轨道爬行和轨温过高对钢轨产生的纵向作用压力，当无缝线路小半径曲线地段轨温过高时，在机车动力作用下钢轨就会顺曲线弯曲方向移动，使曲线轨距遭到破坏，尤其在小阻力扣件及地角螺栓扭力矩不足地段更加明显，轨道爬行是车轮蛇形运动造成的现象，在机车的制动地段最为明显，轨道破坏也最为严重。

3 曲线钢轨磨耗的特点

3.1侧磨明显

北京地铁房山线良乡大学城站受周围环境制约，相对其他站点工况更为复杂，加之车型、轴重、速度等相对较为固定，导致曲线钢轨磨耗较为严重，主要表现为接触性疲劳裂纹、剥离掉块、上轨侧磨、下轨顶面波磨、轨头压溃等。钢轨侧磨是小半径曲线钢轨损伤的主要类型，最大侧磨点出现在缓和曲线，小腰处侧磨严重，大腰处侧磨相对较轻^[3]。同时，钢轨侧磨与钢轨材質也有很大的关系，侧磨程度直接决定了钢轨的使用寿命和换轨周期，因此会减缓钢轨侧磨是工务工作的重要内容。

3.2波磨异常

北京地铁房山线良乡大学城站高校林立、学生众多，为了尽可能降低机车行驶产生的振动噪音，轨道结构全部采用高架无缝线路小阻力扣件减振设计，虽然成本偏低、施工方便、利于维护，但该扣件承压相对不足，发生挠曲的几率较大，且铁垫板地胶螺栓孔为椭圆眼，不能满足扣压力及固定钢轨的要求，轨距难以保持，发生钢轨异常波磨不可避免。因此，在进行小半径曲线轨道结构减振设计时，应充分考虑轨道结构的稳定性、平顺性及强度，确保轨道结构几何形位合理^[4]，尽可能减少钢轨异常波磨的发生。

4 曲线钢轨磨耗的预防和整治

一线城市对小半径曲线钢轨侧磨和波磨的预防和整治较为重视，形成了从设计、施工到运营维护整个生命周期的系统性防治措施，并且取得了显著的效果，而二线、三线城市处于地铁建设的起步阶段，对小半径曲线钢轨侧磨和波磨尚未引起足够的重视，相应的防治措施也不完善。当钢轨磨耗达到一定程度后，已经无法满足行车安全的要求时，只能采取换轨措施，这样不仅影响机车正常运营，同时也造成钢轨浪费，增加运营维护成本，因此需要针对钢轨磨耗的特点和成因，采取相应的减磨措施以控制钢轨磨耗发展，从而降低运营维护成本。

4.1 合理选择轨道参数

影响钢轨磨耗的轨道参数主要包括轨距、超高和轨底坡，各项参数取值范围是否合理会影响轨轮接触性能，过大或过小的参数均会加速钢轨磨耗。

1. 轨距与钢轨磨耗关系密切，保持较小的轨距，可以降低机车蛇形运动幅度，减轻车轮对钢轨的侧向作用力，从而减轻钢轨侧磨。但轨距现场调整困难较大，因此需要在设计阶段和施工阶段做好此项工作。
2. 曲线外轨超高同样影响钢轨磨耗速率，这主要是因为不合理的曲线外轨超高会造成内外股荷载不均衡，加速钢轨磨耗，降低机车通行平顺性，影响旅客乘车体验，严重时可能会造成机车向曲线外侧倾倒，旅客的生命财产安全受到威胁。因此，应准确测定机车通过曲线的速度，及时调整好超高度。超高度的最大限度应≤120mm，未被平衡超高应≤61mm。设置超高后，应观察钢轨的磨耗，分析超高是否合适，准确、及时地做好调整。通常情况下，当机车行驶速度较慢时以过超高通过，当机车行驶速度较快时以欠超高通过。有研究表明，当实设超高≤平衡超高15%时，轮轨形成的冲击角显著降低，机车转向架导向性能明显提高，钢轨侧磨速率显著降低。
3. 不同曲线工况，轨底坡设置不同，相应的机车行驶速度不同，钢轨侧磨速率也不一样，轨底坡主要影响曲线外轨侧磨量。当内外轨轨底坡组合是1：20和1：40时，钢轨侧磨速率较小，当内外轨轨底坡组合是1：40和1：20时，钢轨侧磨速率较大，二者侧磨速率相差30%左右。机车在实际通过小半径曲线路段时，是从内外轨轨底坡1：20和1：40区段向1：40和1：20区段行进，机车行驶速度不断降低，导致曲线过超高过大，因此可以通过垫高内轨来改善钢轨侧磨。

4.2 钢轨涂油

钢轨涂油可降低轮轨之间的摩擦系数，钢轨减磨效果明显，在地铁上的应用非常广泛。有报道指出，科学合理的钢轨涂油可增加小半径曲线钢轨使用时间，降低换轨频率。上海地铁经验表明，钢轨涂油可使钢轨侧磨速率下降≥80%，并对内轨波磨、顶面剥离掉块也有明显的弱化效果。北京地铁经验表明，钢轨涂油可使钢轨侧磨速率由涂油前的5.33mm/月降低至涂油后的0.43mm/月。广州地铁经验表明，钢轨涂油对于钢轨波磨具有显著的抑制作用，尤其适用于直线电机线路。在钢轨涂油过程中需要重点把控以下几点^[5]。

1. 把控出油量，涂油器出油量的多少与钢轨磨耗直接相关，如果出油量过少则难以起到应有的减磨效果，如果出油量过多则无法使机车正常制动和牵引。国外发达国家油量控制技术较为成熟，通过采用电子涂油器以确保出油量保持恒定或通过查看钢轨内侧面涂油状态和轨距角磨耗情况对出油量进行控制。国内对油量控制技术的研究相对较为滞后，因钢轨涂油过多或过少情况引发的机车安全事故屡见于报道。
2. 对钢轨性能进行超声波检查探伤之前应停止涂油，并用清洁剂去除钢轨表面油脂。
3. 对已经发生接触性疲劳裂纹的钢轨，需要先去除钢轨表面油脂，然后用打磨车将裂纹磨掉后方可继续进行涂油操作，否则如果继续涂油油脂会顺着裂纹下渗，促进裂纹进一步发展，加速剥离掉块。
4. 定期检查钢轨涂油器，保证其工作状态良好、运行正常，能够有效起到减小轮轨间摩擦系数的作用，达到减缓钢轨磨耗发展的目的。

4.3 其他方面的防治措施

（1）加强养护、消灭超限，采取提高稳定轨道框架的措施。针对北京地铁房山线良乡大学城站小半径曲线的特点，每隔3m安装一根轨距拉杆，并对地胶螺栓全面进行复紧，保持小阻力扣件足够的扣压力。在综合维修中进行细拨细改，确保正矢不超限、轨距顺坡和超高递减。

（2）及时整修钢轨、车轮零部件等缺陷，采取有效措施积极处理钢轨硬弯、低接头等病害。对于车轮零部件缺损或功能异常、枕木严重腐蚀等情况应及时更换;对于混凝土轨枕，应定期监测轨枕扣压力是否符合规定标准要求，如果不满足要求，则需要对其进行加固处理;对于钢轨固定位置，也应定期检查，确保固定位置正确;对于破损及翻浆的轨枕墩要及时进行修理。

（3）改善钢轨断面材质、采用合金钢轨以提高钢轨的抗磨性和强度^[6];将曲线钢轨与直线钢轨进行倒换使用，对于新建地铁线路，在运营1～2年后可将曲线和直线上的钢轨位置进行互换，一方面，曲线上的钢轨磨耗严重，换到直线上后磨耗速率降低，可继续使用;另一方面，直线上的钢轨由于车轮的碾压，在表面已经形成一层耐磨、光滑的保护层，换到曲线上后同样可以起到减磨的效果。

5 结语

钢轨磨耗超限是引发换轨和导致机车行驶安全问题的主要原因，通过分析小半径曲线钢轨的受力及磨耗特点，进而提出针对性的减磨措施，以提高轮轨匹配性、减轻钢轨磨耗、增加钢轨使用时间。对于北京地铁房山线良乡大学城站小半径曲线线路，曲线半径已经确定，可以通过合理选择轨道参数和钢轨涂油等措施以降低钢轨磨耗速率，其中合理选择轨道参数包括减小曲线超高、设置非对称性轨底坡、保持轨距正偏差在规范限值范围之内等，钢轨涂油包括把控出油量、明确涂油禁忌、确保钢轨涂油器运行正常等。需要明确的是，轨道参数设置需要根据钢轨磨耗实际，并结合现场测试数据和统计分析结果予以确定。实践表明，通过采取以上各项减磨耗措施，北京地铁房山線良乡大学城小半径曲线地段钢轨磨耗过快情况得到明显减缓，减少了维修工作量，降低了换轨频率和运营维护成本。

参考文献

[1] 孙宇，翟婉明.钢轨磨耗演变预测模型研究[J].铁道学报，2017，39（8）：1-9.

[2] 雷震宇，王志强，李莉，等.地铁普通扣件钢轨波磨特性[J].同济大学学报：自然科学版，2019，47（9）：1334-1340.

[3] 蒋俊.钢轨廓形打磨在线路提速改造中的应用[J].中国铁路，2018（12）：100-105.

[4] 林凤涛，史振帅，杨洋，等.基于区段磨耗钢轨典型廓形的打磨设计方法[J].噪声与振动控制，2021，41（6）：49-55，196.

[5] 侯智雄，王昊，赵延峰，等.地铁钢轨波浪磨耗检测系统研制及应用[J].铁道建筑，2021，61（11）：120-123.

[6] 史红梅，张志鹏，李富强.钢轨磨耗动态测量中轨廓自动配准方法研究[J].铁道学报，2021，43（10）：84-90.

中图分类号：U21DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-2517

作者简介：李思远（1987—），男，本科，研究方向为地铁运营管理。