钢轨和道岔维修
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• 法国：高速铁路维修捣固作业一般3年1个周期，采取 捣固作业后立即对钢轨打磨 。。法国对高速铁路轨
面短波不平顺制定了严格标准，一是钢轨面平直度 （硬弯）：垂直方向fv<0.3mm/3m或0.2mm/1m，水平 方向fl<0.45mm/1.5m；二是轨端头（翘曲）：垂直上 弯fv<0.4mm/2m，垂直下弯fv<0.2mm/2m，水平方向 fl<0.5mm/2m；三是焊接接头：垂直fv<0.2mm/1m或 0.3mm/1.6m，横向fl<0.5mm/1m。
2
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
二、钢轨维修养护
z 钢轨打磨
z 钢轨打磨技术是指人为定期地打磨钢轨表面， 以去除疲劳裂纹并保持良好的钢轨断面。钢轨 打磨技术控制着钢轨（和轮对）表面的塑性变 形、钢轨表面和接近表面的滚动接触疲劳裂纹 ，提高了转向架的通过能力和动力稳定性，延 长了钢轨和轮对的使用寿命。
z 干燥的钢轨上的高摩擦力表现为：咬合牵引，接触面的高磨耗，高横向力，接 触疲劳效应，牵引能量损失，以及由于滑动接触而造成的接触面金属的“机械 加工”作用而引发的过度噪声。对于摩擦系数大于0.3的情况，钢轨表面的切 向力会导致钢轨表面发生首次屈服。
z 从另外一个角度讲，轮轨间适度的摩擦力是很必要的，在牵引过程中，它可以 在车轮的接触面上产生粘着力。如果没有摩擦力来对轮对重新定向，那么车轮 通过曲线时，就只能完全依靠轮对踏面锥度以及轮缘的作用，但是这样的效果 相对比较差。在一个润滑效果很好的表面上，大牵引力会引起轨头深处的剪应 力。因此摩擦力控制也是一个寻求平衡的过程，妥善处理会得到很好的效果。 通过对一些实例的研究表明，如果可以把摩擦力的最大值控制在一个理想的范 围内，那么钢轨和车轮的使用寿命可以提高一个数量级，并且燃油消耗量可以 减少3%到20%。
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Railway Track Engineering
打磨消除疲劳层
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
校正性（修理性）打磨
• 主要用来消除钢轨的波浪形磨耗、车轮擦伤、 轨裂纹以及接头的马鞍形磨耗；
• 钢轨的一次磨削量较大，打磨周期长。 • 但是这种打磨方式并不能消除引起波磨、钢轨
z 应该保持钢轨表面均匀一致的粗糙度和打磨面宽度，并使其 在容许的误差范围内。
z 打磨周期应根据不同轨道的几何特征来确定，以维持钢轨磨 耗和疲劳伤损的平衡。
z 避免火灾风险发生。
z 减少每个区段轨道结构的打磨费用。
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Railway Track Engineering
预防性打磨成功与否取决于打磨计
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
z 打磨计划具体包括：确定钢轨的参考断面，每根 钢轨（曲线外轨、内轨以及直线地段钢轨）的打 磨次数，每次打磨的速度和压力以及估计完成每 个轨道打磨区段的打磨时间。
z 在打磨机械运送到现场之前，将打磨计划发给现 场的工作人员。
z 建立一个数据库，将以前的钢轨打磨计划存进去 ，可以指导打磨的事前和事后检测，并可以判断 由打磨将带来和已经带来的问题。
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Railway Track Engineering
打磨质量保证
z 在规定的容差范围内确定优化的钢轨横断面。
z 预计钢轨表面的最小打磨深度，控制滚动接触疲劳 效应。
z 重点控制波磨，以控制打磨后，残留在的钢轨表面 不平顺在一定的限度内。
z 达到指定的表面磨光度。
z 应尽可能保证打磨时间或者打磨路径最短，从而高 效地完成钢轨打磨操作。
剥离及掉块的潜在的接触疲劳裂纹，在以后列 车通过时，这些裂纹还将继续扩展。
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预防性打磨
•预防性打磨是在裂纹开始扩展前将这些裂纹萌生区打掉， 近来已发展成为控制钢轨接触疲劳的技术。
• 它力图控制钢轨表面接触疲劳的发展，打磨周期较短， 以便在钢轨表面裂纹萌生时就予以消除。 • 由于这些裂纹极浅，打磨深度很小：钢轨顶面打磨深 度一般为0．05～0．075 mm；对外轨的内缘和内轨的 外侧打磨深度一般为0．1～0．15mm，以防止由于塑 性流动而使钢轨断面产生累积变形。
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Railway Track Engineering
钢轨轨头核伤(nucleus flaws)
钢轨在轧制过程中冷却过速，氢气因溶解
度急剧降低，不能完全从金属中析出而形成 的极微小发裂—“白点”。它将随着钢轨使用 的疲劳现象，逐步发展成为核伤。
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
z 轨头龟裂(head checks): 由滚动接触疲劳引 起;
z 压溃(squats):
z 蜂窝状裂纹(belgrospis):由滚动接触疲劳引 起;
z 尖啸型波磨(roaring rail corrugation);
z 焊缝伤损;
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接触应力
Railway Track Engineering
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
保养性（断面廓形）打磨
对曲线地段的钢轨断面进行非对称打磨能明显降低轮轨横 向力和冲角，达到减轻钢轨侧磨的目的。
• 机车车辆通过曲线一般是靠导向轮贴靠外轨产生的 导向力来导向，轮轨磨耗大。而现代化曲线通过理论 证明，在一定的曲线半径和机车车辆结构下，可以不 用轮缘贴靠的轮轨力导向，而是用轮轨蠕滑力导向， 从而使外侧轮缘不贴靠外轨或减小贴靠时的冲角，以 减小轮轨力和磨耗。 • 非对称打磨依据上述理论，通过非对称打磨达到增 大左右轮的滚动半径差，以补偿内外轨的长度差（外 轨轮滚动半径大、内轨小），从而减小导向轮缘力、 冲角以及轮对在曲线上的滑动，达到减磨目的。
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
国外高速铁路钢轨打磨
• 日本：钢轨打磨分为临时性打磨和周期性打磨，当钢 轨焊接不平顺在0.3mm以上或钢轨踏面不连续的不平 顺测定为0.6mm/2m、-0.4mm/2m以上时，需进行临 时性打磨；周期性打磨是根据年通过总重和行车要求 定期进行打磨。
Railway Track Engineering
曲线钢轨外轨侧磨
外轨
标准断面钢轨
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
轨头压溃(crushing)
曲线里轨压溃
里轨
2009‐10‐24
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
高速铁路钢轨的主要伤损形式
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
钢轨的打磨
1. 预防性打磨：在钢轨轨头裂纹开始扩展前将裂纹萌生区 打磨掉，防止接触疲劳型波磨的产生和发展，打磨周期 短，深度浅；
2. 保养性（断面廓形）打磨 ：将钢轨断面打磨成最佳轮 轨接触的几何形状，以延缓波磨和其他疲劳伤损的产生 ，在曲线地段对钢轨断面进行非对称打磨，能明星降低 轮轨横向力和冲角，减少侧磨 ；
工务工程与管理：铁路轨道结构平顺性
第5讲
钢轨和道岔维修
主讲：谷爱军
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
钢轨的侧磨
（Rail side wear）
NEXT
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
钢轨过度磨耗、
塑性变形和表面疲劳伤损
原因：由于没有进行钢轨打磨等养护维修措施而造成的钢轨过 度磨耗、塑性变形和表面疲劳伤损。
z 应对打磨结果在现场进行持续监测与记录，以备日 后质量管理检查。
2009‐10‐24
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Railway Track Engineering
最佳的钢轨打磨
z 预防性打磨 z 控制钢轨滚动接触疲劳（RCF）伤损的打磨 z 保持工作硬化区 z 保持钢轨的理想断面 z 控制钢轨波磨和焊缝低塌
Hunting Movement
精品课程《轨道工程》
轨腰螺栓孔裂纹 bolt hole crack
Railway Track Engineering
return
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Railway Track Engineering
其它的钢轨伤损
z 接头马鞍形磨耗 z 轨头飞边 z 钢轨接头错牙 z 轨头掉块 z 轨头压溃 z 轨头剥离 z .......
打磨计划也可以由车载激光系统来执行，利 用软件计算出控制滚动接触疲劳效应的金 属磨削量，并确定最佳的钢轨打磨断面。
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Railway Track Engineering
最佳的钢轨打磨
z 保证钢轨垂直断面的钢轨波浪磨耗和焊缝低塌在允许范围内 ，以减少轨道动力效应。
z 保证在磨耗允许范围的打磨参考钢轨断面具有低磨耗、低轮 轨接触应力和良好的机车车辆稳定性等特点。
2009‐10‐24
精品课程《轨道工程》
Railway Track En百度文库ineering
精品课程《轨道工程》
Railway Track Engineering
一、钢轨伤损
Rail Failures
z （一）钢轨伤损
z 钢轨磨耗
z 侧面磨耗
z 波形磨耗
z 交替侧磨 z 垂直磨耗
钢轨磨耗允许限度（标准）
z 钢轨接触疲劳伤损（疲劳裂纹、剥离）
z 轨头核伤
z 轨腰螺栓孔裂纹
精品课程《轨道工程》
划是否满足以下几点要求
z 对于不同区段的轨道和不同位置的钢轨，应确定 不同的预防性打磨最佳周期和金属磨削量。
z 减少钢轨打磨设备的走行距离。
z 详尽的钢轨打磨计划要事先对钢轨进行一次全面 的检查，即在打磨之前，在按计划进行打磨的期 间和钢轨表面条件没有发生显著的变化时候进行 检查。应该保证这个检查是结合钢轨参考断面， 由经过培训的专业人员使用特殊的量测工具来完 成。并最终确定具体的打磨措施，来控制出现的 滚动接触疲劳裂纹以及恢复理想的钢轨断面。
大秦擦伤钢轨
2009‐10‐24
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Railway Track Engineering
钢轨交替侧磨
z 直线钢轨侧磨问题，实质上是机车车辆直线上横向 失稳问题。这时轮缘将接触或撞击钢轨。在没有周 期性的方向等不平顺的激扰下，机车车辆超临界速 度运行时，这种现象由自激蛇行振动产生；而当有 周期性方向等横向不平顺激扰时，对这种激扰敏感 的机车车辆将蛇行失稳，导致车轮轮缘左右接触或 撞击钢轨，造成轮轨侧面磨耗。
z 钢轨涂油
z 钢轨探伤
z 钢轨焊接
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影响预防性钢轨打磨的因素
z 钢轨工作边涂油 z 钢轨顶面摩擦管理 z 曲线地段轨距加宽 z 钢轨冶金技术
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z 利用其他打磨计划的详细信息，以保证打 磨承包人和现场工作人员可以成功、安全 地完成打磨计划。
3. 校正性（修理性）打磨：主要打磨已产生的钢轨表面缺 陷。
3
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Railway Track Engineering
为什么要控制摩擦
z 摩擦力是对运动的抗力，只要一个实体相对于另外一个实体滑动就会产生摩擦 力。钢轨和车轮之间的摩擦造成了巨大的能量损失，阻碍向前运动的摩擦力必 须由额外的牵引力抵消。这个能量的损失表现为燃油的消耗，轮轨之间的磨耗 ，以及轮轨接触面上的冷作用。比方说，一列长货车经过一公里的轨道，由于 摩擦而引起的磨耗和塑性流动过程，会造成600-700克（0.3英镑）车轮和钢轨 材料的质量损失。
(nucleus flaws)
NEXT
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Railway Track Engineering
钢轨剥离 (shelling)
return
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钢轨波磨
（RAIL CORRUGATION）
波浪磨耗 long-wave
波纹磨耗 short-wave NEXT
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曲线上、下股磨耗
return
1
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钢轨的垂直磨耗
vertical wear
return
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钢轨轨头核伤
面短波不平顺制定了严格标准，一是钢轨面平直度 （硬弯）：垂直方向fv<0.3mm/3m或0.2mm/1m，水平 方向fl<0.45mm/1.5m；二是轨端头（翘曲）：垂直上 弯fv<0.4mm/2m，垂直下弯fv<0.2mm/2m，水平方向 fl<0.5mm/2m；三是焊接接头：垂直fv<0.2mm/1m或 0.3mm/1.6m，横向fl<0.5mm/1m。
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二、钢轨维修养护
z 钢轨打磨
z 钢轨打磨技术是指人为定期地打磨钢轨表面， 以去除疲劳裂纹并保持良好的钢轨断面。钢轨 打磨技术控制着钢轨（和轮对）表面的塑性变 形、钢轨表面和接近表面的滚动接触疲劳裂纹 ，提高了转向架的通过能力和动力稳定性，延 长了钢轨和轮对的使用寿命。
z 干燥的钢轨上的高摩擦力表现为：咬合牵引，接触面的高磨耗，高横向力，接 触疲劳效应，牵引能量损失，以及由于滑动接触而造成的接触面金属的“机械 加工”作用而引发的过度噪声。对于摩擦系数大于0.3的情况，钢轨表面的切 向力会导致钢轨表面发生首次屈服。
z 从另外一个角度讲，轮轨间适度的摩擦力是很必要的，在牵引过程中，它可以 在车轮的接触面上产生粘着力。如果没有摩擦力来对轮对重新定向，那么车轮 通过曲线时，就只能完全依靠轮对踏面锥度以及轮缘的作用，但是这样的效果 相对比较差。在一个润滑效果很好的表面上，大牵引力会引起轨头深处的剪应 力。因此摩擦力控制也是一个寻求平衡的过程，妥善处理会得到很好的效果。 通过对一些实例的研究表明，如果可以把摩擦力的最大值控制在一个理想的范 围内，那么钢轨和车轮的使用寿命可以提高一个数量级，并且燃油消耗量可以 减少3%到20%。
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打磨消除疲劳层
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校正性（修理性）打磨
• 主要用来消除钢轨的波浪形磨耗、车轮擦伤、 轨裂纹以及接头的马鞍形磨耗；
• 钢轨的一次磨削量较大，打磨周期长。 • 但是这种打磨方式并不能消除引起波磨、钢轨
z 应该保持钢轨表面均匀一致的粗糙度和打磨面宽度，并使其 在容许的误差范围内。
z 打磨周期应根据不同轨道的几何特征来确定，以维持钢轨磨 耗和疲劳伤损的平衡。
z 避免火灾风险发生。
z 减少每个区段轨道结构的打磨费用。
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预防性打磨成功与否取决于打磨计
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z 打磨计划具体包括：确定钢轨的参考断面，每根 钢轨（曲线外轨、内轨以及直线地段钢轨）的打 磨次数，每次打磨的速度和压力以及估计完成每 个轨道打磨区段的打磨时间。
z 在打磨机械运送到现场之前，将打磨计划发给现 场的工作人员。
z 建立一个数据库，将以前的钢轨打磨计划存进去 ，可以指导打磨的事前和事后检测，并可以判断 由打磨将带来和已经带来的问题。
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打磨质量保证
z 在规定的容差范围内确定优化的钢轨横断面。
z 预计钢轨表面的最小打磨深度，控制滚动接触疲劳 效应。
z 重点控制波磨，以控制打磨后，残留在的钢轨表面 不平顺在一定的限度内。
z 达到指定的表面磨光度。
z 应尽可能保证打磨时间或者打磨路径最短，从而高 效地完成钢轨打磨操作。
剥离及掉块的潜在的接触疲劳裂纹，在以后列 车通过时，这些裂纹还将继续扩展。
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预防性打磨
•预防性打磨是在裂纹开始扩展前将这些裂纹萌生区打掉， 近来已发展成为控制钢轨接触疲劳的技术。
• 它力图控制钢轨表面接触疲劳的发展，打磨周期较短， 以便在钢轨表面裂纹萌生时就予以消除。 • 由于这些裂纹极浅，打磨深度很小：钢轨顶面打磨深 度一般为0．05～0．075 mm；对外轨的内缘和内轨的 外侧打磨深度一般为0．1～0．15mm，以防止由于塑 性流动而使钢轨断面产生累积变形。
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钢轨轨头核伤(nucleus flaws)
钢轨在轧制过程中冷却过速，氢气因溶解
度急剧降低，不能完全从金属中析出而形成 的极微小发裂—“白点”。它将随着钢轨使用 的疲劳现象，逐步发展成为核伤。
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z 轨头龟裂(head checks): 由滚动接触疲劳引 起;
z 压溃(squats):
z 蜂窝状裂纹(belgrospis):由滚动接触疲劳引 起;
z 尖啸型波磨(roaring rail corrugation);
z 焊缝伤损;
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接触应力
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保养性（断面廓形）打磨
对曲线地段的钢轨断面进行非对称打磨能明显降低轮轨横 向力和冲角，达到减轻钢轨侧磨的目的。
• 机车车辆通过曲线一般是靠导向轮贴靠外轨产生的 导向力来导向，轮轨磨耗大。而现代化曲线通过理论 证明，在一定的曲线半径和机车车辆结构下，可以不 用轮缘贴靠的轮轨力导向，而是用轮轨蠕滑力导向， 从而使外侧轮缘不贴靠外轨或减小贴靠时的冲角，以 减小轮轨力和磨耗。 • 非对称打磨依据上述理论，通过非对称打磨达到增 大左右轮的滚动半径差，以补偿内外轨的长度差（外 轨轮滚动半径大、内轨小），从而减小导向轮缘力、 冲角以及轮对在曲线上的滑动，达到减磨目的。
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国外高速铁路钢轨打磨
• 日本：钢轨打磨分为临时性打磨和周期性打磨，当钢 轨焊接不平顺在0.3mm以上或钢轨踏面不连续的不平 顺测定为0.6mm/2m、-0.4mm/2m以上时，需进行临 时性打磨；周期性打磨是根据年通过总重和行车要求 定期进行打磨。
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曲线钢轨外轨侧磨
外轨
标准断面钢轨
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曲线里轨压溃
里轨
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高速铁路钢轨的主要伤损形式
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钢轨的打磨
1. 预防性打磨：在钢轨轨头裂纹开始扩展前将裂纹萌生区 打磨掉，防止接触疲劳型波磨的产生和发展，打磨周期 短，深度浅；
2. 保养性（断面廓形）打磨 ：将钢轨断面打磨成最佳轮 轨接触的几何形状，以延缓波磨和其他疲劳伤损的产生 ，在曲线地段对钢轨断面进行非对称打磨，能明星降低 轮轨横向力和冲角，减少侧磨 ；
工务工程与管理：铁路轨道结构平顺性
第5讲
钢轨和道岔维修
主讲：谷爱军
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钢轨的侧磨
（Rail side wear）
NEXT
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钢轨过度磨耗、
塑性变形和表面疲劳伤损
原因：由于没有进行钢轨打磨等养护维修措施而造成的钢轨过 度磨耗、塑性变形和表面疲劳伤损。
z 应对打磨结果在现场进行持续监测与记录，以备日 后质量管理检查。
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最佳的钢轨打磨
z 预防性打磨 z 控制钢轨滚动接触疲劳（RCF）伤损的打磨 z 保持工作硬化区 z 保持钢轨的理想断面 z 控制钢轨波磨和焊缝低塌
Hunting Movement
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轨腰螺栓孔裂纹 bolt hole crack
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return
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其它的钢轨伤损
z 接头马鞍形磨耗 z 轨头飞边 z 钢轨接头错牙 z 轨头掉块 z 轨头压溃 z 轨头剥离 z .......
打磨计划也可以由车载激光系统来执行，利 用软件计算出控制滚动接触疲劳效应的金 属磨削量，并确定最佳的钢轨打磨断面。
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最佳的钢轨打磨
z 保证钢轨垂直断面的钢轨波浪磨耗和焊缝低塌在允许范围内 ，以减少轨道动力效应。
z 保证在磨耗允许范围的打磨参考钢轨断面具有低磨耗、低轮 轨接触应力和良好的机车车辆稳定性等特点。
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一、钢轨伤损
Rail Failures
z （一）钢轨伤损
z 钢轨磨耗
z 侧面磨耗
z 波形磨耗
z 交替侧磨 z 垂直磨耗
钢轨磨耗允许限度（标准）
z 钢轨接触疲劳伤损（疲劳裂纹、剥离）
z 轨头核伤
z 轨腰螺栓孔裂纹
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划是否满足以下几点要求
z 对于不同区段的轨道和不同位置的钢轨，应确定 不同的预防性打磨最佳周期和金属磨削量。
z 减少钢轨打磨设备的走行距离。
z 详尽的钢轨打磨计划要事先对钢轨进行一次全面 的检查，即在打磨之前，在按计划进行打磨的期 间和钢轨表面条件没有发生显著的变化时候进行 检查。应该保证这个检查是结合钢轨参考断面， 由经过培训的专业人员使用特殊的量测工具来完 成。并最终确定具体的打磨措施，来控制出现的 滚动接触疲劳裂纹以及恢复理想的钢轨断面。
大秦擦伤钢轨
2009‐10‐24
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钢轨交替侧磨
z 直线钢轨侧磨问题，实质上是机车车辆直线上横向 失稳问题。这时轮缘将接触或撞击钢轨。在没有周 期性的方向等不平顺的激扰下，机车车辆超临界速 度运行时，这种现象由自激蛇行振动产生；而当有 周期性方向等横向不平顺激扰时，对这种激扰敏感 的机车车辆将蛇行失稳，导致车轮轮缘左右接触或 撞击钢轨，造成轮轨侧面磨耗。
z 钢轨涂油
z 钢轨探伤
z 钢轨焊接
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影响预防性钢轨打磨的因素
z 钢轨工作边涂油 z 钢轨顶面摩擦管理 z 曲线地段轨距加宽 z 钢轨冶金技术
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z 利用其他打磨计划的详细信息，以保证打 磨承包人和现场工作人员可以成功、安全 地完成打磨计划。
3. 校正性（修理性）打磨：主要打磨已产生的钢轨表面缺 陷。
3
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为什么要控制摩擦
z 摩擦力是对运动的抗力，只要一个实体相对于另外一个实体滑动就会产生摩擦 力。钢轨和车轮之间的摩擦造成了巨大的能量损失，阻碍向前运动的摩擦力必 须由额外的牵引力抵消。这个能量的损失表现为燃油的消耗，轮轨之间的磨耗 ，以及轮轨接触面上的冷作用。比方说，一列长货车经过一公里的轨道，由于 摩擦而引起的磨耗和塑性流动过程，会造成600-700克（0.3英镑）车轮和钢轨 材料的质量损失。
(nucleus flaws)
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钢轨剥离 (shelling)
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钢轨波磨
（RAIL CORRUGATION）
波浪磨耗 long-wave
波纹磨耗 short-wave NEXT
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曲线上、下股磨耗
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钢轨的垂直磨耗
vertical wear
return
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钢轨轨头核伤