浅谈铁路小半径曲线病害成因及其整治

浅谈铁路小半径曲线病害成因及其整治铁路运输的永恒主题是安全生产，安全生产的关键就是确保设备和人身安全。

目前铁路实施第六次提速尤其是动车组开行以后，对设备的要求更高、标准更严，只有不断探索铁路划时代改革的新形势下的安全生产管理，修建，维修，建立起一整套与铁路相适应的安全生产管理办法，才能更好的适应提速新形势，线路轨道是铁路运输的基础，身为一名铁路职工，如何搞好工务线路设备的维修养护工作，为铁路运输安全畅通夯实基础是我们铁路职工的职责，也对保障铁路运输的安全具有极为重要的意义。

下面就结合这几年在从事铁路工务工作，谈一下对铁路养护维修的一些体会。

铁路线路设备是铁路运输的基础设备，它常年裸露在大自然中，经受着风雨冻融和列车荷载的作用，轨道几何尺寸不断变化。

路基及基床不断产生变形，刚轨、连接零件及轨枕不断磨耗，因而是线路设备的技术状态不断发生变化。

线路维修养护贯彻“预防为主，防治结合，休养并重”的原则，经常保持线路设备完整和质量均衡，是列车能以规定速度安全、平稳和不间断的运行，并尽量延长设备的使用寿命。

因此合理养护线路，确保线路质量是保证工务部门安全生产的前提，也是保证铁路运输安全的基础，对企业经济效益的增长、人民生命财产的保障和国民生产总值的提高都有很重要的意义。

曲线轨道的构造与直线地段有不同特点：①曲线半径较小，轨距适当加宽；②外轨增设超高；③曲线两端与直线连接处设置缓和曲线。

轨距加宽机车车辆进入曲线时，因惯性作用，任然力图保持其原来行驶方向，仅当前轮碰到外轨，受到外轨引导，才延着曲线轨道行驶。

这是车辆的的转向架与曲线在平面上保持一定的位置和角度。

可能出现三种不同情况：第一种情况适当轨距足够宽时，只有前轴外轮的轮缘受到外轨的挤压力（称导向力）后轴则居于曲线半径方向，两侧轮缘与钢轨间都有一定的间隙，行车阻力最小；第二种情况是当轨距不够宽时，后轴（或其他一轴）的内轮轮缘也将受到内轨的挤压产生了第二导向力，行车阻力较前者增加；当轨距更小时，可能出现第三种情况，此时不但中间谋轴内轮受内轨挤压，而且后轴外轮也受到外轨挤压，车轮被楔住在两轨之间，不仅行车阻力大，甚至可能把轨道挤开。

因此小半径上的曲线必须加宽，在确定轨距加宽时，需根据铁路机车车辆的轴数和轴距，计算轨距能允许车辆一何种情况通过曲线。

确定轨距加宽的原则的原则是：①保证最常用的车辆转向架能以第一种情况自由通过曲线；②保证轴距较长的多轴机车能以第二种情况通过，而不致出现第三种情况。

根据上述原则算出的曲线轨道的轨距，减去直线上的标准轨距，称轨距加宽值。

中国轨距加宽值按照曲线不同半径，过去分为三级加宽，后改为两级加宽，每级5——10毫米。

但包括6毫米允许误差在内，轨距最大不得超过1456毫米，以保证轮对平稳、安全的通过曲线。

外轨超高列车在曲线上行驶对轨道产生离心力，使外轨承受较大压力，发生严重的侧面磨耗，并使旅客感觉不适，严重时甚至造成列车倾覆事故。

为此，须将外轨抬高一定程度，借助于因车体内倾所产生的重力内分向力来平衡这种离心力。

外轨抬高的数量，称外轨超高度，有列车通过时离心力的大小确定。

离心力与车速平方成正比，与曲线的半径成反比，因此半径越小，车速越大，离心力越大，需设的超高就越大。

在车速和曲线半径都为已知的情况下，借助于上述各力的平衡关系，按使两轨垂直磨耗均等的条件，可得外轨超高计算公式为h=11.8(v2/r)式中超高h以毫米计，速度以公里/小时计；半径r以米计。

若按两轨磨耗均等的原则设置超高，因所受的离心力加速度过大，有时会使高速列车中的旅客感觉不舒适。

因此还要根据旅客舒适条件进行检验，如不能满足要求时，应再进行调整高。

中国铁路规定：在山区铁路，其值不得大于0.6米/秒；平原区域或复线不得大于0.4——0.5米/秒，实际设置超高时，取其整数到5毫米。

最大超高为150毫米；单线上下行速度悬殊时不超过125毫米，以防临时停车，内轨受过大偏压。

缓和曲线设于圆曲线与直线相接处，使圆曲线的轨距加宽及外轨超高，可以在缓和曲线范围内逐渐完成。

缓和曲线的曲率是渐变的，从零变至与圆曲线曲率相同；超高也是渐变的，因而列车由直线进入曲线时，车体所受的离心力与向心力也是渐变的。

为使这两种力处处平衡，可推导出这曲线的线型是一空间的高次方程。

断面上，如果外轨超高按直线规律递增，即为各国常用的三次螺旋线。

铁路最主要的特点是运量大和轴重大。

这两大特点必然使轨道结构承受较大的荷载，由此造成轨道结构及其部件的破坏速度较普通铁路加快，线路变形也增加较大，从而是线路维修养护工作量和维修成本较普通铁路加大。

从过去几年的维修养护情况分析，铁路轨道结构破坏的主要形式有轨道部件破损（尤其是夹板裂纹，街头螺栓折断，弹跳折断）钢轨表面的不平顺（波形磨耗等）及线路的严重下沉三种。

轨道部件的损伤和轨面不平顺产生的主要原因是接头部位的强大冲击力的反复作用，使得这些部位的部件产生疲劳损伤所致。

线路严重下沉主要有两方面原因造成：一是道床的沉陷变形；二是路基病害造成的基床塌陷；三是桥涵两头路基的不均匀下沉。

根据铁科院的研究资料，道床的破坏与通过总重呈线行关系，而路基破坏则是通过总重的24成正比，所以这也同时说明重载列车对路基的破坏更加严重。

由于路基的变形最终反映在轨道变形上，因而这些破坏最终都导致了县里维修工作量的增加。

所以我就从轨道结构加强与养护和路基设施养护两方面做一些探讨。

铁道线路不间断的受到机车、车辆的碾压和冲击，所以线路状态处在不断的变化当中。

曲线地段特别是小半径曲线较直线地段所受到的、碾压和推挤更为突出，不但线路状态变化较快、较大，而且轨件的磨损也比较严重，因此小半径曲线的养护维修与病害整治成为线路养护工作的一个重要环节，其养护任务的好坏直接关系着维修投入与行车安全。

1、曲线轨道的受力分析小半径曲线病害的产生与钢轨受力有着直接的关系。

当列车在曲线地段运行时，产生的力十分复杂。

通过力的分析，可将列车作用于钢轨上的力分为三个方向，即竖直方向、水平方向、水平纵向。

⑴作用于钢轨上竖直方向分力的构成道床框架沿垂直方向移动的力称为道床竖向阻力。

它是轨道框架重量及轨枕各侧面与碎石道碴之间摩擦阻力组成，也可以近视认为是轨道框架重量。

机车和车辆在轨道上运行时作用于钢轨上车轮的静压力（即分配到该车轮上的车辆重量——轴重）随着铁路运输的发展将不断增加，而加强轨道结构，首先是增加钢轨重量，这样才有可能满足轴重不断增加的要求。

列车通过轨道不平顺地段以及不平顺车轮运行时会产生附加力。

轨道不平顺分为长不平顺和短不平顺两种。

长不平顺通常是因捣鼓不良、枕木腐朽、三角坑及轨道弹性不均匀而形成；段不平顺的形成与钢轨波浪形磨耗、车轮空转有关。

在曲线地段还有因外轨超高以及车架对车轮横向压力而引起的附加垂直力。

⑵、作用于钢轨上横向水平力的构成横向水平力主要指车轮对钢轨的侧压力和曲线上的附加横向力。

以上力由轮缘对轨头的压力（传递车架的压力）和车轮在钢轨上横向滑动时产生的摩擦力组成，因此车轮对钢轨的侧压力可以取上述两力之和或两力之差。

曲线地段产生的横向水平力比较大。

曲线半径愈小，横向水平力愈大。

曲线上产生的离心力和因外轨超高使车辆倾斜而产生的机车车辆重力分力有关。

这些横向力（导向力、侧向力以及车架压力）的大小取决于离心力、行车速度、曲线半径和外轮超高。

当在压应力和横向力的共同作用下超过了钢轨的屈服强度时，在钢轨作用边产生碾堆（即塑性变形）在踏面形成局部压陷特征，压陷处不宜和车轮踏面接触（即短不平顺）而形成暗斑，最终形成疲劳裂纹。

当钢轨的磨耗速率小于疲劳裂纹的扩展速度时，最终将发展成剥离掉块。

曲线半径越小，出现掉块的情况就越严重。

因此，小半径曲线严重阻碍着铁路提速发展的要求。

⑶、纵向水平力纵向水平力是指钢轨及轨道框架纵向伸缩的阻力。

它包括接头阻力、扣件阻力和道床纵向阻力。

这些力在轨道上是十分复杂的，产生纵向水平力的主要原因是轨道爬行和温度作用，在曲线地段，钢轨上还作用着滑动引起的摩擦力。

轨道爬行主要是在车轮滚动下钢轨的蛇形起伏而产生的，在列车制动地段尤为明显。

如钢轨和轨枕之间连接不够牢固，弹性道床抵抗轨枕纵向位移的阻力大于钢轨在支座上滑动的阻力，此时钢轨可能纵向移动，而轨枕则任然留在原地。

轨道爬行实质上取决于轨下基础刚度，刚度愈大，因钢轨扭曲及其断面转动而引起的爬行也愈大；钢轨扭曲增大也将使爬行增加。

列车在小半径曲线上行驶。

是小半径曲线的超高、方向、轨距、顺坡、尤其是曲线正矢会发生很大变化。

其三直、三缓尤为明显。

这也有碍于铁路提速的要求。

2、曲线病害产生的原因及危害小半径曲线在以上各种力的作用下，导致钢轨、线路几何尺寸、轨枕、道床等设备变化，经过一段时间的列车运行，各种残余变形进一步扩大，线路各种病害逐步显现出来。

⑴、主要病害一是钢轨伤害病害：钢轨侧磨、波磨及接头伤损是小半径曲线常见病害，尤其是侧磨，是小半径曲线最突出的伤损类型。

二是轨道几何尺寸易超限：小半径曲线上高低、轨距、超高正矢相对其他线路容易发生变化，保持的周期短，特别是轨距扩大病害相当普遍，并且随着钢轨侧磨的增加而逐渐加剧。

三是轨距连接零件易松动且且破损率高：小半径曲线上连接零件承受的冲击力和横向作用力都比较大，在相同扭力距情况下，小半径曲线连接零件容易松动，而且当冲击力和横向力达到一定值时，易造成夹板及夹板螺栓折断、混凝土枕连接螺栓失效、枕木道钉浮离、轨距杆折断、轨撑压裂、尼龙座挤碎、轨枕挡肩破损等病害。

⑵、成因分析小半径曲线钢轨磨耗特别是侧磨往往在多种因素的复合作用下形成。

其一，线路的先天不足是钢轨磨耗的最主要原因。

列车驶经小半径曲线时，由于车轮踏面与钢轨面发生滑动，使相同牵引力下列车的行驶速度大大降低，使钢轨受到的力较直线地段大的多，导致机车车辆与轨道部件受到损伤，特别是钢轨的侧磨比较大，使用寿命变短。

其二，我国铁路运输逐步向“快速重载”方向发展，运量的增加对钢轨的冲击破坏是最明显的，在车轮的快速碾压下，并在其他因素的作用下，钢轨头部内侧接触面逐渐剥离，钢轨侧面磨耗逐步形成，并快速变化。

曲线超高设置因根据实际通过的列车对数和实际通过的车速来确定。

而事实上车速和通过对数是在不断变化、逐步增加的，超高数值的合理性很难确定。

其三，超高偏大，车轮在向心力作用下撞击摩擦下股钢轨，从而逐渐形成下股钢轨波磨。

其四，超高偏小，车轮在离心力作用下撞击摩擦上股钢轨，上股钢轨侧磨逐渐形成。

其五，轨枕预留轨底坡是1/40，用于直线地段是合适的，而在曲线地段，由于超高的作用，是车轮踏面与钢轨顶面未全部接触，车体荷载就集中于钢轨内顶接触面，形成偏载，有时轮缘挤压钢轨头部内侧面，对钢轨破坏很大，容易形成磨耗。

只有增大轨底坡，方可消除偏载作用，其六，车轮踏面对钢轨的冲击摩擦，是其他面形成不均匀磨耗，从而使列车形成蛇形，冲击钢轨，助长磨耗的形成。