重载铁路钢轨的伤损及预防对策研究_周清跃

表 1 2000— 2007 年 9 月钢轨重伤类型分布情 况 处
年份
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 合计
核伤 46
433 350 455 500 962 1 362 1 845 5 953
伤损类型
剥离掉块 裂纹 断裂
3
31
1
22
2
4
51
4
12
89
2
28
1 大秦重载铁路钢轨的伤损类型
大秦重载铁路钢轨伤损调查结果表明 , 曲线钢 轨的侧磨和剥离掉块 、 钢轨的疲劳核伤以及焊接接 头的伤损为其主要伤损类型 , 也是决定钢轨使用寿 命的最主要因素[掉块 钢轨的侧磨是小半经曲线上股钢轨的主要伤损
类型之一 。近年来在普通铁路线上 , 随着全长热处 理钢轨的铺设 使用 , 钢 轨的侧磨 得到了有 效的控 制 。 但在重载铁路线上 , 钢轨仍因侧磨重伤不得不 提前更换下道 。
以大秦线为例 , 在开通初期 , 全线铺设强度等 级为 880 MP a 级的普通热 轧钢轨 , 因 耐磨性能较 差 , 在曲线半径 400 ～ 600 m 的线路上铺设使 用 9 个月后侧磨量达到 18 mm , 造成钢轨严重损伤 。20 世纪 90 年代中后期 , 在大秦线曲线上逐渐铺设了 强度等级为 1 200 MP a 的 U75V 全长离线热处理钢 轨 , 使钢轨的侧磨显著减少[ 2] 。 随着万 t 及 2 万 t 重载列车的开行以及车辆轴重的增加 , 使年通过总 重大幅度提高 , 从而加剧了钢轨的磨耗 。目前 , 在 曲线半径 600 m 及以下的曲线上股 , 钢轨因侧磨而 提前更换下道 , 在线热处理钢轨铺设 1 年后侧磨达 15 mm , 如图 1 所示 。
因此 , 曲线半径 ≤800 m 的线路钢轨的上股侧 磨 , 是重载铁路迫切需要研究解决的伤损之一 。 曲线上股钢轨轨距角的剥离掉块和下股轨面的
收稿日期 :2009-09-20 ;修订日期 :2009-11-18 基金项目 :铁道部科技研究开发计划项目 (2006G 022) 作者简介 :周清跃 (1960 —), 男 , 浙江磐安人 , 研究员 , 博士生导师 。
图 2 上股钢轨轨距角剥离掉块
1.2 疲劳核伤 2000 —2007 年 9 月 , 大秦重车线 K108 —K392
区间 (大秦重车线损伤较严重区间)的钢轨重伤情 况分类统计结果见表 1[ 3] 。 统计结果表明 , 大秦重 载铁路钢轨的主要重伤类型是核伤 、 剥离掉块和裂 纹 , 均为疲劳型伤损 , 并呈逐年增长态势 , 是影响 钢轨使用寿命的最主要因素 。因此 , 减少钢轨的疲 劳核伤是延长钢轨使用寿命的首要任务之一 。
随着大秦铁路运量和轴重的增加 , 钢轨伤损日 益严重 , 提高大秦重载铁路钢轨使用寿命已成为迫 切需要研究的重要课题 。 目前大秦重车线采用了 Ⅱ 型和 Ⅲ型混凝土轨枕 , 一级道砟 和 75 kg · m -1 重 型钢轨 , 并焊接成区间无缝线路 。
本文在对大秦重车线近几年铺设上道钢轨使用 情况进行调查的基础上 , 通过观察分析钢轨伤损的 类型和特征 , 归纳总结 出钢轨伤 损的主要 伤损类 型 , 据此提出了减少钢轨伤损的预防对策及措施 , 并由铺设试验段进行了试验验证 。
2 钢轨伤损的预防对策及措施
图 3 下股钢轨轨面的剥离掉块
2.1 减少钢轨侧磨 由对大秦重载铁路钢轨出现严重侧磨的原因分
析可知[ 1] , 除了曲线超高设置偏大外 , 钢轨侧磨还 与铺设的在线热处理钢轨硬度偏低有关 。为此 , 提
第 1 期 重载铁路钢轨的伤损及预防对策研究
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出采取如下措施 , 以减少曲线上股钢轨的侧磨 。 1)合理设置欠超高 通过对钢轨侧磨及其对应的曲线超高测量结果
表明 , 相同曲线半径条件下 , 随着超高的减少 , 钢 轨侧磨总的呈下降趋势 。 主要原因是随着超高的增 加 , 列车通过曲线时的冲角变大 , 从而增加了上股 钢轨的 侧磨[ 4] 。 为此 , 对发生 严重侧 磨的曲 线线 路 , 在坚持准确测速确定平衡超高的基础上 , 应设 置 10 %～ 15 %的欠超高 。
周清跃1 , 张建峰2 , 郭战伟3 , 习年生4 , 高新平2
(1 .中国铁道科学研究院 金属及化学研究所 , 北京 100081;2 .太原铁路局 工务处 , 山西 太原 030013; 3.铁道部运输局 , 北京 100844 ;4 .中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心 , 北京 100081)
2)进行科学润滑 由文献 [ 5] 可知 , 铺设高强钢轨并采用固体 润滑后 , 在曲线半径 300 ～ 400 m 的线路上股 , 当 通过总重小于 50 M t 时钢轨基本无侧磨和剥离 , 当 通过总重大于 50 M t 时钢轨的侧磨 以 0.02 mm · M t -1 的速度发展 , 钢轨基本无剥离 。 而在使用车载 喷脂润滑的情况下 , 当通过总重小于 50 M t 时钢 轨基本无侧磨 , 但剥离严重 。采用固体润滑 , 不仅 可以大幅度减少钢轨的磨耗 , 同时不会促进钢轨剥 离掉块的产生 , 对提高曲线上股钢轨的使用寿命具 有明显的作用 。 因此 , 在重载铁路上当铺设高强耐 磨钢轨后如仍磨耗严重 , 应采用固体润滑 , 以进一 步控制钢轨的磨耗速率 , 同时还可以抑制剥离掉块 的发生和发展 。 3)提高钢轨硬度 研制具有强度等级为 1 280 M Pa 、 轨面硬度大 于 370 H B 的热处理钢轨 , 对延长曲线钢轨使用寿 命具有十分重要的意义 。 为了提高热处理钢轨的强 度和硬度 , 采用铬合金轨进行热处理 , 是被实践证 明的行之有效的方法之一 。 4)合理铺用钢轨 在重载铁路曲线半径 ≤1200 m 的 线路上铺设 轨面硬度大于 370 H B 的热处理钢轨 , 在其他区段 铺设强度等级为 980 ～ 1 100 M Pa 的热轧钢轨 , 并 采用热处理钢轨作为断轨修复插入用轨 。 2.2 减少钢轨的剥离掉块 钢轨轨面的剥离及掉块属于钢轨滚动接触疲劳
3 预防对策实施效果
为了对重载铁路钢轨伤损预防对策及措施进行 验证 , 项目组与有关单位合作研制了热轧强度等级 为 980 及 1 100 M Pa 、 热处理后轨面硬度大于 370 H B 的 U77M nCr 和 PG4 含 铬 低 合金 的 75 kg · m -1 钢轨[ 6] , 这 2 种钢轨于 2007 年 5 月分别铺设在 大 秦 铁 路 的 重 车 线 K388.674 —K398.549 和 K398.549 —K410.020 区段 , 其中曲线半径 ≤1 200 m 的线路上铺 设热处理 钢轨 , 其 他区段铺 设热轧 轨 。 除此之外 , 在试验段上还采取了以下措施 :① 铺设了热塑性弹性体新垫板[ 7] ;②对试验段道床进 行了 1 次大机清筛 ;③钢轨铺设上道后进行了 1 次 大机预打磨 , 运行 400 M t 后再进行 1 次大机打磨 ; 为了改善轮轨接触状态 , 弥补轨底坡不足 , 重点对 钢轨的轨距角进行打磨 ;④ 对焊 接接头进行焊后 热处理 , 对焊 后的闪光 焊接头进 行中频电 感应加 热 , 对气压焊接头进行火焰加热 , 并对焊接接头轨 头进行喷风冷却 , 其他部位由空气冷却 。
在焊缝伤损中以现场小型气压焊最为严重 , 其 次为铝热焊 。钢轨焊接接头的严重伤损不仅增加了 工务维修养护工作量 , 还时刻威胁着铁路的行车安 全 , 影响列车的正常运行 。
调查发现 , 焊接接头的低塌是造成焊接接头伤 损的重要原因之一 。 无论是气压焊还是闪光焊 , 焊 接接头轨面硬度大多数低于母材 , 接头低塌十分严 重 。 其中 , 气压焊接头最大低塌达到 2.9 mm , 闪 光焊接头的低塌近半数达到 1 mm 以上 。 因此 , 提 高钢轨焊接接 头的平直 度以及焊 接接头轨 面的硬 度 , 对减少钢轨焊接接头在使用中出现低塌 、 延长 钢轨使用寿命具有重要的作用 。
第 3 1卷 , 第 1期 中 国 铁 道 科 学 2 0 1 0 年 1 月 CH INA RAIL WAY SCIENCE
Vo l.31 No.1
January , 2010
文章编号 :1001-4632 (2010) 01-0027-05
重载铁路钢轨的伤损及预防对策研究
摘 要 :通过对重载铁路钢轨伤损的现场调查 分析 , 确 定出钢轨 伤损的 主要类 型和规 律 , 在此基 础上提 出 了预 防对策措施并进行了试验验证 。 结果表明 :①在半径小于 1 200 m 的曲线上铺设轨面硬度 大于 370 H B 的 含 铬热 处理钢轨 (U 77M nCr 和 PG 4)、 采用每天 1 次固 体润滑 并设置 欠超高 , 可以减 少钢轨的 严重侧 磨 ;②热 塑 性弹 性体垫板可以增加轨道弹性 , 减少轨道动应力和钢 轨的疲 劳核伤 ; ③在减 少所用 钢轨表面 脱碳层 深度和 钢 中夹 杂物的基础上及时进行钢轨打磨 , 可有效抑制钢轨 轨距角 剥离掉 块伤损 的发展 ;④虽然热 轧轨出 现的剥 离 掉块深度较浅 , 但会在轨面外侧出现严重的深层 肥边掉 块 , 影响钢 轨的安 全使用 , 因此 , 重载 铁路曲 线下股 仍 应铺设高强度的热处理钢轨 ;⑤在优化 焊接 工艺和 提高 接头 内部质 量的 基础上 , 对焊 接接头 采用 焊后再 淬火 , 以提高接头轨面的硬度 , 从而明显减少焊接接头轨面的低塌和焊接接头的伤损 。
钢轨的疲劳核伤是重载铁路钢轨最主要的伤损
类型之一 。研究表明 , 轨钢的强韧性和纯净性等指 标是影响其疲劳性能的主要因素 。 从疲劳核伤产生 的机理看 , 当承受的外力超过钢轨钢的疲劳极限时 钢轨就会产生疲劳 。 而疲劳裂纹容易在诸如内部夹 杂物等薄弱部位萌生 。因此 , 为了提高钢轨的抗疲 劳能力 , 对影响钢轨疲劳性能的指标如轨钢的纯净 性和低倍组织等应严格控制 ;同时 , 应增加和保持 轨道弹性 、 改善钢轨受力状态 。 采用优质高性能轨 下垫板 、 及时对道床进行清筛 、 定期打磨钢轨 , 对 减少钢轨疲劳伤损均具有重要的作用 。 2.4 减少钢轨焊接接头的伤损