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重載小半徑曲線(xiàn)鋼軌最佳磨耗率及鋼軌打磨參數研究
摘要：對不同通過(guò)總重下的重載鐵路小半徑曲線(xiàn)在役鋼軌進(jìn)行取樣、裂紋深度測量、流變層金相分析、鋼軌型面測量和磨耗計算，分析了輪軌磨耗和裂紋隨通過(guò)總重累積的發(fā)展情況和相互關(guān)系。根據磨耗和打磨對裂紋的影響，分析了裂紋-磨耗消長(cháng)平衡機制，提出了最佳磨耗率的計算方法，并分析了試驗段的鋼軌最佳磨耗率和預防性打磨參數。結論表明：用適當時(shí)機的磨耗加打磨來(lái)消除或控制裂紋，有利于實(shí)現預防性鋼軌打磨和延長(cháng)鋼軌使用壽命。該重載條件下，小半徑曲線(xiàn)預防性鋼軌打磨的打磨周期約為1700~2000 萬(wàn)噸通過(guò)總重，上、下股鋼軌打磨量分別為0.40~0.45mm、0.25~0.30mm，最佳磨耗率為0.032~0.034mm/MGT。
關(guān)鍵詞：道路與鐵道工程；鋼軌；滾動(dòng)接觸疲勞；鋼軌磨耗；鋼軌打磨；最佳磨耗率
0 引言
現場(chǎng)觀(guān)測發(fā)現，重載鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌上道后不久就在表面出現疲勞裂紋、剝離掉塊和肥邊[1]，而這時(shí)的輪軌磨耗還不足以磨損掉這些傷損，使得疲勞裂紋和剝離掉塊得以進(jìn)一步擴展；當通過(guò)總重累積到一定程度時(shí)，輪軌磨耗才逐漸加快并抑制疲勞裂紋的發(fā)展，但這時(shí)在曲線(xiàn)鋼軌上已經(jīng)形成一定規模且較為嚴重的密集裂紋或剝離掉塊，之后鋼軌磨耗特別是上股鋼軌側磨快速發(fā)展，導致鋼軌的型面惡化甚至過(guò)早下道。疲勞裂紋和剝離掉塊的存在影響鋼軌的現場(chǎng)探傷，會(huì )引起核傷、斷軌等安全事故，而磨耗影響鋼軌使用壽命。目前，預防性鋼軌打磨是控制和減緩鋼軌使用初期滾動(dòng)接觸疲勞裂紋、改善輪軌關(guān)系的重要措施，其目的就是通過(guò)合理時(shí)機內的輪軌磨耗結合鋼軌打磨來(lái)“捕捉”到裂紋的發(fā)展，同時(shí)恢復鋼軌型面、改善輪軌關(guān)系，從而平衡裂紋和磨耗，這個(gè)平衡點(diǎn)被稱(chēng)為最佳磨耗率[2][3]。Kalousek 等[4][5]研究了北美重載鐵路的最佳磨耗率，提出了預防性鋼軌打磨的參數如打磨周期和打磨量。
Dikshit 等[6]設計了鋼軌取樣和實(shí)驗室裂紋金相分析的方法；Satoh 等[7]通過(guò)對軌頭表面塑性變形的觀(guān)測，建立了有效的鋼軌打磨作業(yè)方法；Schoech 等[8]跟蹤觀(guān)測了疲勞裂紋和磨耗的發(fā)展，設計了相應的鋼軌養護方法。為了發(fā)揮鋼軌打磨技術(shù)的優(yōu)勢，需要根據我國重載鐵路小半徑曲線(xiàn)鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂紋和磨耗發(fā)展的規律，確定小半徑曲線(xiàn)鋼軌的最佳磨耗率及打磨參數。本文在對我國典型重載鐵路中的小半徑曲線(xiàn)鋼軌進(jìn)行跟蹤取樣、裂紋測量和特征分析、軌頭型面測量的基礎上，建立裂紋-磨耗消長(cháng)平衡機制，研究疲勞裂紋與輪軌磨耗、鋼軌打磨量和打磨周期的關(guān)系，提出最佳磨耗率和相應的預防性鋼軌打磨參數。
1 試驗概況
試驗線(xiàn)路為山區重載貨運鐵路，電氣化自動(dòng)閉塞，開(kāi)行5000 噸重載列車(chē)，年運量約1.2億噸，重車(chē)線(xiàn)的小半徑曲線(xiàn)鋪設75kg/m 的U75V 淬火鋼軌（1180MPa），II 型混凝土軌枕、1840 根/公里、I 型彈條扣件、II 級碎石道床，道床厚550mm。
前期現場(chǎng)觀(guān)測發(fā)現，500m~600m 曲線(xiàn)半徑的鋼軌上道后約10MGT（百萬(wàn)噸通過(guò)總重）時(shí)，在一些地段就出現疲勞裂紋并隨著(zhù)通過(guò)總重的累積逐漸密集、擴展、相連最后形成剝離掉塊，而這時(shí)的輪軌磨耗尚不足以磨耗掉這些裂紋；通過(guò)總重約100MGT~150MGT 以后，輪軌磨耗加劇，疲勞裂紋和剝離掉塊的發(fā)展受到抑制，但已形成一定規模，甚至布滿(mǎn)整個(gè)輪軌接觸帶。
選取 R=500m 的某曲線(xiàn)線(xiàn)路作為試驗段，其圓曲線(xiàn)部分長(cháng)375m，坡度7‰，超高90mm。
線(xiàn)路在觀(guān)測期間進(jìn)行正常的上股鋼軌側面涂油和大機搗固。
對試驗段鋼軌進(jìn)行多次取樣和磨耗測量，時(shí)間分別是新軌上道后（新軌未預打磨）、累積通過(guò)總重約9.8MGT、30.1MGT 和58.2MGT。
2 鋼軌疲勞裂紋測量
2.1 鋼軌表面觀(guān)測和取樣
經(jīng)表面觀(guān)測，累積通過(guò)總重9.8MGT 和30.1MGT 時(shí)，試驗段的上、下股鋼軌均在垂磨測量點(diǎn)位置（靠近軌距角1/3 軌頭寬度處，下同）有疲勞裂紋，而頂面及其他位置未出現裂紋；累積通過(guò)總重58.2MGT 時(shí)，上、下股鋼軌在軌距角和軌頂面都存在疲勞裂紋裂紋。
每次觀(guān)測后，分別從試驗段的圓曲線(xiàn)中部截取30cm 長(cháng)的上、下股鋼軌各一根，作為裂紋測量的取樣軌。從取樣軌上沿列車(chē)運行方向切割縱斷面試樣若干，并在裂紋出現的位置截取試樣進(jìn)行裂紋深度觀(guān)測。
2.2 裂紋深度
疲勞裂紋的深度是縱斷面試樣上軌頭表面到裂紋尖端的垂直距離。上、下股鋼軌在垂磨測點(diǎn)處的裂紋深度隨通過(guò)總重的累積而變化的情況如圖1 所示。從圖 1 中可以看出，隨著(zhù)通過(guò)總重的累積，上、下股鋼軌的疲勞裂紋深度的最大值和平均值都呈增長(cháng)的趨勢。說(shuō)明在新軌上道后的初期，上、下股鋼軌表面疲勞裂紋就較早地萌生，并以較快速率向軌頭內部擴展。
2.3 鋼軌表面塑性變形
從鋼軌橫斷面金相組織發(fā)現，裂紋大多數起源于表面，且沿表層流變方向擴展，隨著(zhù)通過(guò)總重的累積，流變層的厚度逐漸增加，如表1 所示。當超過(guò)表1 的深度后，鋼軌內部的流變逐漸減弱。
3 鋼軌型面測量和磨耗計算
新軌上道后，采用鋼軌型面測量?jì)x測量定點(diǎn)（間隔5m）的上、下股鋼軌型面作為初始輪廓。在3 次通過(guò)總重條件下，再分別測量相同測點(diǎn)的鋼軌型面，與初始輪廓進(jìn)行比較，計算相應的垂磨量和側磨量。
考慮到用于裂紋測量的取樣軌位于圓曲線(xiàn)中部，因此，將圓曲線(xiàn)中心前后各65m 范圍內的鋼軌測點(diǎn)進(jìn)行統計，全長(cháng)130m，約占圓曲線(xiàn)全長(cháng)的1/3。計算磨耗發(fā)展率時(shí)，將兩次測量的磨耗量與兩次測量間的通過(guò)總重增量相比。兩股鋼軌的平均磨耗量和平均磨耗發(fā)展率如表2�？梢园l(fā)現，垂磨方面，初期垂磨量較大，且隨著(zhù)通過(guò)總重的累積逐漸增加，而垂磨發(fā)展率呈降低趨勢；側磨方面，初期上股鋼軌側磨量較小，且隨著(zhù)通過(guò)總重的累積逐漸增加，側磨發(fā)展率也呈增加趨勢，下股鋼軌側磨不明顯未做統計。這樣，在60MGT 前，上股鋼軌側磨量在1.2mm 以?xún)�，側磨速率在增加，垂磨量�?.0mm 以?xún)�，垂磨速率在降低�?br />
4 最佳磨耗率和打磨參數
4.1 裂紋-磨耗消長(cháng)平衡機制
國內外對裂紋和磨耗的研究表明[4][5]，鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂紋與輪軌磨耗相互影響。磨耗較小，則裂紋發(fā)展就很快；磨耗較大，則裂紋發(fā)展緩慢，甚至變化不明顯或被消除掉。從試驗段觀(guān)測來(lái)看，輪軌磨耗不足以消除裂紋，需要引入鋼軌打磨，借助打磨來(lái)平衡裂紋和磨耗的關(guān)系。這樣，建立裂紋-磨耗消長(cháng)平衡機制來(lái)控制裂紋擴展，找到最佳磨耗率，并設計合理的鋼軌打磨參數，如圖2 所示。裂紋-磨耗消長(cháng)平衡機制的原理就是，在掌握裂紋理論深度（一定通過(guò)總重下，不考慮輪軌磨耗時(shí)裂紋理論上擴展的深度）和垂磨發(fā)展率的基礎上，將鋼軌打磨考慮進(jìn)來(lái)，設計合理的打磨周期和打磨量，即在裂紋擴展的適當時(shí)機（打磨周期），以最小的打磨量結合打磨周期內的輪軌自然磨耗量，將鋼軌疲勞裂紋消除或控制，達到裂紋-磨耗的平衡。這樣，就將裂紋的擴展與磨耗的發(fā)展、打磨周期和打磨量聯(lián)系起來(lái)。
這時(shí)根據鋼軌打磨和自然磨耗所確定出來(lái)的單位通過(guò)總重的磨耗速率即為最佳磨耗率。
這種最佳磨耗率使鋼軌具有狀態(tài)良好、無(wú)明顯裂紋的滾動(dòng)表面，或者使鋼軌具有穩定的、適度裂紋的鋼軌表面。這種情況下的預防性鋼軌打磨，既能很好的控制滾動(dòng)接觸疲勞裂紋，又改善了輪軌關(guān)系，一定程度上控制了側磨的發(fā)展，同時(shí)又以較少的打磨量、快速的打磨效率，節約了打磨成本，充分發(fā)揮了打磨設備的效率。
4.2 疲勞裂紋的理論深度
首先根據裂紋和磨耗測量數據計算不同通過(guò)總重下的裂紋理論深度。一定通過(guò)總重時(shí)的平均理論深度Q0 h 包括該通過(guò)總重下金相測量到的平均裂紋深度Q h 和被通過(guò)總重磨耗掉的平均深度wQ h ，即垂磨量，計算公式如下：
whQ = hQ + hQ0 （1）式中，Q 為累積通過(guò)總重（MGT）；Q0 h 為Q 通過(guò)總重時(shí)的平均裂紋理論深度（mm）；Q h 為Q 通過(guò)總重時(shí)測量得到的平均裂紋深度（mm）； wQ h 為Q 通過(guò)總重時(shí)的軌頭平均垂磨量（mm），iwQiniwQ Q s h Δ ? Δ =Σ=1（2）i 為測量次數； i ΔQ 為第i次測量至第i+1次測量間的通過(guò)總重增量（MGT）； wQi Δs 為i ΔQ通過(guò)總重內的軌頭平均垂磨發(fā)展率（mm/MGT）。
根據圖 1 和表2 的數據，計算得到的平均裂紋理論擴展深度hQ0 如圖3 所示，其符合對數分布的規律。
4.3 最佳磨耗率和打磨參數
根據裂紋-磨耗消長(cháng)平衡機制，在預防性打磨周期內，最佳磨耗率可以從以下兩方面考慮：
（1）從磨耗角度考慮，最佳磨耗率應包括輪軌垂磨速率和單位通過(guò)總重下的打磨量；（2）從裂紋理論深度考慮，最佳磨耗率應正好磨耗掉理論裂紋。
這樣，以打磨量、打磨周期和最佳磨耗率分別為x、y、z 為坐標，建立三維坐標系。根據由測量數據經(jīng)曲線(xiàn)擬合后內插得到的垂磨發(fā)展率和理論裂紋深度數據。由表2 可知，通過(guò)總重到達約58MGT 時(shí)，上股鋼軌平均側磨已經(jīng)達到1.274mm，這時(shí)鋼軌型面已經(jīng)發(fā)生變化，預防性鋼軌打磨將鋼軌型面恢復到標準型面較困難，打磨量會(huì )很大，因此，預防性打磨應該在鋼軌型面未發(fā)生明顯變化之前，即通過(guò)總重約60MGT 之前實(shí)施。
假設打磨周期在5MGT~60MGT 通過(guò)總重、打磨量在0.1mm~1.0mm 變化時(shí)，公式（2）、（3）得到的最佳磨耗率是兩公式所代表的曲面的交線(xiàn)，上股鋼軌的最佳磨耗率如圖4 所示。圖 4 中，網(wǎng)格曲面由公式（2）結合磨耗發(fā)展率數據得到，為從磨耗和打磨角度考慮的最佳磨耗率；光滑曲面由公式（3）結合平均理論裂紋深度數據得到，為從裂紋深度角度考慮的最佳磨耗率。當前者大于后者時(shí)，說(shuō)明不僅裂紋被磨耗掉，而且不存在裂紋的軌頭金屬也被過(guò)度磨耗掉；反之，則說(shuō)明裂紋沒(méi)完全被磨耗掉，軌頭內仍然存在裂紋。當兩者計算得到的最佳磨耗率相等時(shí)（圖4 中的黑實(shí)線(xiàn)），則說(shuō)明裂紋恰好被磨耗掉。俯視圖4，即將打磨量和打磨周期分別作為橫、縱坐標，就形成圖5�？梢园l(fā)現，在兩曲面的交線(xiàn)處，當打磨參數取最小時(shí)（圖5 的A 點(diǎn)），即打磨量為0.33mm、打磨周期為1000 萬(wàn)噸，對應的最佳磨耗率為0.061mm/MGT�？紤]到軌頭垂直磨耗限值為12mm（75kg/m 鋼軌重傷標準），這種情況下鋼軌的壽命大約為1.97 億噸通過(guò)總重，鋼軌壽命因初期較高的輪軌磨耗（與新鋼軌型面與車(chē)輪型面匹配而發(fā)生較高的磨耗有關(guān)）和頻繁的打磨而縮短，因此，這種打磨參數及對應的最佳磨耗率對鋼軌壽命不利。當最佳磨耗率取最小時(shí)（圖5 的B 點(diǎn)），即最佳磨耗率為0.026mm/MGT，這時(shí)對應的打磨周期為5500 萬(wàn)噸通過(guò)總重，打磨量為1.0mm，在這樣的通過(guò)總重下，鋼軌軌頭輪廓被磨耗成與車(chē)輪外形匹配的外形，因而輪軌磨耗率降低，但是裂紋深度已經(jīng)較大，需要大量的、多遍的打磨才能消除裂紋，增加了實(shí)際作業(yè)的難度。所以要使打磨參數和最佳磨耗率兩者最佳匹配，如圖5中的C 點(diǎn)，最佳磨耗率為0.032mm/MGT，對應的打磨周期為2000 萬(wàn)噸、打磨量為0.45mm，可以打磨掉表面流變層的厚度，預計的鋼軌壽命大約為3.7 億噸通過(guò)總重。
同理，分析下股鋼軌的最佳磨耗率和打磨參數發(fā)現，最佳磨耗率為0.034mm/MGT 時(shí)，對應打磨周期為2000 萬(wàn)噸、打磨量為0.3mm，這時(shí)預計的鋼軌壽命為3.5 億噸通過(guò)總重。
考慮到打磨車(chē)的作業(yè)效率，一條曲線(xiàn)通常是兩股鋼軌同時(shí)進(jìn)行打磨作業(yè)，則該小半徑曲線(xiàn)的預防性鋼軌打磨可以考慮每隔1700~2000 萬(wàn)噸通過(guò)總重時(shí)進(jìn)行，打磨量約為0.40~0.45mm（上股鋼軌）和0.25~0.30mm（下股鋼軌），這時(shí)對應的最佳磨耗率約為0.032~0.034mm/MGT。
5 結論
本文建立了鋼軌裂紋-磨耗消長(cháng)平衡機制，提出了最佳磨耗率和打磨參數的計算方法，得到如下結論：
（1）試驗段現有條件下，鋼軌上道初期的輪軌磨耗無(wú)法消除或控制裂紋的擴展，必須利用裂紋-磨耗消長(cháng)平衡機制，引入預防性鋼軌打磨，在鋼軌表面傷損如裂紋和磨耗尚未嚴重時(shí)，選擇適當時(shí)機，以較小的打磨量，平衡裂紋和磨耗的發(fā)展，從而達到控制鋼軌表面傷損和磨耗、延長(cháng)鋼軌壽命的目的；（2）設計合理的預防性鋼軌打磨周期和打磨量，要根據運行狀況、軌道結構參數等條件，掌握鋼軌磨耗狀態(tài)和裂紋萌生擴展狀態(tài)；（3）在一定的線(xiàn)路運輸條件、軌道結構和輪軌幾何關(guān)系的情況下，鋼軌的最佳磨耗率與打磨參數，即打磨周期和打磨量密切相關(guān)、相互影響，只有將打磨參數和最佳磨耗率綜合考慮，才能充分發(fā)揮預防性打磨的優(yōu)勢、有效地延長(cháng)鋼軌使用壽命；（4）在考慮磨耗和疲勞裂紋發(fā)展的情況下，試驗線(xiàn)路的鋼軌最佳磨耗率約為0.032~0.034mm/MGT，預防性鋼軌打磨周期為1700~2000 萬(wàn)噸通過(guò)總重，每次打磨的打磨量約為上股鋼軌0.40~0.45mm、下股鋼軌0.25~0.30mm；（5）一次打磨作業(yè)的打磨量應該超過(guò)該打磨周期內軌頭表面流變層的厚度；（6）在進(jìn)行預防性鋼軌打磨時(shí)，除實(shí)施設置的打磨量以消除和控制軌面裂紋外，還應通過(guò)打磨恢復標準鋼軌型面或為減緩鋼軌側磨而設計的特殊鋼軌型面（如非對稱(chēng)鋼軌型面），從而改善輪軌幾何關(guān)系和接觸關(guān)系，改善車(chē)輪通過(guò)曲線(xiàn)的狀態(tài)，減緩鋼軌側磨。
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