2 钢轨全寿命管理策略的内容

2.1 钢轨全寿命管理策略的理念

从钢轨疲劳裂纹伤损和磨耗伤损的成因来看,这些伤损是由车辆-轨道的综合作用所产生。钢轨寿命则受这些伤损的发展状况及所采取的养护措施的影响,如轮轨接触关系、曲线列车运行状况、钢轨材质、钢轨润滑状况、钢轨整形作业等。有研究证实,改善轮轨接触关系、调节轨道弹性、对钢轨采取润滑和整形作业相结合等手段,可以有效地提高钢轨使用寿命[4-5]。

因此,钢轨寿命管理是一项综合任务。单独消除钢轨单一病害的方法,已经不能实现钢轨寿命的有效管理;必须从整个轮轨系统的相互关系出发,结合车辆、轨道结构、线路条件、车辆运行条件等因素,综合钢轨检测、钢轨润滑、钢轨整形等钢轨伤损控制和减缓手段,合理地对在役钢轨疲劳裂纹伤损和磨耗伤损进行寿命管理,从而有效地延长钢轨使用寿命。

为此,结合目前的钢轨滚动接触疲劳伤损和磨耗伤损的主要检测和养护手段,考虑钢轨整个服役寿命期的伤损发展情况,提出钢轨全寿命养护策略理念(如图1所示)。

图1的钢轨全寿命养护策略是以线路的累积通过总重为时间轴,以钢轨轨头质量的变化(如轨头外形变化、钢轨轨顶面裂纹发展、钢轨磨耗等)为纵坐标,描述了钢轨轨头质量随累积通过总重变化的规律,它涉及钢轨从上道至更换下道全寿命阶段的所有内容,主要包括钢轨轨头质量标准的确定及应用、钢轨轨头检测技术及应用、钢轨轨头整形作业技术及应用以及钢轨寿命预测等四个方面。

(1)钢轨轨头质量标准是控制钢轨寿命的前提,主要包括钢轨初始质量和钢轨临界允许质量。在新轨上道后,采用钢轨打磨、铣磨设备对钢轨进行预整形,消除钢轨生产及运输过程中产生的原始不平顺、轨头表面脱碳层及轨头表面残余应力层,尽量减小轨头表面的原始粗糙度;同时,根据轮轨接触关系理论,通过新轨预整形作业实现与车轮外形配合良好的轨头横截面外形。其目的是提供平顺的钢轨运行表面和良好的轮轨接触关系,修正钢轨初始不平顺、从而延迟钢轨滚动接触疲劳裂纹的萌生时间及磨耗的发生时间。这样,新轨经过预整形作业后的轨头外形和表面状态,就是钢轨最佳的初始质量。在一定的累积通过总重条件下,钢轨轨头由于波磨或侧磨,使得外形发生变化,超过磨耗允许限值;或者轨头疲劳裂纹扩展积累到一定的密度和深度,超过检测仪器量程,会引起断轨等危险;或者磨耗或裂纹积累到一定程度,使得列车运行产生的振动和噪声超过限值时,钢轨不能继续服役,必须更换下道。这种情况下的钢轨轨头质量就是钢轨临界允许质量。钢轨临界允许质量是控制钢轨进行整形恢复作业的依据。

(2)新轨经过预整形作业后,以钢轨初始质量投入使用(图1中的A点)。随着线路通过总重的累积,钢轨轨头逐渐发生磨耗伤损、疲劳裂纹伤损,甚至是两种伤损的结合,轨头质量逐渐下降。这时就要采用相应的技术和设备对轨头质量进行定期检测,记录轨头磨耗变化、轨头外形变形、波磨发展或轨面疲劳裂纹扩展等信息,从而掌握轨头质量的恶化情况。

(3)当轨头质量下降,钢轨磨耗出现但还未严重发展,或者疲劳裂纹萌生但尚未大面积扩展时(图1中B点),就可以对轨头进行预防性整形。目前,较有效的轨头修复方式是采用钢轨打磨车或铣磨车对轨头进行打磨或铣磨作业。由于轨头磨耗或裂纹情况尚不严重,预防性整形对轨头的金属磨削量较少,可快速进行作业,既缩短了对线路正常运营的干扰,又可以较好地恢复轨头外形,改善轮轨接触关系,较轻易地消除轨面轻微疲劳层或波磨。经过预防性整形作业,轨头质量恢复到接近钢轨初始质量(图1中C点)。

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