(4)随着通过总重的累积,钢轨轨头继续经历伤损发展、检测和整形的循环过程。直到轨头质量恶化到临界允许质量(图1中F点)。这时的轨头经过自然的轮轨磨耗和人工打磨或铣磨,已经没有足够的金属量保持轨头强度和支撑车轮运行,必须进行大修换轨作业。新轨上道后,根据原来旧轨全寿命阶段的养护维修历史数据,结合线路条件、列车运行状况、钢轨润滑条件等,就可以修正钢轨轨头质量控制标准,制订新轨的检测周期和预防性整形的作业周期等参数,从而预测新轨寿命,进一步优化钢轨全寿命养护策略。

钢轨经过上述养护策略,轨头质量恶化曲线不再是图1所示的AB曲线(伤损速率为α),而是AEF曲线(伤损速率为β)。可以看出β<α,所以钢轨寿命得到延长。这样,在轮轨接触关系理论基础上,钢轨轨头质量标准、钢轨轨头检测、钢轨轨头整形和钢轨寿命预测有机结合,就形成了钢轨全寿命养护策略,有效地提高了钢轨寿命。

2.2 钢轨全寿命管理策略的关键因素

2.2.1 轮轨接触关系及合理钢轨外形

从钢轨侧磨、波磨和滚动接触疲劳裂纹的成因来看,这些伤损形成的主要原因是轮轨关系不良。而钢轨全寿命养护策略的主要目的就是通过钢轨整形作业,恢复合理的钢轨轨头外形轮廓,从而改善轮轨接触关系,尽可能延长磨耗和疲劳裂纹发生的时间,以达到延长钢轨使用寿命的目的。

因此,要根据车辆条件、线路条件、车辆运行工况,结合轮轨动力学,设计能产生最佳轮轨接触关系的钢轨轨头外形轮廓。其中:车辆条件包括车辆类型、转向架类型、轴重、轮对刚度、悬挂阻尼、主要车轮外形等参数;线路条件包括曲线半径、外轨超高、轨底坡、轨道弹性和阻尼、钢轨类型等参数;车辆运行工况包括运行速度、运行状态(制动、加速还是惰行)等。在掌握这些参数的基础上,结合轮轨动力学,设计适合此种线路和运营条件下的钢轨轨头外形轮廓。这个外形轮廓应该是基于指定线路条件的,能与主要车轮外形实现最佳匹配的,能尽量延长疲劳裂纹萌生或磨耗出现的。设计合理的钢轨外形轮廓是钢轨全寿命养护策略实施的重要前提。

2.2.2 周期性的钢轨预防性整形作业

钢轨在使用过程中,其外形轮廓由于磨耗而发生变化。变化后的轨头外形,进一步恶化了轮轨接触关系,使得疲劳裂纹或磨耗快速发展,从而导致钢轨更换。钢轨整形作业(钢轨打磨或铣磨)就是将钢轨外形恢复到设计的最佳轨头外形轮廓。

钢轨整形作业是一种人工干预下的钢轨磨耗,而轨头疲劳裂纹的发展和磨耗的发展又是相互影响的。当轨头磨耗降低,则轨头疲劳裂纹发展较快;反之磨耗增加,则可能磨掉一部分疲劳裂纹,从而抑制了裂纹的发展。这种情况下,如何有效应用钢轨整形作业是延长钢轨寿命的关键。

钢轨整形作业的实践证明,周期性的预防性钢轨整形能最大程度地延长钢轨使用寿命。其原理如图2所示。

图2(a)中,在没有采取周期性钢轨整形作业的条件下,随着通过总重的累积,钢轨受轮轨自然磨耗和滚动接触疲劳的影响。其中:自然磨耗随通过总重呈线性发展;轮轨滚动接触疲劳裂纹随通过总重呈指数型发展[6],且伤损初期发展较慢,伤损后期发展较快。当假设通过总重达到Q1时,疲劳裂纹达到最大允许扩展深度,即超过疲劳裂纹检测仪器的最大量程。这时认为钢轨已经受疲劳裂纹伤损影响严重,存在裂纹继续扩展导致断轨等危险,必须更换下道。因此,在没有采取周期性钢轨整形作业的条件下,钢轨寿命受滚动接触疲劳控制,通过总重远远低于磨耗允许限值对应的通过总重。

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