2012年一级注册建造师考试铁路工程预习资料58

城市轨道交通线路钢轨全寿命养护策略研究

城市轨道交通通过提高列车行车速度、缩短发车间隔、改善车辆承载能力等措施,不断满足日益增加的客流需求,但同时也加剧了对车辆和轨道结构的破坏作用,减少了轨道部件的使用寿命,增加了养护维修成本。

钢轨作为城市轨道交通的主要承载部件,直接承受来自列车车轮的反复作用。在高密度、大荷载和快速的运输条件下,钢轨特别是轨头运行表面不可避免地会出现各种伤损。据统计,上海轨道交通1号线钢轨伤损主要包括裂纹、掉块、光斑、碎裂、剥离、核伤、锈蚀、过烧、侧磨和波磨等[1]。其中钢轨轨顶面特别是轨距角处的裂纹、钢轨波磨和小半径曲线钢轨的侧磨是钢轨伤损的主要类型。香港地铁也将钢轨轨距角裂纹和剥离掉块、波磨和小半径曲线钢轨侧磨三大伤损类型归结为影响钢轨寿命的主要因素[2]。

这几类钢轨伤损,可以归结为滚动接触疲劳伤损和磨耗伤损,如果处理不当,不仅会降低乘客乘车舒适度、产生轮轨噪声、增加列车运行能耗、增加养护维修成本,严重的甚至会引起断轨,危及行车安全。因此,必须重视对城市轨道交通线路钢轨伤损的养护管理。

本文在分析钢轨主要伤损成因的基础上,对钢轨伤损的检测、寿命管理、控制和减缓等方面进行分析,提出以延长钢轨使用寿命为目的的钢轨全寿命养护策略理念,以期对我国城市轨道交通工务部门的钢轨管理提供有益的帮助。

1 钢轨伤损成因及控制措施

钢轨滚动接触疲劳以及由此形成的轨头剥离,多发生于曲线外股钢轨的轨距角、轨顶面以及内股钢轨的轨顶面。这里是轮轨接触较为频繁的区域。由于轮轨接触区面积仅有100多mm2,强大的车轮荷载使得轮轨接触区内产生较大的轮轨接触应力。当接触应力超过钢轨的疲劳屈服极限,或者钢轨表面下几毫米处的剪应力使钢轨产生剪切疲劳,就引起钢轨表面或亚表面萌生滚动接触疲劳裂纹。

在滚动接触疲劳裂纹扩展的最初阶段,钢轨表面出现间距呈规律的45°细微斜裂纹,裂纹方向与行车方向相反;之后在轮载的反复作用下,轨头表面下出现微裂纹;当裂纹在表面下发展几毫米后,几乎成水平裂纹;当裂纹面积达到一定程度后,裂纹顶层在列车车轮碾压下产生塑性变形,最后断裂,使轨面出现凹坑[3]。钢轨剥离的主要原因是:轮轨接触关系不良导致接触应力过大,钢轨强度不足,钢轨材质有缺陷,车轮和轨道的维修工作不良等。目前国外控制和减缓钢轨滚动接触疲劳的手段主要是钢轨打磨或钢轨铣磨等钢轨整形作业。

钢轨侧磨多发生于曲线外股钢轨的轨距角。其主要形成原因是机车车辆通过曲线时,作用在外股钢轨轨头内侧的轮缘力和车轮冲击角。而轮缘力和轮轨冲击角的大小与机车车辆的动力性能、转向架固定轴距的长短、曲线半径的大小、轨道的动力性能、轨道几何参数设置等诸多因素有关。工务方面控制和减缓曲线钢轨侧磨的措施,除了合理调整轨道结构参数(如轨距、轨底坡、超高等),以及改善轨道结构的动力性能(如改变轨道结构弹性等轨道养护作业)外,主要是钢轨侧面润滑。

钢轨波磨一般出现在曲线地段。在列车制动地段,钢轨波磨的出现概率和磨耗速率都较大。引起钢轨波磨的原因主要与轮对的扭转粘滑振动有关,而钢轨材质、机车车辆及其走行部的动力性能、列车运行工况、轨道弹性和阻尼、曲线轨道结构参数等因素都会影响轮对的扭转粘滑振动。目前防止和减缓钢轨波磨的措施主要是提高轨道结构弹性、合理设置曲线轨道参数,以及钢轨打磨或铣磨作业等。

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