钢轨打磨作为铁路工务部门在线路养护维修中的

钢轨打磨作为铁路工务部门在线路养护维修中的一种重要方法[5]在国外已得到广泛的应用,产生了巨大的经济效益。然而,钢轨打磨在我国的应用情况并不乐观,这一方面是由于我国缺乏现代化的打磨设备,如全自动高速打磨车。在我国,钢轨打磨主要靠手工,效率低且成本高,只在某些关键部位实施。另一方面是我们缺乏对这种打磨方法突出优点的的充分认识。本文主要是通过介绍国外[1-3]在钢轨打磨方面所做的工作,重点是论述“预防性打磨(又称外形打磨)”方法的原理、适用范围和优缺点。为更好地掌握、使用和普及打磨方法提供参考。钢轨打磨是通过磨蚀剂清除轨头表面金属的过程。自1930年以来,铁路运输部门将打磨方法用于清除诸如轨面波纹、磨耗、剥落等轨头缺陷。初期,钢轨打磨是用人工进行的。在以后的40年中,钢轨打磨技术有很大改进,体现在出现了自动打磨车。这一时期,钢轨打磨应用范围已扩大到焊接接头打磨,轨面鱼鳞和清除道岔毛刺等方面。钢轨打磨已成为清除钢轨病害的主要措施。对存在缺陷的钢轨进行打磨,这个过程也称对钢轨修复,有时简称“修复性打磨”或“表面打磨”。然而从80年代开始,“修复性打磨”逐渐让位于“预防性打磨”。“预防性打磨”是指在缺陷形成以前或即将形成时对钢轨外形打磨,这种方法又称“外形打磨”。这种新技术的推广得益于新一代全自动高速打磨设备的问世。利用自动高速打磨车[4]可以将轨头打磨成各种形状,且在打磨过程中可以实时修改轨头外形。从“修复性打磨”到“预防性打磨”是一个革新,带来的好处是:(1)延长钢轨使用寿命,降低钢轨成本;(2)改善轮轨接触状况,减小轮轨动力作用;(3)轮轨噪声降低,轨道结构和机车车辆损伤下降。1钢轨打磨的两类方法钢轨打磨按照采用的方法和欲达到的目的可分为“表面打磨(修复性打磨)”和“外形打磨(预防性打磨)”两类,下面分别给予介绍。1.1表面打磨表面打磨是要控制和清除钢轨表面已有的缺陷。轨面缺陷包括:轨面波纹,轨头塌落,焊接不平顺,磨耗,钢轨塑性变形,轨头烧伤,高低不平,接头错位等。轨面缺陷直接与轮轨竖向动力作用有关,控制表面缺陷可减小竖向振动、竖向冲击力和噪声。表面打磨通常是在钢轨表面形成缺陷以后才进行。1.2外形打磨通过对轨头打磨成各种形状以改善轮轨接触状态而达到控制病害发生和发展的目的称外形打磨。传统的表面打磨只是简单地将轨头磨平,如图1(a)所示。外形打磨则是根据需要将轨头打磨成一特殊形状,如图1(b),而不是简单地恢复到原来的外形。图1表面打磨与外形打磨对具有表面缺陷或发生塑性变形的钢轨而言,外形打磨一般要经历三道工序:第一道工序就是清除钢轨表面已有的缺陷,第二道工序是将变形的轨头整形,最后一道工序是将轨头打磨成所要求的形状。由于外形打磨具有维护性质,是经常性的措施,因此表面缺陷通常没有足够的时间形成,外形打磨常简化成一道工序。外形打磨可解决如下问题:(1)控制钢轨侧磨和侧向轮轨作用力;(2)控制钢轨疲劳;(3)控制波磨。尽管外形打磨可以解决上述问题,但一种特定的打磨外形只适合一类问题,即不同的问题需要不同的打磨外形,不存在一种适合所有问题的打磨外形。必须注意,打磨后的钢轨寿命随运量而变,例如,钢轨经外形打磨后在无润滑措施的重载运输条件下只能通过10MGT(MillionGrossTon)运量,通过20MGT运量后钢轨将完全报废。这说明钢轨需要经常性的维护和打磨。另外,钢轨恶化还与线路几何形状和轨道条件有关,例如在小半径曲线地段,钢轨更易磨损,因而需要更多的维护和打磨。2控制侧磨70年代澳大利亚西部铁路打磨公司采用外形打磨控制轮轨相互作用和接触力从而达到降低侧面磨耗获得成功[1]。80年代北美首次出现全自动钢轨打磨列车。这时期,外形打磨的目的是要优化钢轨对机车车辆的导向作用。实践表明,曲线地段上、下股钢轨具有与轨头中心线非对称的断面形状时,有利于机车车辆的导向。在直线地段,由于蛇形运动也会引起钢轨侧磨,通过外形打磨也可达到控制直线地段钢轨侧磨的目的。为了使曲线地段钢轨具有良好的导向作用,通过外形打磨必须确保轨与轮对大半径滚动圆接触,内轨与轮对小半径滚动圆接触,如图2所示,达到减小轮缘与钢轨侧面的冲击,控制侧磨。图3为打磨与未打磨钢轨磨耗后的断面外形,据澳大利亚报道,前者的耐磨寿命比后者提高了70-80%。图2外形打磨以改善导向图3打磨与未打磨钢轨磨耗比较最近,美国铁路工程师协会指出,曲线地段外轨一点接触比两点接触冲角小,横向力低。3控制疲劳外形打磨的第二个作用是控制钢轨表面的疲劳,尤其对曲线轨道轨头内侧的疲劳缺陷有效。钢轨疲劳经常发生在重载运输线上。钢轨疲劳与轮轨接触状态有关。当轮轨一点接触时,轮轨接触附近应力高度集中,容易造成轨头疲劳,裂纹和剥落。为了控制钢轨疲劳,可通过打磨潜在的疲劳区,使轮轨接触点向轨头中心转移,如图4所示。在小半径曲线地段,由于轮缘与钢轨冲击,形成两点接触。两点接触与一点接触相比,接触应力降低,有利于减缓疲劳[6]。通过外形打磨使轮轨接触点在疲劳形成前偏离原接触区,最大应力重分布。对于润滑良好的轨道和高强度钢轨,疲劳是主要问题,侧磨是次要因素,外形打磨主要是控制疲劳。图4打磨内侧轨头以减小应力集中正如前所述,轮轨由一点接触到两点接触,会引起冲击力增加,导致侧面磨耗加剧,因此这种外形打适用于以疲劳为主而侧磨轻微的情况。4控制波磨外形打磨的第三个作用是控制波磨,尤其是在控制以货运为主重载运输线曲线内股上的短波长磨耗效果明显。一般波磨波长范围为30～60cm。波磨的形成与高度应力集中有关。当磨耗轮的反向凸缘作用在曲线下股钢轨外侧时,轮轨间呈凸2凸接触状态,导致接触应力显著增加,塑性变形发生,波磨出现。在北美货运线上,短波长磨耗常常出现,外形打磨是控制波磨的有效方法。通过打磨曲线下股钢轨外侧可以使轮轨接触点向钢轨断面中心移动,避免轮对踏面反向凸缘与钢轨接触。北美货运线上的实践表明[2],采用外形打磨比表面打磨有明显控制波磨发生的作用。一般来说,控制侧磨与控制疲劳所采用的打磨方法是不同的,也就是说不可能采用一种打磨方法既达到控制侧磨又能控制疲劳。但对于波磨,情况则不同。通过特别的外形打磨可同时控制波磨和侧磨或疲劳。5打磨与润滑钢轨打磨在线路养护维修中的作用越来越重要。但线路维修是一个系统工程,除钢轨打磨外,还必须实施润滑、缺陷检测等。如果没有有效的润滑措施,钢轨侧磨将是十分严重的,而这往往是钢轨下道的主要原因。通过有效的润滑措施,如钢轨涂油,可以取得很好的减磨效果,这时,钢轨疲劳破坏成为控制因素。这种情况在小半径曲线已经得到证实。在无润滑措施的情况下,曲线上股呈现严重的粘着侧磨。在润滑条件下,钢轨主要病害为轨头疲劳。如果润滑是充分且有效的,则可完全控制侧磨,但疲劳将更加严重。若没有防上措施,疲劳积累到一定程度时,就必须换轨。另外,在充分润滑的条件下,疲劳也可发生在钢轨表面以下某个深度的地方,例如最大剪应力处,当积累到一定程度将引起钢轨核伤。钢轨润滑与钢轨寿命之间的关系可见表1。表1数据取自美国FAST试验曲线。在无润滑条件下,钢轨主要由磨耗控制,其寿命约为80～100MGT(重载运输,货车重100t)。在充分润滑的条件下,钢轨磨耗速率下降10倍。因此在同样的运输条件下,钢轨寿命可达1000MGT。然而,实际情况是在远低于磨耗寿命时,钢轨已经发生了疲劳破坏,例如钢轨断面达到5%超过疲劳强度时钢轨寿命约为180MGT。因此,采用一般换轨标准,润滑钢轨的寿命只能从80～100MGT提高到180MGT,提高了近两倍。但远低于润滑磨只条件下,钢轨寿命1000MGT。从破坏机理上看,是由磨耗控制转为疲劳控制。表1不同润滑和疲劳条件下的钢轨寿命(MGT)磨耗疲劳无润滑润滑5%断面超过疲劳强度10%断面超过疲劳强度50～1001000180200为了充分利用钢轨磨耗寿命的潜力,有必要提高钢轨的疲劳寿命。采用外形打磨可以减小最大轮轨接触应力,控制疲劳损伤。FAST试验结果表明,通过外形打磨,可将曲线钢轨的疲劳寿命提高到接近直线轨相同的水平,达到300～400MGT。6外形打磨的优点表面打磨与外形打磨都是为了改善钢轨使用性能和延长使用寿命。钢轨使用寿命和性能的提高从机理上讲就是通过控制磨耗、疲劳和波纹等缺陷。这些缺陷有时是同时存在的。除打磨措施外,还有冶金、涂油和清洁钢轨等方法,这些措施都是经常用到的。因此很难区分打磨作用究竟占多大比重。而这正是本节要讨论的问题。打磨的另一个优点是降低轮轨动荷载,即竖向冲击力。冲击荷载的降低,有利于延长轮轨寿命和减少维次数及燃料消耗。同时,通过控制和清除像波纹一类的缺陷,打磨还可降低噪声和振动,增加旅客的舒适度。6.1磨耗外形打磨可有效控制磨耗。据报道澳大利亚西部铁路公司在曲线重载线路上,采用外形打磨钢轨寿命提高了70～80%。图5表示澳大利亚西部铁路公司计划换轨曲线与经过外形打磨后实际换轨曲线的对比结果[3]。FAST也报道了类似结果。在FAST现场试验中,对几种不同形状轨头进行外形打磨均能减小横向力和侧磨。图6表示不同打磨轨头外形对磨耗速率的影响[1]。考虑了四种工况,其中三种工况为打磨成不同的轨头外形,一种为未打磨轨头。结果显示,打磨后的钢轨能明显减小侧向力和钢轨侧磨。6.2疲劳应用外形打磨使轮轨呈两点接触状态从而达到控制钢轨疲劳已成为北美铁路,尤其是重载铁路线上的一项关键技术。澳大利亚铁路部门也有过类似报道。有效的外形打磨与疲劳控制间的关系清楚地表现在图7中。图中曲线为伯林顿铁路1984至1995年间钢轨疲劳裂痕数与通过打磨里程数间的关系。从中可条件下,钢轨寿命1000MGT。从破坏机理上看,是由磨耗控制转为疲劳控制。表1不同润滑和疲劳条件下的钢轨寿命(MGT)磨耗疲劳无润滑润滑5%断面超过疲劳强度10%断面超过疲劳强度50～1001000180200为了充分利用钢轨磨耗寿命的潜力,有必要提高钢轨的疲劳寿命。采用外形打磨可以减小最大轮轨接触应力,控制疲劳损伤。FAST试验结果表明,通过外形打磨,可将曲线钢轨的疲劳寿命提高到接近直线轨相同的水平,达到300～400MGT。6外形打磨的优点表面打磨与外形打磨都是为了改善钢轨使用性能和延长使用寿命。钢轨使用寿命和性能的提高从机理上讲就是通过控制磨耗、疲劳和波纹等缺陷。这些缺陷有时是同时存在的。除打磨措施外,还有冶金、涂油和清洁钢轨等方法,这些措施都是经常用到的。因此很难区分打磨作用究竟占多大比重。而这正是本节要讨论的问题。打磨的另一个优点是降低轮轨动荷载,即竖向冲击力。冲击荷载的降低,有利于延长轮轨寿命和减少维次数及燃料消耗。同时,通过控制和清除像波纹一类的缺陷,打磨还可降低噪声和振动,增加旅客的舒适度。6.1磨耗外形打磨可有效控制磨耗。据报道澳大利亚西部铁路公司在曲线重载线路上,采用外形打磨钢轨寿命提高了70～80%。图5表示澳大利亚西部铁路公司计划换轨曲线与经过外形打磨后实际换轨曲线的对比结果[3]。FAST也报道了类似结果。在FAST现场试验中,对几种不同形状轨头进行外形打磨均能减小横向力和侧磨。图6表示不同打磨轨头外形对磨耗速率的影响[1]。考虑了四种工况,其中三种工况为打磨成不同的轨头外形,一种为未打磨轨头。结果显示,打磨后的钢轨能明显减小侧向力和钢轨侧磨。6.2疲劳应用外形打磨使轮轨呈两点接触状态从而达到控制钢轨疲劳已成为北美铁路,尤其是重载铁路线上的一项关键技术。澳大利亚铁路部门也有过类似报道。有效的外形打磨与疲劳控制间的关系清楚地表现在图7中。图中曲线为伯林顿铁路1984至1995年间钢轨疲劳裂痕数与通过打磨里程数间的关系。从以看出,1983至1988年,伯林顿铁路采用“两点接触”打磨方式,钢轨疲劳裂痕数处于较低水平。从1988年至1990年,改为按“一点接触”打磨,疲劳裂痕数急剧上升,换轨费用超过650万美元;从1990至1991年,又改为按“两点接触”打磨,钢轨疲劳裂痕数又开始下降,直到1995年。该图说明了打磨方式对控制钢轨疲劳有很强的相关性。图5计划换轨与实际换轨曲线图6不同打磨轨头外形对磨耗速率的影响图7外形打磨与疲