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。
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。
1钢轨伤损成因及控制措施
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。
2.1钢轨全寿命管理策略的理念
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。

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。
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,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。
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,而是AEF曲线。可以看出β来源：考试大
国外城市轨道交通钢轨养护的实践证明,针对影响钢轨寿命的主要伤损,设计合理的钢轨全寿命养护策略,可以有效地延长钢轨寿命,减少钢轨更换数量,降低钢轨和车轮的伤损发生率,并可以节约车辆和钢轨的维修成本,减少列车运行能耗,降低轮轨振动和噪声。 本文来源:考试大网

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