钢轨打磨作为铁路工务部门在线路养护维修中的.doc

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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 10 M GT （M illion Gross Ton） 运量， 通过 20M GT 运量后钢轨将完全报废。这说明钢轨

6、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

7、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

8、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

9、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 60 cm。 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,

10、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

11、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 FA ST 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 100M GT(重载运输, 货车重 100 t）。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 1 000M GT。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 180M GT。 因此， 采用一般换轨标准, 润滑

12、钢轨的寿命只能从 80 100M GT 提高到 180M GT, 提高了近两倍。 但远低于润滑磨只条件下， 钢轨寿命 1 000M GT。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(M GT）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 1001 000180200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。FA ST 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 400M GT。6外形打磨的优点表面打磨与外形打磨

13、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

14、。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。FA ST 也报道了类似结果。在 FA ST 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

15、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 1 000M GT.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（M GT）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 1001 000180200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。FA ST 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 400M GT。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

16、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

17、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。FA ST 也报道了类似结果。在 FA ST 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 199

18、5 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外形打磨与疲劳控制6。 3波磨北美铁路最早进行的现场试验就是研究外形打磨对控制波磨发生和重

19、现的作用。图 8 表示采用外形打磨钢轨波磨的重现期远大于传统的打磨方法。在同样的生长速度下， 传统打靡方法下钢轨波磨的重现期为6 个月, 外形打磨时则延长为 8 个月, 增加了 30.同时还观测到, 在波磨形成初期或即将出现时， 通过经常性地表面打磨能够减小整个打磨工作量。图 8外形打磨与传统打磨对钢轨波磨重视期的影响大量的试验已经证实了上述结果。进一步的研究表明, 通过适当的外形打磨可以阻止波磨的发展使钢轨处于无波磨、 无缺陷状态。6. 4竖向冲出力波磨和其它钢轨缺陷是轮轨振激振和附加冲击荷载源， 它不仅对钢轨本身造成破坏, 而且对轨道结构和机车车辆造成破坏。 波磨的这种作用可见图 9. 从

20、中可见， 当波磨深度达到 0. 05 时, 轮轨动力作用为静荷载的两倍。图 9波磨深度与轮轨动力作用除产生冲击荷载外, 波磨还引起噪声和振动, 直接影响旅客列车的运营品质和舒适性。有效的钢轨打磨能消除波磨的生长和重视, 从而达到降低轮轨动力作用, 控制振动和噪声的目的。据报道, 钢轨打磨可以降低 7 dB 以上噪声。6. 5钢轨寿命如前所述， 对钢轨打磨能显著提高钢轨使用寿命,但现场在线路养护维修中总是同时采用几种方法, 如13第 1 期雷晓燕: 钢轨打磨原理及其应用提高材质， 加强润滑和检测， 因而常常掩盖了打磨的作用.尽管如此, 在有记录的铁路公司, 普遍认为钢轨寿命大幅度提高在很大程度上

21、应归功于打磨.伯林顿铁路即为一例。据报道， 钢轨寿命提高的幅度为 50%300% ， 其中钢轨打磨是一个重要因素， 见图 10。加拿大国有铁路也报道过联合采用润滑, 改善材质和钢轨打磨, 能够有效提高钢轨寿命， 最高可达500。与此同时, 还指出, 如果没有适当的润滑, 钢轨潜在寿命将损失 95。图 10钢轨预期的平均寿命7外形打磨中存在的问题尽管外形打磨有许多优点, 如延长钢轨寿命, 控制侧磨和疲劳， 减少波磨, 降低轮轨冲击力等。但如果运用不当， 也会带来问题。首先外形打磨使轮轨接触点的位置发生了变化,引起导向力的改变. 正如前面所指出的那样, 轮轨由一点接触变为两点接触使得曲线轨道的工作环境恶化,横向力增加， 侧磨加剧。因此为了最大限度地提高轨道结构关键部位的寿命， 必须对轮对踏面和轨头外形合理匹配进行优化以获得最有利的导向力。或者， 为了取得最优的整体效果， 必须抓住主要矛盾， 忽略次要因素。 例如， 在良好润滑的情况下， 侧磨是控制曲线钢轨寿命的次要因素, 疲劳则是需要重点考虑的.其次， 外形打磨使得轮轨接触点位置偏移, 引起作用在轨头的竖向力和横向力发生变化并导致倾覆力矩的出现。倾覆力矩通常用脱轨系数QP表示(Q , P 分别表示作用于轨头的横向力和竖向力)， 如图 11 所示。 当