关于对地铁钢轨病害成因及处理措施的探析论文
关于对地铁钢轨病害成因及处理措施的探析论文
1 主要概况
笔者以西安地铁为例， 运营一、二号线正线合计104.247km， 其中一号线正线全长50.665km， 正线最小曲线半径400m，最大坡度28‰，采用U75V 钢轨;二号线正线全长53.582km，正线最小曲线半径350m，最大坡度26‰，采用U71Mn 钢轨。目前对钢轨的运营维护主要是通过机械打磨修复和人工现场维护来实现，结合现场实际针对常见的病害进行处理。
2 钢轨的主要病害及成因分析
电客车的运行状态是一个由多种独立运动叠加而成的复杂运动，钢轨主要承受垂向力、横向力、纵向爬行、温度应力和制动力的作用而形成病害。
(1)钢轨和焊缝及接头病害。钢轨焊缝缺陷主要由于焊接工艺不良产生了各种伤损，其中典型伤损为灰斑、裂纹和烧伤缺陷，灰斑分布于焊缝接头的任何部位，北大街—五路口下行K21+12# 左股发现接触焊轨底横向裂纹长度10mm，轨底部位危害较大。产生的主要原因为前期焊机在焊接操作中焊接时间短、次级电压高、连续闪光出现中断等操作工艺不当造成的。K19+30# 右股气压焊轨头踏面焊缝中心打磨亏损，长40mm，深2mm。
(2)磨：检查发现，西安地铁目前一二号线钢轨波型磨耗主要表现为波纹和波浪两种。波浪形磨耗实质上是波浪型压溃，主要集中出现在R ≤ 450 以下的曲线及北客、会展折返地段;波纹形磨耗主要发生在直线地段和制动区段。如不及时处理，波形磨耗会引起很强的轮轨动力作用，使电客车产生震动和噪声。
北客站P1004 号道岔导曲下股钢轨用内燃钢轨打磨机进行了轨面波浪型磨耗打磨，打磨前最大波深0.37mm，打磨后波深小于0.1mm。
(3)钢轨侧磨：主要是小半径的外股钢轨侧磨及内外股超高设置相对电客产生的蠕滑，造成钢轨病害，这与超高设置不当、行车速度、前期施工轨底坡不到位等原因有直接的`关系。目前主要集中在二号线北大街至永宁门区间。
分析此小半径曲线磨耗病害产生的原因。一是曲线半径小，正线最小半径350m;二是均位于两区间中间段，列车运行速度相对较快接近70 公里;三是与线路坡道有关，均位于千分之三和千分之四的变坡点坡底位置(千分之四上坡在钟楼方向)，上行磨耗曲线下股产生鱼鳞伤，下行磨耗曲线上股产生波浪磨耗伤。
(4)钢轨肥边：主要是在曲线外股钢轨和直线钢轨轨顶内侧被压溃后所产生的，是由于车辆运营重载和轮对的不规则运动造成的。钢轨肥边会破坏轮轨关系，导致轮对的蛇形运动，增加轮对运转阻力，目前西安地铁钢轨肥边病害较少，有时也会发全在辙叉心部位。
对北客站折返交渡的2 个菱形道岔钝角叉心肥边进行了手砂轮打磨，从四个折返交渡的检查情况来看，打磨前叉心人字尖最大肥边2mm ，打磨后全部消除。
(5)鱼鳞纹破损：鱼鳞伤是起源于轨头表面一种近似鱼鳞状金属破碎的疲劳伤损，裂纹始于轨头内侧圆弧附近，裂纹附近常有黑影，横向发展的宽度一般发展至6--20mm。最大接近半个轨面，裂纹在踏面处萌生，沿变形流线方向倾斜向下发展，深度随鱼鳞纹的横向宽度不同而变化，鱼鳞越大、裂纹越深，钢轨鱼鳞纹的多发于小半径曲线上股，通常采用的润滑油脂会随着车轮的碾压会渗入到裂纹中产生“油楔力”使裂纹加速发展。这类伤损对钢轨的危害很大。例如二号线的钟楼至永宁门区间、一号线皂河至三桥区间内的小半径曲线上股钢轨。后续可以采用钢轨打磨车进行修复性打磨。
检查钟楼至永宁门上下行钢轨病害问题。检查发现上行K13+850-950、R=450 缓和曲线至曲中曲线下股钢轨鱼鳞磨耗病害较突出，缓圆处最深3mm;
二号线下行K13+900-14+00、 R=450 圆曲线上股钢轨曲线波磨及鱼鳞病害突出，最大波磨曲中0.35mm，曲线位于浮置板整体道床位置。
(6)道岔岔心伤损情况。道岔岔心主要是金属疲劳强度不足和车轮的重复作用，最终形成疲劳损伤。当最大剪应力作用点超过剪切屈服极限时。会使该点形成塑性区域，最终导致接触疲劳裂纹、掉块、剥离等病害形成。主要表现在尖轨掉块，辙叉心掉块，波浪形磨耗等伤损。辙叉心疲劳裂纹的情况比较普遍，个别岔心的的裂纹已经发展成小的掉块。这种情况在四个折返车站北客站、纺织城、韦曲南，后卫寨折返岔区不同程序的存在。一是普遍存在钢轨短距离波磨，尤其是导曲线和转辙部分道岔内曲股钢轨病害尤为突出，二是辙叉心，尤其是菱形道岔钝角叉心存在人字尖钢轨肥边，压塌等病害。主要通过角磨机进行人工打磨和堆焊修复，增加辙叉的使用寿命，节约运营成本。
(7)钢轨母材伤损：2014 年探伤共发现一二号线各类新增伤损34 处，其中轻伤33 处，重伤1 处。重伤钢轨伤损原因为施工残留钢筋头过长，引起钢轨杂散电流引起打火，一号线上行K23+5 右股距接头110mm 处内扣轨底电击灼伤。其余33处轻伤中钢轨焊缝灰斑6 处，占比18.3%;钢轨接触疲劳原因产生的掉块、鱼鳞纹等伤损7 处，占比21.2%;因前期施工遗留造成的多孔、钻孔不良等原因的伤损12 处，占比36.3%;施工单位铺轨过程中的电焊灼伤、电击伤8 处，占比24.2。从上述情况来看，因为由施工过程中造成的多孔、电击伤等钢轨所占比例较高。钢轨接触性疲劳伤损所占比例较小。
3 钢轨病害的处理措施
(1)多方位对钢病害进行综合整治。一是强化检查，将钢轨病害纳入日常作业管理。根据检查情况和钢轨病害，确定整修方案，合理安排，以增设钢轨涂油机为手段、以钢轨打磨车为重点、以钢轨仿形打磨机、道岔打磨机基础、三者有机的结合，制定合适的最佳打磨工艺，对钢轨病害适时进行打磨、焊补等修复;二是利用春秋季设备大检查，对照竣工图纸，以轨道专项整治活动为基础，全面核查设置超高值及曲线正矢。三是提前做好新线介入，严格把控前期的施工质量，针对一二号线施工中轨底坡设置不均，在新线曲线地段严格控制增加量，减少钢轨侧磨的增加。四是加强对出入段线等碎石道岔的整治，全方位提高钢轨修复能力，并对灼伤轨及多孔轨进行更换;五是加强钢弹簧浮置板道床地段的线路检查及整治工作，尤其是不同道床类型接驳处晃车现象的整治。
(2)科学界定地铁线路养修周期，探索综合维修模式，完善专业检修措施，实现线路设备“零误差、零缺陷、零故障”的要求。积极探索和研究线路设备变化规律，优化检测手段，增加检测覆盖面和频次，超前做好惯性问题的防范和攻关。结合每年开展的春、秋检工作，组织对正线全线钢轨病害进行排查，进行病害修复性的专项打磨。新铺钢轨运营前预防性打磨一遍，有规律开展钢轨打磨工作。
(3)加强对钢轨检查的管理，做到日常检查与阶段整治相结合，采取有效措施控制钢轨病害的发展，将日常钢轨、焊缝等重点病害纳入班组日常修理范畴，建立观测记录台帐，做到有检查，有记录，有分析，有整改，有落实。现已将钢轨轨底坡、曲线半径、曲线超高、涂油等因素对钢轨磨耗的影响纳入研究课题进行攻关。
(4)加强对道岔、小半径曲线等重点设备的整治，特别是运营上线车辆和客流的增加，均会对设备磨耗产生一定的影响，在充分分析轮轨关系的基础上，加大对折返段道岔波磨和护轨磨耗的检查和整修，采用内燃钢轨打磨机进行周期专项打磨，每年一遍。
(5)对涂油等有效措施进一步优化，一是从油脂的质量和减磨方式上;二是涂油机喷涂频次上，以免对电客车底造成污染。从检测数值及测量分析上去分析涂油减磨的效能。三是曲线地段建议进行钢轨踏面涂油，但必须控制涂油量，否则为减缓钢轨波磨的涂油措施有可能会造成钢轨侧磨程度的增加。
总之，地铁钢轨病害成因复杂，笔者仅从部分地铁运营条件和线路参数角度出发，对钢轨病害及磨耗问题做了一些探索性研究，实际工程中应综合考虑多种因素，通过仿真计算及相关现场试验，最终确定地铁钢轨减磨措施和方法。