何凌飛

摘 要：該文針對(duì)鋼軌失效的現(xiàn)象，從輪軌相互作用的角度對(duì)導(dǎo)致鋼軌失效的原因和失效的機(jī)理兩個(gè)方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單的論述，并結(jié)合鋼軌失效的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述如何防止或減弱鋼軌失效的形成，并在后續(xù)進(jìn)一步提出了鋼軌保護(hù)技術(shù)體系，此體系中提出的具體保護(hù)方法能夠有效地延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命，并且減少重大事故的發(fā)生，同時(shí)還具有成本低廉的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鋼軌 保護(hù)技術(shù) 蠕滑

中圖分類號(hào)：U216.424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）11（b）-0045-02

1 鋼軌的主要破壞形式

車輪在鋼軌上運(yùn)動(dòng)的過程中，出現(xiàn)磨損是在所難免的，上股道、下股道和直線上的鋼軌會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞，上股道的內(nèi)側(cè)會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的磨損，而下股道和直線上的鋼軌會(huì)在頂部出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損。在鋼軌道的破壞情況中，疲勞破壞是最為常見的一種破壞形式，疲勞破壞也因這個(gè)緣由成為了鋼軌道更換的主要原因之一。磨損破壞的微觀結(jié)構(gòu)存在以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）長(zhǎng)時(shí)間的相互作用，導(dǎo)致在金屬表面出現(xiàn)較為明顯的塑性流動(dòng)，尤其是鋼軌道的表面。

（2）出現(xiàn)塑性流動(dòng)的金屬表面，存在著初始裂紋，并且初始裂紋的方向與流線的方向在大多數(shù)的情況下保持一致。

（3）初始裂紋在一般的情況下是出現(xiàn)在塑性流動(dòng)金屬的表面，但是在一定的條件下，也可能出現(xiàn)在表層之下。

（4）無論是出現(xiàn)在表層的裂紋或是出現(xiàn)在表層之下的裂紋（以流動(dòng)層之下的情況為主），都呈現(xiàn)樹葉狀的無規(guī)則的擴(kuò)散狀態(tài)。

（5）在裂紋發(fā)生重疊時(shí)，裂紋會(huì)疊加到一起，出現(xiàn)疲勞剝落的現(xiàn)象。

通過對(duì)鋼軌斷裂現(xiàn)象的理論化研究，并進(jìn)行合理化的推斷，表明：疲勞破壞的全過程包括初始裂紋的形成階段和裂紋的擴(kuò)散階段兩個(gè)過程階段，待第二個(gè)階段即裂紋擴(kuò)散階段發(fā)展到一定程度時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)鋼軌的斷裂現(xiàn)象。因此可以推斷，鋼軌未出現(xiàn)裂紋的生成現(xiàn)象，就不存在鋼軌的斷裂現(xiàn)象，同樣，初始裂紋若未出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象的話，同樣不會(huì)出現(xiàn)鋼軌的斷裂現(xiàn)象，因此，鋼軌斷裂現(xiàn)象發(fā)生的兩個(gè)必要條件就是出現(xiàn)初始裂紋和初始裂紋的擴(kuò)散，兩者缺一不可，因此，開展鋼軌斷裂保護(hù)技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是控制初始裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

在進(jìn)行鋼軌保護(hù)技術(shù)研究的工作中，還需對(duì)另一現(xiàn)象進(jìn)行重點(diǎn)研究：出現(xiàn)流動(dòng)裂紋現(xiàn)象的鋼軌段大多在彎道路段，相比較彎道而言，在順直路段出現(xiàn)初始裂紋的現(xiàn)象就相對(duì)輕微，出現(xiàn)表面剝離掉塊現(xiàn)象的差別就更為明顯了，經(jīng)過理論研究，可得出結(jié)論：轉(zhuǎn)輪在鋼軌不論是順直段還是彎道段所承受的垂向荷載的大小是一樣的。由此可以判斷出，產(chǎn)生初始裂紋的條件不僅和垂向荷載有關(guān)，還和轉(zhuǎn)輪經(jīng)過鋼軌道過程中是否出現(xiàn)表面切向力有關(guān)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)切向力產(chǎn)生的條件是輪軌表面的相對(duì)滑動(dòng)。輪軌在順直段運(yùn)動(dòng)過程中，車輪在鋼軌上以純滾動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)居多，幾乎沒有滑動(dòng)，或只存在微小的微觀滑動(dòng)，表面出現(xiàn)的切向力很小或者不存在。通過理論和實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，車輪在彎道路段運(yùn)動(dòng)時(shí)，輪軌之間一定會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)和極大的切向力。這種相對(duì)滑動(dòng)和切向力就是所謂的蠕滑和蠕滑力。

2 蠕滑的產(chǎn)生機(jī)理

輪軌蠕滑現(xiàn)象出現(xiàn)的兩種情況是：（1）在接觸點(diǎn)部位存在著滾動(dòng)半徑差，滾動(dòng)半徑差的存在會(huì)產(chǎn)生縱向蠕動(dòng)。（2）輪軌蠕滑現(xiàn)象出現(xiàn)的另一種原因就是存在接觸沖角，會(huì)導(dǎo)致輪軌的橫向蠕滑。

滾動(dòng)半徑差造成的輪軌相對(duì)滑動(dòng)可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的理論解釋：首先假設(shè)左右車軌的半徑分別為R1和R2（R1>R2），在共同的前行過程中，角速度是相同的，那么R1的線速度就會(huì)大于R2的線速度，并且大于車輛前行的速度，在行進(jìn)過程中，R1表面就會(huì)和鋼軌之間出現(xiàn)行進(jìn)方向相同的相對(duì)滑動(dòng)；同樣的，R2的線速度小于R1，并且小于車輛前行的速度，在R2表面和鋼軌之間就會(huì)出現(xiàn)與行進(jìn)方向相反的相對(duì)滑動(dòng)，因此會(huì)在半徑較大的車輪上形成正向的蠕滑，反之，在半徑較小的車輪上就形成了負(fù)向的蠕滑。輪對(duì)在彎道路段行進(jìn)時(shí)，若向左轉(zhuǎn)彎，左輪的滾動(dòng)半徑大于游輪的滾動(dòng)半徑，就會(huì)在左側(cè)車輪上形成與行進(jìn)方向一致的相對(duì)滑動(dòng)，而此時(shí)的右側(cè)車輪相對(duì)滾動(dòng)半徑較小，在車輪表面會(huì)形成與行進(jìn)方向相反的相對(duì)滑動(dòng)；同樣道理，當(dāng)在向右側(cè)轉(zhuǎn)彎路段時(shí)，右側(cè)的車輪滾動(dòng)半徑大于左側(cè)車輪的，就會(huì)在右側(cè)車輪上形成與行進(jìn)方向一致的相對(duì)滑動(dòng)，而此時(shí)的左側(cè)車輪相對(duì)滾動(dòng)半徑較小，在車輪表面會(huì)形成與行進(jìn)方向相反的相對(duì)滑動(dòng)。以上所說的相對(duì)滑動(dòng)，對(duì)于統(tǒng)一整體的輪對(duì)而言，就會(huì)形成一個(gè)轉(zhuǎn)向力矩，無論機(jī)車在順直路段還是在轉(zhuǎn)彎路段行進(jìn)中幫助輪對(duì)穩(wěn)定的前行或是幫助輪對(duì)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎行進(jìn)，所以這個(gè)轉(zhuǎn)型力矩對(duì)于機(jī)車的行進(jìn)起到加強(qiáng)穩(wěn)定的作用，對(duì)整體行進(jìn)有益，但是產(chǎn)生有益轉(zhuǎn)向力矩的同時(shí)，在鋼軌的表面出現(xiàn)的相對(duì)滑動(dòng)，又為鋼軌的初始裂縫的形成提供了條件，會(huì)導(dǎo)致后期的鋼軌的斷裂等災(zāi)害。前文所說的滾動(dòng)半徑差在同一個(gè)車輪上也存在，在同一車輪左右邊緣兩側(cè)的滾動(dòng)半徑不同，二者的相對(duì)滑動(dòng)不同，由此進(jìn)行推斷，若機(jī)車出現(xiàn)左右轉(zhuǎn)彎的行進(jìn)過程，輪軌之間的相對(duì)滑動(dòng)是不可避免的，即輪軌蠕滑是必然存在的，而且成對(duì)出現(xiàn)的蠕滑力必定是相反方向的。由此研究得出結(jié)論：最為理想的輪軌接觸形式是貼合式的一點(diǎn)接觸，在行進(jìn)過程中，最起碼保證在同一車輪上不會(huì)出現(xiàn)成對(duì)且方向相反的相對(duì)滑動(dòng)和蠕動(dòng)力。而在現(xiàn)實(shí)操作過程中，欲實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)式接觸是不可能的，所以最為貼近實(shí)際情況的就是兩點(diǎn)式接觸表面。

機(jī)車在行進(jìn)過程中，車身和軌道之間會(huì)形成一個(gè)夾角，尤其是在彎道路段，夾角更大，此沖角的存在同樣會(huì)促使相對(duì)滑動(dòng)的產(chǎn)生，同時(shí)由于沖角的存在，會(huì)使輪軌之間形成橫向的蠕滑力，促使輪軌的橫向破壞。橫向蠕滑力越大，在輪緣和軌側(cè)之間的接觸壓力也越大，自然，輪軌的磨損也就越大。同時(shí)，橫向蠕滑力相對(duì)于轉(zhuǎn)向架中心產(chǎn)生了一個(gè)力矩，造成轉(zhuǎn)向力矩減小，阻礙著轉(zhuǎn)向架在彎道的轉(zhuǎn)向。橫向蠕滑力的產(chǎn)生是由于沖角的存在，其大小也隨沖角的增大與減小而增大與減小?？梢姍M向蠕滑力對(duì)于輪軌關(guān)系是有害的。

3 裂紋擴(kuò)展的機(jī)理——油楔效應(yīng)

所謂的油楔效應(yīng)其實(shí)指的就是在機(jī)車行進(jìn)過程中，液態(tài)的潤(rùn)滑劑等充當(dāng)了楔子的作用，當(dāng)機(jī)車對(duì)存在裂紋的鋼軌的前端進(jìn)行碾壓時(shí)，裂紋就會(huì)張開，鋼軌表面的液態(tài)油污等就會(huì)深入到裂縫中，當(dāng)機(jī)車對(duì)裂紋的后側(cè)進(jìn)行碾壓時(shí)，裂紋就會(huì)關(guān)閉，但是深入其中的油污或雨水等雜物仍存于其中。由液體的不可壓縮性可知，在機(jī)車行進(jìn)過程中，車輪對(duì)軌道的壓力十分巨大，在如此巨大的壓力作用下，裂紋的頂端就會(huì)形成極大的高壓，會(huì)促使裂紋向結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱的方向延伸，加快鋼軌的破壞速度。在裂紋延伸的過程中，由于輪軌材質(zhì)的不均勻性，裂紋的延伸方向不一定是沿著塑性流線的方向進(jìn)行，因此產(chǎn)生的裂紋多為無規(guī)則的樹葉狀的。也就是因?yàn)榱芽p的不規(guī)則性，會(huì)導(dǎo)致相鄰的裂縫彼此之間聯(lián)通、融合，出現(xiàn)軌道表面脫落的現(xiàn)象。如此破壞會(huì)在相對(duì)較短的時(shí)間里，在鋼軌的深層產(chǎn)生裂紋，形成早期破壞的發(fā)生，綜上所述，油楔效應(yīng)在進(jìn)行鋼軌保護(hù)技術(shù)的研究時(shí)，同樣是不可忽視的一個(gè)重要研究對(duì)象，在鋼軌的維護(hù)工作中，應(yīng)盡量減少甚至根除。

4 鋼軌保護(hù)技術(shù)

根據(jù)前文的闡述，對(duì)鋼軌的保護(hù)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，包括以下幾個(gè)方面。

（1）對(duì)軌道尤其是上股道上鋼軌的輪廓面進(jìn)行修正，為形成貼合式兩點(diǎn)接觸的行進(jìn)狀況提供有利條件，以最大限度地減小在同一車輪上形成的滾動(dòng)半徑差，從而有效地減小蠕滑力，進(jìn)而減輕輪軌之間形成的相對(duì)磨損程度。

（2）對(duì)下股道上的鋼軌輪廓面的形狀進(jìn)行修補(bǔ)，形成相對(duì)較大的左右輪之間的滾動(dòng)半徑差，增大轉(zhuǎn)向架上的轉(zhuǎn)向力矩的大小，為機(jī)車的行進(jìn)提供更好的穩(wěn)定性上的保證。

（3）改善轉(zhuǎn)向架的動(dòng)態(tài)特性，以減小輪軌與機(jī)車行進(jìn)機(jī)車之間的夾角為目的，來實(shí)現(xiàn)輪軌之間橫向蠕滑力的減小。

（4）在輪軌之間使用摩擦調(diào)節(jié)劑，降低輪軌之間的橫向蠕滑力。

（5）嚴(yán)格禁止使用液態(tài)的摩擦調(diào)節(jié)劑或是任何其他液態(tài)的潤(rùn)滑劑等，以避免油楔效應(yīng)的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

在進(jìn)行鋼軌保護(hù)技術(shù)的研究過程中，應(yīng)注重理論與實(shí)際相結(jié)合，在現(xiàn)有技術(shù)手段的基礎(chǔ)之上對(duì)鋼軌的保護(hù)技術(shù)進(jìn)行有效的技術(shù)延伸，加強(qiáng)初始裂縫形成階段和裂縫擴(kuò)散階段的防止與治理，同時(shí)，還應(yīng)該在輪軌使用的材料等其他的方面進(jìn)行深入研究，以求徹底地解決輪軌摩擦問題，減少因此而產(chǎn)生的鋼軌的斷裂現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

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