馬益龍

(南京地鐵運營有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012)

0 引言

鋼軌是鐵路軌道的主要組成部件。它的功用在于引導(dǎo)機車車輛的車輪前進，直接承受車輪和其他方面的各種力，且傳遞給軌下基礎(chǔ)，并為車輪的滾動提供連續(xù)平順和阻力最小的表面[1]。地鐵行車具有密度大、速度高、緊急啟停的特點，并且檢修天窗點短，鋼軌傷損發(fā)展速度較快，嚴重影響地鐵的安全運營?，F(xiàn)對南京地鐵典型傷損進行分析，探索傷損發(fā)展規(guī)律，并提出對應(yīng)的預(yù)防措施，延長鋼軌的使用壽命。

1 南京地鐵線路概況

南京地鐵2005年開通，最早開通的1號線鋼軌服役已近17 a，現(xiàn)有11條線路運營，運營里程427 km。南京地鐵正線采用U75V 60 kg/m鋼軌，運營線路60 kg/m鋼軌使用共計約1 714 km，基地線路采用U71Mn 50 kg/m鋼軌，50 kg/m鋼軌使用約340 km。南京地鐵正線曲線共1 263條，小半徑曲線(R≤400 m)301條，共87.096 km,占全部運營線路的10.2%。全線網(wǎng)鋼軌涂油器共182臺。我國根據(jù)鋼軌的傷損種類、位置及原因進行分類，共分為9類32種傷損[2-3]。南京地鐵鋼軌傷損類型主要是波磨、側(cè)磨、鋼軌掉塊、接頭傷損、電擊傷等。

2 鋼軌傷研究分析

2.1 波磨及波磨掉塊

鋼軌波浪形磨耗，簡稱波磨，是指在輪軌滾動接觸表面出現(xiàn)的類似波浪的規(guī)律性不均勻磨耗現(xiàn)象[4]。影響波磨的因素有很多，波磨和曲線半徑、扣件類型、道床結(jié)構(gòu)、車輛輪對、行車速度等多種因素有關(guān)。地鐵波磨主要發(fā)生在小半徑曲線地段，半徑越小，波磨發(fā)展越迅速，根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計分析，南京地鐵波磨主要在曲線半徑R≤800 m地段，曲線半徑R≤500 m地段波磨尤為明顯。波磨掉塊，即波磨產(chǎn)生后，由于車輪和鋼軌振動，在波磨波谷由于鋼軌應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋掉塊，波磨掉塊一般產(chǎn)生于軌道彈性較差的波磨地段。以南京地鐵3號線2條同工況的曲線(如表1所示)作為研究對象，通過長期的觀察和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，研究波磨和波磨掉塊發(fā)展規(guī)律。

表1 選取研究曲線線路資料

曲線波磨發(fā)展規(guī)律：曲線1、曲線2在運營6個月后均出現(xiàn)波磨，波磨較輕沒有深度。運營6個月～2 a后，波磨發(fā)展迅速，波長為27 mm～80 mm短波為主，波深0.1 mm～0.2 mm。運營2 a～4 a，2條曲線波磨繼續(xù)加劇，波長為27 mm～80 mm短波為主，波深0.2 mm～0.3 mm，為減緩波磨發(fā)生，不定期對2條曲線進行鋼軌打磨，打磨后波磨減緩，打磨1個月后波磨又迅速產(chǎn)生。運營4 a～6 a，波磨繼續(xù)發(fā)展，但曲線1和曲線2波磨表現(xiàn)形式不同，曲線1在曲下股波谷出現(xiàn)連續(xù)波磨掉塊(見圖1)，曲線2無此現(xiàn)象，對曲線1波磨掉塊進行鋼軌打磨，效果不佳。通過現(xiàn)場調(diào)查，曲線1地段軌下膠墊出現(xiàn)大面積壓潰失效(見圖2)，曲線2膠墊外觀正常，作用良好。后對曲線1地段失效膠墊進行更換，輔助對曲線1進行鋼軌打磨，運營6個月波磨掉塊基本消失。由此發(fā)現(xiàn)波磨掉塊的形成和軌道的彈性有關(guān)，扣件系統(tǒng)彈性不足，車輪和鋼軌振動幅度增大，波谷處應(yīng)力集中易產(chǎn)生鋼軌剝離掉塊。

2.2 側(cè)磨及軌距角掉塊

鋼軌側(cè)磨發(fā)生在曲線上股，列高速通過曲線時，曲線上股鋼軌為車輛輪對導(dǎo)向，曲線上股鋼軌在輪對豎向力和橫向力的作用下產(chǎn)生側(cè)磨。曲線側(cè)磨主要在小半徑曲線區(qū)段，半徑越小，側(cè)磨發(fā)展越迅速。這是由于隨著曲線半徑的減小，車輛通過較小曲線半徑線路時的輪軌橫向力和沖角較大，使得輪緣極易與鋼軌貼靠加劇輪軌間的作用導(dǎo)致其磨耗相對較大。其次，車輛在通過較小曲線半徑時輪對會產(chǎn)生較大橫移量或輪軌導(dǎo)向力不足將導(dǎo)致兩點接觸和嚴重的鋼軌側(cè)磨現(xiàn)象[5]。

軌距角掉塊(如圖3所示)是曲線地段上股和部分直線地段鋼軌軌內(nèi)側(cè)距角處疲勞產(chǎn)生連續(xù)性掉塊,長1 mm～5 mm，深1 mm～2 mm，掉塊分散狀分布。鋼軌涂油器是一種加裝在曲線起點，車輪經(jīng)過時感應(yīng)噴油并油脂涂覆經(jīng)過的曲線鋼軌內(nèi)側(cè)面的軌道附屬設(shè)備。涂油器油脂一定程度上能減緩鋼軌側(cè)磨的發(fā)展，但不合理的涂油會引發(fā)軌距角掉塊。根據(jù)南京地鐵多條運營線路經(jīng)驗，軌距角掉塊多發(fā)于過量涂油的新開通線路。鋼軌在曲線上股軌距角應(yīng)力集中產(chǎn)生微細裂紋，涂油器的油脂滲入微細裂紋在車輪壓力作用下發(fā)生“油楔效應(yīng)”，加速鋼軌剝離掉塊。

南京地鐵3號線開通僅6個月，部分曲線上股軌距角出現(xiàn)剝落掉塊現(xiàn)象，隨著時間的推移，病害普遍發(fā)展，半徑較大曲線也出現(xiàn)類似病害，并且有惡化趨勢。通過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)軌距角掉塊上有較多油脂，3號線開通后，正線48臺涂油器即滿載工作，涂油器噴出油脂通過車輪帶至全線鋼軌。在現(xiàn)場選取6條掉塊嚴重曲線，對全線涂油器進行關(guān)閉，定期觀察6條曲線軌距角掉塊發(fā)展情況。通過6個月統(tǒng)計觀察，6條曲線軌距角掉塊逐漸消失，全線軌距角掉塊現(xiàn)象明顯緩解。為了進一步驗證涂油和軌距角掉塊的關(guān)系，在剛開通的寧和線選取6條曲線，在涂油器全部關(guān)閉的狀態(tài)下，定期收集6條曲線軌距角掉塊情況，運營1年內(nèi)，曲線上股未出現(xiàn)軌距角掉塊現(xiàn)象。后涂油器逐漸打開，涂油器附近鋼軌出現(xiàn)零星軌距角掉塊，后關(guān)閉涂油器，掉塊逐漸消失。由此可以判斷，涂油器過量涂油、不均勻涂油是軌距角掉塊的主要誘因。

2.3 接頭類傷損

列車經(jīng)過接頭時會產(chǎn)生不平順，從而造成車輪對接頭的沖擊，因此地鐵接頭類傷損多發(fā)。南京地鐵接頭類傷損有焊縫內(nèi)部傷損、高低焊頭、眼孔裂紋、軌頭裂紋類。

1)焊縫內(nèi)部傷損。

焊縫內(nèi)部傷損主要為鋁熱焊、氣壓焊、閃光接觸焊處的灰斑、核傷(如圖4所示)、夾渣、光斑等傷損。至今南京地鐵鋼軌無損檢測發(fā)現(xiàn)傷損共1 516處，其中焊縫傷損有1 108處，占所有無損檢測傷損的73%。灰斑指存在于閃光焊焊縫，為斷口中的局部光滑區(qū)域與周邊金屬有明顯界限的傷損，占全部傷損數(shù)量的28.23%。

2)高低焊頭。

目前地鐵在建線路以移動閃光接觸焊為主，移動閃光焊機在焊接過程中，受制于現(xiàn)場施工條件，鋼軌在焊接過程中容易出現(xiàn)對軌不準確，從而導(dǎo)致產(chǎn)生高焊頭(見圖5)、低焊頭(如圖6所示)等情況。按照焊接流程，焊接后對焊縫進行打磨，先用中粗砂輪對焊縫及附近的軌頭頂面兩側(cè)面及顎部磨除焊瘤，然后使用砂輪機在軌頭頂及兩側(cè)面進行修整，打磨焊縫平直度滿足：軌頂面垂直偏差0 mm～0.3 mm，軌頭側(cè)面工作邊水平方向最大偏差±0.3 mm[6]。由于對軌不準確，打磨焊縫周圍鋼軌母材，雖然暫能滿足平直度要求，但運營后母材的原始狀態(tài)顯現(xiàn)，高低接頭更為明顯，高低焊頭偏差有的達1.5 mm，遠遠超過標準。目前南京地鐵共有高接頭91處，低接頭96處，高低接頭對行車有較大隱患，行車不平順，產(chǎn)生輪軌間異常沖擊，造成焊頭附近扣件彈條折斷，局部晃車、抖動，長期造成焊縫內(nèi)部傷損等。

3)鋼軌眼孔裂紋。

從受力角度分析，鋼軌眼孔位于鋼軌中和軸附近，由于軌腰鉆孔，鋼軌強度降低，在應(yīng)力傳遞過程中，螺栓孔周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時由于接頭錯牙、軌縫等因素，車輪通過接頭時產(chǎn)生沖擊，螺栓孔周圍應(yīng)力集中加劇，從而形成鋼軌眼孔裂紋(見圖7)。鋼軌眼孔裂紋也與鉆孔作業(yè)有關(guān)，鉆孔位置偏斜、鉆孔未倒棱都能造成鋼軌眼孔裂紋，鉆孔位置偏斜，螺栓和鋼軌受剪，鉆孔未倒棱螺栓孔附近積累較多鐵屑、毛刺，在螺栓剪切力的作用下形成眼孔裂紋。南京地鐵眼孔裂紋傷損共9處，占所有接頭傷損0.6%，雖然眼孔裂紋傷損數(shù)量較少，但對行車安全造成較大影響。

4)軌頭裂紋。

軌頭裂紋(如圖8所示)主要發(fā)生在接頭鋼軌踏面，分為縱向裂紋和橫向裂紋，產(chǎn)生主要原因是輪軌接觸接頭振動沖擊較大。發(fā)展規(guī)律為：有縫線路鋼軌軌端出現(xiàn)肥邊，肥邊不及時打磨會造成軌面壓塌，加劇輪軌接觸振動，后碾壓形成鋼軌橫向裂紋，接頭處膠墊失效剛度變大，加劇接頭裂紋向縱深發(fā)展。南京地鐵目前發(fā)現(xiàn)軌頭裂紋共11處，占全部傷損的0.7%，由于傷損比較隱蔽，需要探傷無損檢測、拆檢發(fā)現(xiàn)。

2.4 鋼軌電擊傷

地鐵電擊傷分為兩類:一類是掛地線操作不當(dāng)造成電灼傷;一類是鋼軌附近金屬物火花放電灼傷鋼軌。第一類掛地線灼傷鋼軌，為了保證安全，靠近接觸網(wǎng)作業(yè)均需掛地線，按照正確作業(yè)流程，接觸網(wǎng)斷電后才能掛地線，由于操作人員操作失誤，在接觸網(wǎng)帶電的情況下掛地線，把接觸網(wǎng)高壓電瞬間引到鋼軌，造成鋼軌灼傷。第二類火花放電產(chǎn)生電擊傷，由于電氣化線路，鋼軌有回流的作用，南京地鐵采用架空接觸網(wǎng)供電,電壓為直流達1 500 V，靠近鋼軌的鐵絲、鋼筋等金屬產(chǎn)生火花放電效應(yīng)，灼傷鋼軌。由于鋼軌高壓電擊，鋼軌瞬間灼傷，鋼軌內(nèi)部金屬組織變化，產(chǎn)生高碳馬氏體，不僅破壞了鋼軌組織和性能的均勻性，還是應(yīng)力集中的源點，材料疲勞和開裂的策源地，是列車安全運行的嚴重隱患。南京地鐵共發(fā)現(xiàn)電擊傷損42處，占所有無損檢測傷損的2.8%。

3 鋼軌傷損管理與預(yù)防措施

3.1 建立鋼軌傷損信息庫

工務(wù)部門應(yīng)建立鋼軌傷損信息庫，按照線路信息、傷損位置、傷損類別、傷損等級等要素定期收集鋼軌傷損信息，對鋼軌進行“全壽命周期”管理，即從新線建成至鋼軌報廢，全程跟蹤傷損的發(fā)展，定期對典型傷損進行分析。如鋼軌焊縫，新線驗收階段跟蹤焊縫質(zhì)量，收集焊縫“第一手資料”，后期跟蹤焊縫傷損發(fā)展，直至鋼軌報廢更換。另外，建立鋼軌傷損信息庫管理機制，確?，F(xiàn)場傷損能及時準確的收集到信息庫里面，收集基礎(chǔ)信息，利用“大數(shù)據(jù)+”分析方法，總結(jié)不同傷損的發(fā)展規(guī)律，指導(dǎo)傷損鋼軌的養(yǎng)護或更換。

3.2 軌道病害系統(tǒng)整治

軌道病害直接影響輪軌受力，從而影響傷損的發(fā)展，應(yīng)系統(tǒng)的對軌道病害進行整治，道床、鋼軌、聯(lián)結(jié)零件等軌道設(shè)備應(yīng)保持良好的狀態(tài)。對道床基礎(chǔ)病害進行治理：對翻漿冒泥地段路基進行整治；對道床脫空病害進行注漿加固；整治軌枕剝離等。聯(lián)結(jié)零件應(yīng)保持良好的狀態(tài)：對失效膠墊進行更換，保證軌下和板下膠墊良好彈性；更換扣件失效尼龍?zhí)坠?，保證軌道框架橫向剛度；扣件扭力矩在標準范圍內(nèi)。鋼軌應(yīng)保持良好的狀態(tài)和幾何形位：對波磨地段鋼軌進行打磨；對接頭錯牙進行整治；保持良好的軌道幾何狀態(tài)等。

3.3 加強鋼軌內(nèi)部傷損探傷檢查

由于鋼軌內(nèi)部傷損隱蔽性強、危害性大，因此應(yīng)加強鋼軌母材常規(guī)探傷和焊縫探傷，有些特殊地段應(yīng)增加探傷次數(shù)，如：冬季高架、地面段；橋梁和隧道過渡段、小半徑曲線地段、大坡道地段；傷軌數(shù)量異常地段。根據(jù)運營年數(shù)適當(dāng)增加探傷遍次，運營時間超過8 a的線路，增加1遍次常規(guī)探傷，運營時間超過15 a的線路，增加2遍次常規(guī)探傷。加密大型探傷車、雙軌式探傷小車探傷遍次，異常數(shù)據(jù)人工探傷進行復(fù)核，能夠提高檢查效率，準確定位傷損位置，及時采取處置措施，保障安全。

3.4 科學(xué)制定鋼軌維護標準

以側(cè)磨為例，涂油器的開啟能延緩側(cè)磨的發(fā)生，但過量涂油是軌距角掉塊的直接誘因，科學(xué)制定涂油器涂油周期和涂油量，研究涂油平衡點，使減緩鋼軌側(cè)磨發(fā)展。南京地鐵總結(jié)涂油器的開啟規(guī)律：建議新線開通6個月不開啟涂油器；側(cè)磨在1 mm～2 mm內(nèi)，涂油器油量控制最??；隨著側(cè)磨的發(fā)展，側(cè)磨達2 mm以上，適當(dāng)增加涂油量；如產(chǎn)生側(cè)磨掉塊，應(yīng)立即關(guān)閉涂油器。鋼軌過度維修不但增加了維護成本，而且增加了傷損的發(fā)展速度，鋼軌欠維修不能達到鋼軌維修的標準，不利于傷損的控制，鋼軌的養(yǎng)護應(yīng)制定科學(xué)的維修周期和標準，避免過修和欠修。

4 結(jié)語

目前南京地鐵“13線在建，11線運營”，隨著南京地鐵線路數(shù)量增加，鋼軌的養(yǎng)護和維修成為地鐵運營關(guān)注的重點。后期鋼軌管理工作將不斷總結(jié)現(xiàn)有運維經(jīng)驗，在新型工藝材料運用、鋼軌數(shù)據(jù)智能檢測、鋼軌狀態(tài)綜合分析等方面深入探索，科學(xué)制定鋼軌養(yǎng)修制度、合理延長鋼軌使用壽命，提高地鐵運行質(zhì)量和效率。