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高速鐵路鋼軌擦傷特征及影響因素

2023-10-18 06:45張彥博劉秀波劉勇陳茁魏劍梅
鐵道建筑 2023年9期
關(guān)鍵詞:區(qū)段里程坡度

張彥博 劉秀波 劉勇 陳茁 魏劍梅

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部, 北京 100081; 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所, 北京 100081;3.中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司, 成都 610082

我國(guó)高速鐵路鋼軌早期傷損的主要形式包括鋼軌擦傷、波磨、硌傷、母材缺陷等[1]。其中鋼軌擦傷會(huì)影響輪軌接觸狀態(tài),影響列車運(yùn)行平穩(wěn)性,長(zhǎng)期輪軌作用會(huì)引起鋼軌的剝離掉塊或橫向裂紋,導(dǎo)致鋼軌折斷,嚴(yán)重威脅行車安全。

相關(guān)學(xué)者對(duì)鋼軌擦傷的特征和成因進(jìn)行了諸多研究。胡二根[2]分析了鋼軌擦傷的特征、分布規(guī)律和原因,發(fā)現(xiàn)車站和制動(dòng)地段為上坡道時(shí),機(jī)車會(huì)因啟動(dòng)困難造成車輪空轉(zhuǎn)從而擦傷鋼軌。張艷良[3]對(duì)礦區(qū)機(jī)車擦傷的分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)坡度大于6‰時(shí)重車上坡、坡度大于20‰時(shí)空車上坡和空車連續(xù)上坡易產(chǎn)生鋼軌擦傷,進(jìn)而導(dǎo)致裂紋、核傷、剝離掉塊等傷損出現(xiàn)。王棟[4]研究發(fā)現(xiàn),在信號(hào)機(jī)前后,機(jī)車啟動(dòng)空轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生鋼軌擦傷;在長(zhǎng)大坡道,機(jī)車加速闖坡會(huì)導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)而產(chǎn)生鋼軌擦傷;在小半徑曲線區(qū)段,鋼軌擦傷與垂直磨耗、側(cè)面磨耗交互作用,會(huì)加劇鋼軌擦傷的發(fā)展;司機(jī)操作不當(dāng)、運(yùn)輸組織不當(dāng)、線路養(yǎng)護(hù)維修不良、軌道不平順等也會(huì)導(dǎo)致鋼軌擦傷。根據(jù)對(duì)某高速鐵路傷損成因的研究,鄧勇等[5]總結(jié)得出,鋼軌擦傷分為列車啟動(dòng)打滑擦傷和列車制動(dòng)擦傷,前者為橢圓形擦傷,后者為長(zhǎng)條形擦傷。魏堂建等[6]探究了某城際鐵路的鋼軌擦傷原因,認(rèn)為線路平縱斷面、機(jī)車類型和運(yùn)輸組織模式對(duì)鋼軌擦傷形成的影響較大。劉豐收、李闖等[1,7]認(rèn)為鋼軌擦傷可由機(jī)車車輪空轉(zhuǎn)、下坡制動(dòng)、抱閘行駛和輪軌接觸面相對(duì)滑動(dòng)4 種原因產(chǎn)生,坡度和軸重增大會(huì)增加產(chǎn)生鋼軌擦傷的可能性。趙康云[8]發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組緊急制動(dòng)也會(huì)造成鋼軌擦傷,擦傷產(chǎn)生的白層組織厚度較薄,檢查難以發(fā)現(xiàn)。戚志剛等[9]調(diào)研了銀西客運(yùn)專線的鋼軌擦傷情況,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)形貌特征將鋼軌擦傷分為點(diǎn)狀、連續(xù)點(diǎn)狀和長(zhǎng)條狀。

鋼軌擦傷表面的白層組織的形成機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)和裂紋擴(kuò)展也是研究重點(diǎn)。由于白層組織的硬脆特性(維氏硬度高達(dá)1 200 HV),通常認(rèn)為是裂紋形成的位置,會(huì)降低鋼軌的使用壽命[10]。劉佳朋等[11]認(rèn)為白層組織的成因主要有兩類:大軸重機(jī)車擦傷形成的白層組織,厚度較大(大于0.5 mm),更易發(fā)展為剝離掉塊;動(dòng)車組啟動(dòng)或制動(dòng)擦傷產(chǎn)生的白層組織,厚度較?。ㄐ∮?.2 mm),更易發(fā)展為隱傷。為深入研究鋼軌擦傷的特征,本文通過(guò)對(duì)9 條高速鐵路線路實(shí)地調(diào)研和2019—2021年的鋼軌擦傷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分析,對(duì)高速鐵路鋼軌擦傷的形貌特征和分布特征進(jìn)行研究。

1 鋼軌擦傷形貌特征

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了多條高速鐵路,根據(jù)鋼軌擦傷形貌特征,可分為車輪空轉(zhuǎn)擦傷和車輪滑行擦傷兩類。

1.1 車輪空轉(zhuǎn)擦傷

車輛啟動(dòng)或運(yùn)行時(shí),牽引力不足會(huì)導(dǎo)致車輪產(chǎn)生空轉(zhuǎn),進(jìn)而造成鋼軌踏面局部的橢圓形擦傷,見圖1。擦傷較為嚴(yán)重時(shí),局部踏面呈凹陷狀,在擦傷邊緣處形成堆高;擦傷較為輕微時(shí),會(huì)在鋼軌表面形成白層組;部分白層組織會(huì)在車輪的循環(huán)加載下發(fā)展形成剝離掉塊?,F(xiàn)場(chǎng)的車輪空轉(zhuǎn)擦傷長(zhǎng)度為20 ~ 40 mm,深度為0 ~ 2 mm,硬度為520 ~ 600 HB,均高于鄰近母材,發(fā)生在上坡牽引區(qū)段,為機(jī)車擦傷。

1.2 車輪滑行擦傷

車輛制動(dòng)或行駛過(guò)程中,車輪滑行會(huì)造成鋼軌踏面產(chǎn)生長(zhǎng)條形或橢圓白層組織,見圖2?,F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的擦傷深度較淺,鋼軌表面無(wú)明顯塑性變形,長(zhǎng)條形擦傷長(zhǎng)0.15 ~ 1.00 m,橢圓形擦傷長(zhǎng)20 ~ 40 mm,硬度為395 ~ 600 HB,均高于鄰近母材,發(fā)生在下坡制動(dòng)區(qū)段。其中一條坡度為25‰(行車方向下坡)的高速線路在換軌后仍出現(xiàn)了長(zhǎng)條形擦傷,可以初步確定動(dòng)車組在制動(dòng)滑行時(shí)會(huì)造成鋼軌擦傷。

圖2 車輪滑行擦傷的宏觀形貌

2 鋼軌擦傷分布特征

統(tǒng)計(jì)9 條高速鐵路線路鋼軌擦傷情況,結(jié)合牽引制動(dòng)狀態(tài),從單雙股、平縱斷面(坡度和線形)、下部基礎(chǔ)、車輛類型等方面研究鋼軌擦傷分布特征。線路總長(zhǎng)3 398 km,其中長(zhǎng)大坡道較多,坡度大于14‰的區(qū)段(包括上坡和下坡)占16.21%,鋼軌擦傷共682 處。發(fā)生鋼軌擦傷的直線和曲線,路基、橋梁和隧道以及不同坡度的里程長(zhǎng)度不同。為消除里程長(zhǎng)度對(duì)不同區(qū)段鋼軌擦傷出現(xiàn)概率的影響,按C=N/D進(jìn)行歸一化處理。其中:C為單位里程鋼軌擦傷數(shù)量;N為某區(qū)段的鋼軌擦傷數(shù)量;D為對(duì)應(yīng)區(qū)段的里程長(zhǎng)度。

2.1 單雙股

理想情況下,鋼軌擦傷為雙股對(duì)稱分布。但是,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),單股分布較多,占71.07%;雙股對(duì)稱分布較少,占28.93%。

2.2 坡度

為明確坡度對(duì)鋼軌擦傷形成的影響,將坡度分為9個(gè)等級(jí),分別為小于-14‰、[-14‰,-10‰)、[-10‰,-6‰)、[-6‰,-2‰)、[-2‰,2‰]、(2‰,6‰]、(6‰,10‰]、(10‰,14‰]和大于14‰,其中負(fù)坡度表示在列車運(yùn)行方向下坡。對(duì)9條線路不同坡度等級(jí)的鋼軌擦傷數(shù)量和里程長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),計(jì)算每條線路不同坡度等級(jí)的單位里程鋼軌擦傷數(shù)量,見圖3。

圖3 不同坡度等級(jí)的鋼軌擦傷數(shù)量和里程長(zhǎng)度分布

由圖3可知:①坡度在-6‰ ~ 6‰的鋼軌擦傷里程較長(zhǎng),但是坡度小于-14‰和大于14‰時(shí)單位里程鋼軌擦傷數(shù)量較大,占45.42%,這表明大坡度會(huì)促進(jìn)鋼軌擦傷的產(chǎn)生。②坡度-2‰ ~ 2‰的單位里程鋼軌擦傷數(shù)量也較大。調(diào)研發(fā)現(xiàn)車站中心前后1 km 內(nèi)的坡度主要分布在-1‰ ~ 1‰,因此對(duì)坡度-2‰ ~ 2‰的鋼軌擦傷數(shù)量進(jìn)行再統(tǒng)計(jì),規(guī)定車站中心前后1 km 內(nèi)為靠近車站,1 km 外為遠(yuǎn)離車站。結(jié)果表明,有76.92%的鋼軌擦傷出現(xiàn)在靠近車站區(qū)域,可見進(jìn)出站啟動(dòng)制動(dòng)頻繁的區(qū)域出現(xiàn)鋼軌擦傷的概率更高。

2.3 線形

由于坡度因素影響較大,對(duì)于直線、曲線區(qū)段鋼軌擦傷的分析要綜合考慮坡度和線形的影響。對(duì)9個(gè)坡度等級(jí)中直線、曲線區(qū)段的鋼軌擦傷數(shù)量和里程長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見圖4??芍翰煌露鹊燃?jí)下直線區(qū)段的鋼軌擦傷里程長(zhǎng)度均大于曲線區(qū)段,但整體上曲線區(qū)段的單位里程鋼軌擦傷數(shù)量大于直線區(qū)段,占總擦傷數(shù)量的62.72%,可見曲線區(qū)段比直線區(qū)段更易產(chǎn)生鋼軌擦傷;坡度小于-14‰和大于14‰時(shí),曲線區(qū)段鋼軌擦傷數(shù)量較為突出,可見大坡度上下坡的曲線區(qū)段更容易產(chǎn)生鋼軌擦傷。

圖4 不同坡度等級(jí)的直線和曲線區(qū)段鋼軌擦傷分布

2.4 下部基礎(chǔ)

對(duì)路基、橋梁和隧道地段鋼軌擦傷數(shù)量和里程長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見圖5??芍郝坊?、橋梁和隧道的鋼軌擦傷里程長(zhǎng)度較為接近,隧道單位里程鋼軌擦傷數(shù)量多于路基和橋梁,路基、橋梁和隧道地段分別占總擦傷數(shù)量的28.20%、29.54%和42.26%。

對(duì)9 個(gè)坡度等級(jí)的路基、橋梁和隧道地段單位里程鋼軌擦傷數(shù)量和里程長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見圖6??芍捍笃露群涂拷囌緟^(qū)段單位里程鋼軌擦傷較多,可見坡度和進(jìn)出站啟動(dòng)制動(dòng)對(duì)擦傷的影響較大;路基、橋梁和隧道的里程長(zhǎng)度接近,其中隧道處單位里程鋼軌擦傷數(shù)量較大,但無(wú)明顯對(duì)應(yīng)規(guī)律,可知下部基礎(chǔ)對(duì)鋼軌擦傷的影響較小。

2.5 車輛類型

一高速鐵路區(qū)段的鋼軌擦傷分布見圖7。可知:鋼軌擦傷呈雙股對(duì)稱分布,以3個(gè)擦傷為一組,組內(nèi)擦傷間距為1.8 m,兩組擦傷中間位置的間距為12 m。該區(qū)段位于隧道內(nèi),線路坡度為18‰,行車方向?yàn)橄缕拢矫婢€形為直線,鋪設(shè)有砟軌道。該線路運(yùn)行的機(jī)車和動(dòng)車的主要類型和參數(shù)見表1。

表1 一高速鐵路線路運(yùn)行車輛參數(shù)

圖7 一高速鐵路區(qū)段的鋼軌擦傷分布

由表1 可知:DF4D轉(zhuǎn)向架軸距為(1.8 + 1.8)m,且轉(zhuǎn)向架中心距為12 m,和線路實(shí)測(cè)的鋼軌擦傷間距最相近。結(jié)合調(diào)研信息,分析此處為車輪滑行擦傷,是由DF4D機(jī)車牽引卸砟作業(yè)過(guò)程中制動(dòng)滑行產(chǎn)生的。

3 結(jié)論

1)鋼軌擦傷可分為車輪空轉(zhuǎn)擦傷和車輪滑行擦傷。車輪空轉(zhuǎn)擦傷會(huì)在機(jī)車啟動(dòng)和上坡牽引過(guò)程中產(chǎn)生,并在鋼軌表面形成白層組織,繼而引發(fā)剝離掉塊或者橫向裂紋,嚴(yán)重時(shí)可瞬時(shí)在鋼軌表面產(chǎn)生凹陷。車輪滑行擦傷在機(jī)車或動(dòng)車組制動(dòng)或行駛過(guò)程中產(chǎn)生,并在鋼軌表面形成橢圓形或者長(zhǎng)條形白層組織。

2)現(xiàn)場(chǎng)單股鋼軌擦傷占總擦傷數(shù)量的71.07%;大坡度區(qū)段產(chǎn)生鋼軌擦傷的概率高于小坡度區(qū)段,在坡度大于14‰時(shí)單位里程鋼軌擦傷數(shù)量占45.42%;曲線區(qū)段產(chǎn)生鋼軌擦傷的概率高于直線區(qū)段,曲線區(qū)段單位里程鋼軌擦傷數(shù)量占62.72%;進(jìn)出站頻繁啟停會(huì)增加產(chǎn)生鋼軌擦傷的概率,在坡度等級(jí)為-2‰ ~2‰時(shí),76.92%的鋼軌擦傷出現(xiàn)在進(jìn)出站前后1 km區(qū)域;下部基礎(chǔ)對(duì)鋼軌擦傷的產(chǎn)生影響較小。

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