重载钢轨范文

2024-06-01

重载钢轨范文（精选5篇）

重载钢轨第1篇

朔黄重载铁路2000年5月份新建开通时铺设断面为60kg/m, 长度为25m的普通钢轨 (U71Mn) , 有缝线路, Ⅱ型钢筋混凝土轨枕, 配置1840根/km, I型弹条扣件, 桥隧地段为I级道碴, 其余为Ⅱ级道碴。最大限制坡度重车方向+4‰, 空车方向+12‰, 最小曲线半径400m。

前期全线铺设强度等级为880Mpa级的普通热扎钢轨, 耐磨性能较差, 半径600m及以下小半径曲线上钢轨侧磨速度快, 是控钢轨使用寿命的关健, 后在部份小半径曲线上使用了等级为980Mpa级的微合金热扎钢轨 (PD3和BNDRE) 侧磨速率稍有延长, 但大部份U71Mn钢轨仍然侧磨严重, 同时核伤、螺栓孔裂纹、轨端裂纹掉块大量出现, 钢轨伤损和失效急剧增加。为满足重载运输的需要, 确保运输的畅通, 延长设备的使用寿命, 开始在上行线K1+540~K256+034段更换为75kg/m钢轨跨区间及区间无缝线路。同时在R-800m及以下曲线使用了强度等级为1180Mpa级的全长淬火轨。

随着运量及运输密度的增加, 朔黄上行线运营半年的时间发现小曲线地段下股钢轨踏面表层出现鱼鳞状裂纹纹路, 个别地段出现轻微的鱼鳞状剥落掉块。虽然采取了一些措施, 比如一方面对焊缝及剥落掉块处所采取小型打磨机进行打磨, 同时对曲线地段的钢轨加强观测、检查。但是不到3个月的时间发现30个曲线共4.571km钢轨出现大范围的剥落掉块, 个别曲线上股也出现剥落掉块。据统计分析统计, 发生以上病害的地段基本上在半径R≤800m的园曲线和接近圆缓点处的缓和曲线上, 未发生掉块的地段的曲线钢轨下股钢轨踏面表层出现鱼鳞状裂纹纹路也十分明显, 并有个别的长2~10mm, 宽2~5mm, 深1~2mm的掉块。

针对上述现象, 课题组成员进行了现场的踏勘, 然后结合国内外的经验, 对各试验段进行了相关的试验检测, 收集相关信息, 在统计试验数据, 以及总结试验结果基础上, 结合现场的试处理结果, 对山区重载铁路小半径曲线的无缝线路使用过程中养护和处理得出了一些措施。从而重载货运铁路专用无缝线路的养护与维修给出安全经济的意见。

试验数据统计 (见表1)

总结

通过对试验段进行上述几项试验研究, 给出的这些方法, 我们可以看到, 虽然通过换轨可以大幅度提高轨道过重, 其实就是延长使用寿命, 但是从经济上来讲是不合适的;而预防性打磨要比修理性打磨的效果要好, 这种方法降低了运营的成本, 提高了企业效益。其它方法如调整超高、加宽轨距、涂油等措施, 对钢轨的磨耗并未很大改善。

重载铁路小半径曲线钢轨磨耗分析第2篇

1 曲线长轨条更换现状

自2006年大准线铺设无缝线路以来, 全线共有60条曲线由于钢轨磨耗严重进行了更换, 其中有59条是半径R≤600m曲线, 占更换总数的98.3%;占全线小半径曲线 (全线半径R≤600m曲线共87条) 总数的67.8%。其中, 有4条曲线已进行两次更换, 分别是K19+487—K20+097, 半径500m, K24+370—K25+342, 半径500m, K25+875—K26+634, 半径400m, K78+790—K79+711, 半径400m。

2 大准线曲线钢轨磨耗情况分析

曲线钢轨磨耗是不可避免的, 结合实际情况分别从以下几个方面对钢轨磨耗作出分析。

2.1 曲线钢轨磨耗客观原因

曲线是轨道结构强度中的薄弱环节, 当列车运行进入曲线后, 车体受机车牵引, 随着贯性向前运行, 轨道迫使车辆转弯, 这样必然行成车轮冲击轨道, 造成轨道变形, 车轮和钢轨同时受到磨耗, 当离心力和向心力不平衡时, 更加剧钢轨的磨耗, 导致曲线上股内侧圆弧段至顶面1/3处连续性鱼鳞剥落掉块, 下股踏面中部连续麻点, 并且发展扩大。随着磨耗的日益加重, 当钢轨状态不能满足列车运行要求时, 则必须对曲线钢轨进行更换。工务段对小半径曲线共先后更换63次, 其中有62次是更换的曲线上股, 再次证明了曲线上股是钢轨最易磨耗的部位。

2.2 大准线曲线钢轨更换时间

在更换过得59条小半径曲线中, 其中2008年共更换16条, 春季更换3条, 秋季更换13条;2009年更换32条, 春季更换16条, 秋季更换15条 (有1条是第二次更换) ;2010年更换15条, 春季更换12条, 夏季更换3条 (有3条是第二次更换) 。从以上数据可以看出, 随着设备使用时间的增加, 必然会造成钢轨磨耗的加剧, 从而加快了更换钢轨的频率。

2.3 大准线线路通过总重

经过对大准线各个区间的线路通过总重做详细分析, 可以得出更换曲线钢轨时线路的通过总重达到15000万吨以上。但并不是所有的达到15000万吨通过总重的曲线就必须更换, 在本次研究的76曲线中, 有14条曲线线路的通过总重达到30000万吨以上而没有进行更换, 占未更换曲线总数的82.4%。另外, 进行二次更换的4条曲线其前后两次更换之间的通过总重最小的为9000万吨, 最大的为14000万吨。因此可以得出, 通过总重的大小并不是决定曲线钢轨更换的主要因素。

2.4 大准线线路坡度状况、重车速度及制动情况

通过对所有的76条曲线按照区间进行分析, 我们可以得出:丹燕间的16条小半径曲线全部进行过更换, 占总数的100%;九丹间的8条曲线全部进行过更换, 占总数的100%;二九间的19条曲线, 16条进行过更换, 占总数的84.21%;龙二间的27条曲线, 其中更换过11条, 占总数的40.74%;唐龙间的6条曲线, 更换过3条, 占总数的50%。其中进行二次更换的4条曲线有3条在丹燕间, 1条在九丹间。另外, 各区间重车平均速度见下表:

通过对大准线线路通过总重、重车车速和制动情况做的详细统计, 结合相关资料分析, 得出如下结论:

1) 小半径曲线钢轨磨耗的形式

小半径曲线钢轨磨耗, 其主要表现是波磨、垂磨和侧磨三种形式。

垂直磨耗一般情况下是正常的, 它是随着轴重和通过总重的增加而增大。轨道几何形位设置不当, 就会使垂直磨耗速率加快, 这是要防止的, 垂直磨耗可通过调整轨道几何尺寸解决。

侧面磨耗发生在小半径曲线的外股钢轨上, 是曲线上伤损的主要类型之一。列车在曲线上运行时, 轮对与轨道的磨擦与滑动是造成外轨侧磨的根本原因。

波浪形磨耗是指钢轨顶面上出现的波浪状不均匀磨耗, 实质上是波浪形压溃。波磨主要出现在重载运输线上, 尤其是运煤运矿线上特别严重。当列车速度较高时, 波磨主要出现在长大坡道和制动地段, 在车速较低的重载运输线上主要发生波浪磨耗, 且一般出现在小半径曲线地段。

大准线小半径曲线的磨耗也同样是以上3种形式, 其中垂直磨耗和侧面磨耗是所有铁路线路小半径曲线上共同存在的问题, 也是非常正常的, 下面主要针对大准线小半径曲线的波浪磨耗做进一步分析。

2) 大准线各区间小半径曲线钢轨更换频率不同原因分析

结合大准线小半径曲线更换实际状况可知, 二道河至燕庄之间更换曲线的数量和频率要远大于唐公塔至二道河区间。现在对各个区间逐一其进行分析:

唐公塔至龙王渠和丹洲营至燕庄这两段是连续的下坡, 但丹燕间更换曲线的频率远大于唐龙间。分析相关数据得出, 丹燕间的列车平均速度为61.39km/h, 又是连续下坡, 列车经常制动可能是造成曲线磨耗的主要原因。唐公塔至龙王渠虽然同样是连续下坡, 但在唐龙间列车平均速度仅为49.33km/h, 可能不需要经常进行制动, 另外唐龙间的通过总重仅为17000吨, 是各个区间最小的, 所以其更换的曲线频率也最小。

龙二间、二九间和九丹间的列车均不需要经常制动, 且通过总重是龙二间最大, 二九间次之, 九丹间最小, 但是二九间和九丹间更换曲线的频率要大于龙二间, 这可能与重车车速的不同有关系。因为有资料显示, 波磨耗主要发生在重载铁路上车速较低的曲线地段。二九间和九丹间的重车平均速度分别为56.20km/h和59.28km/h, 其略低于龙二间的重车平均速度63.50km/h, 这可能是造成二九间和九丹间更换曲线频率略高于龙二间的主要原因。

当然, 上述相关结论只是结合通过总重、重车车速和制动情况做的简单分析, 是大准线小半径曲线钢轨磨耗原因的很小一部分。引起钢轨磨耗原因很多, 特别是影响钢轨波磨发生发展的因素更多, 可能涉及到钢轨材质、线路及机车辆条件等多个方面。世界各国都在对钢轨波形磨耗成因进行理论研究。目前, 关于波磨成因的理论有数十种, 大致可分为两类:动力类成因理论和非动力类成因理论。总的来说, 动力作用是钢轨波磨形成的外因, 钢轨材质性能是波磨的内因。事实上单靠某一方面的分析来概括钢轨波磨的所有成因是相当困难的, 而必须把车辆和轨道作为一个系统, 研究多种振动形成, 从整体上进行多方面、多学科的研究, 才能把握波磨成因的全貌。

3 缓减小半径曲线磨耗的措施

3.1 全面改善轨道弹性

通过全面清筛道床, 采用热塑性弹性体新垫板等方式来彻底改善轨道弹性, 合理调正线线路参数, 减少15%的曲线超高量、轨距控制在0mm~-2mm、曲线下股轨底坡调成1/20等方法减少轮对轨道的冲击, 改善轮轨接触。从而减少小半径曲线的钢轨侧磨与接头病害。

3.2 合理设置曲线超高

针对丹-燕间坡度大、小半径曲线集中, 行车速度又比较较大, 通过实测不同种类列车的速度, 结合列车的牵引质量来重新计算曲线超高, 并对未被平衡超高进行检算, 保证其在最佳范围内。

3.3 全面调整轨道几何尺寸, 提高曲线圆顺性

曲线不圆顺就意味着曲线半径不一致, 有的处所半径大, 有的处所半径小。半径较小处所钢轨磨耗严重, 大半径曲线钢轨磨耗较轻, 形成不均匀的侧面磨耗。因此, 合理的修正曲线要素, 使曲线圆顺及整治接头是防止不均匀磨耗的有效措施。为此, 建议在小半径曲线外侧打桩, 这些桩按“固定桩”设置, 用计算机把各曲线桩点拨量算出, 以后维修时就“按桩拨道”即可, 不需再进行重复计算。不仅简化了维修曲线的程序, 而且保障了曲线的圆顺度。

3.4 更换耐磨轨

在小半径曲线采用PG4钢轨可以起到耐磨、抗压溃和抗塑性变形的作用, 延缓剥离裂纹的产生。减缓或防止接触疲劳伤损的有效措施是采用强度高的耐磨钢轨和淬火钢轨。目前大准线有15条R≤600m的小半径曲线上股已更换为PG4耐磨轨, 自更换以来, 平均通过总重已达到2.76亿吨, 15条长轨条现仍在使用, 且伤损较少, 而相对于普通U75钢轨, 平均更换周期仅为2.3亿吨。

3.5 合理进行钢轨预防性和修理性打磨

新铺设钢轨表面均有脱碳层, 其强度明显低于母材, 易于产生塑性变形, 进而产生剥离裂纹和剥离掉块。如对新铺设的钢轨进行预防性打磨, 消除脱碳层, 也可以减缓或防止曲线下股钢轨踏面压溃、剥离裂纹和浅层状剥离掉块伤损的出现。对于已产生剥离裂纹的钢轨进行校正性打磨, 阻止裂纹向深度方向扩展, 也可以延缓剥离裂纹伤损的产生和发展。钢轨打磨主要作用是用来消除钢轨的波形磨耗以及接触疲劳等因素对钢轨寿命的负面影响。经过大量的理论研究和现场实践, 都证明了这种措施的实用性和可靠性。大准铁路在2011年对磨耗较为严重的122.9km线路进行大型钢轨打磨车对钢轨进行预防性和修理性打磨, 可以有效减少钢轨的更换频次, 减少对运输干扰, 提高生产效率, 有效地改善了钢轨磨耗现状。

4 结论

本文通过对大准线小半径曲线轨道受力情况进行分析, 对小半径曲线地段钢轨磨耗的原因进行仔细研究, 有针对性的从改善轨道弹性等五方面提出了缓解小半径曲线地段钢轨磨耗的措施, 通过这些措施, 大准线小半径曲线地段钢轨的磨耗已经得到了有效的控制。文中提到的一些作法对其他铁路也有一定的借鉴意义。

摘要：本文通过对大准线曲线钢轨磨耗客观原因进行分析, 结合具体情况, 提出了重载铁路减少小半径曲线地段钢轨磨耗的一些具体办法。

关键词：大准铁路,小半径曲线,磨耗

参考文献

[1]张进孝.集通线减少曲线地段钢轨磨耗分析[J].内蒙古科技与经济, 2009 (14) .

[2]陆化平.铁路小半径曲线日常维修遇到的病害及整治措施探讨[J].科技情报与经济, 2010 (20) .

重载铁路钢轨的伤损及预防对策研究第3篇

关键词：重载铁路,钢轨损伤,对策研究

0前言

随着我国经济的发展, 从2003年开始列车的载重量从先前的6 000和10 000 t增长到20 000 t, 以京包线为例, 在2008~2013年, 五年期间运载量不断的上升, 京包线是煤炭运输重载列车经过的密集区, 因此, 总的运载量连年攀升, 依次为440、560、580、650、667 Mt, 每节车厢的轴重一般在25 t左右。在万吨重载铁路开通运营过程中, 运量大幅的提升, 由于其自身的重压作用、使用环境的外界因素, 外加上钢轨自身质量因素, 重载铁路必然会出现损伤, 根据实地调研的结果。钢轨损伤的主要类型有擦伤、侧磨、压溃、断裂、剥离掉块、裂纹等。出现以上损伤状况并达到一定的损伤状态, 在重载列车行驶中不仅会存在安全隐患, 还会导致钢轨寿命的大幅降低。因此, 当前加强重载铁路钢轨的维护工作, 提高钢轨的抗损伤的能力, 保证铁路运输维护成本的经济性, 是现代铁路养护领域重点研究的课题。

1 重载铁路钢轨损伤的类型

在以上的调查中, 已经讲述了当前重载铁路轨道损伤的主要类型, 主要其根本的因素都是严重的钢轨磨损和塑性形变, 也与钢轨路段列车的动力作用有关。这里对重载铁路主要的损伤类型 (顶部擦伤、侧向磨损、压溃、压裂、剥离掉块、波磨) 进行分析。

1.1 顶部擦伤

实际调查中钢轨顶面擦伤的状态, 造成的原因主要是紧急制动和加速牵引的过程, 在我国的重载钢轨中都有不同程度的擦伤, 随着钢轨户外使用时间的加长, 必然会存在腐蚀和磨损的情况, 因此, 当重载列车在加速过程中难免会出现局部的打滑, 造成钢轨顶面擦伤。在重载列车紧急制动过程中, 往往会出现车轮抱死的状态, 也就是轮胎不能滑动, 滚动摩擦瞬间变成滑动摩擦, 造成车轮与钢轨之间的剧烈摩擦, 瞬间会产生600~1 400℃的高温, 严重时, 不仅会产生严重的塑性变形。如图1所示, 列车在加速或者起步时, 车轮在钢轨的附着力不够大, 会产生打滑的现象, 与滑动摩擦产生高温相似, 在重载下都会产生局部的高温, 会使钢轨接触面温度超过保护层的临界温度, 钢轨会产生严重的软化, 这个过程结束以后, 接触表面的温度迅速下降, 钢轨会产生金属组织相变, 伴随着残余应力、材料热疲劳等等, 严重影响铁路钢轨的质量。

(如:列车起步或者加速牵引过程)

1.2 侧向磨损

若列车轮与钢轨始终保持在同一条直线上, 那么不会出现侧磨现象。但是经过列车在实际的运行中不可能保持理想的直线运动, 在运行过程中由于钢轨铺设平整度、对称度、偏坡等因素的存在, 会出现偏轮现象, 同时在接触点上 (相关研究中也用接触角表示) 高强度的触碰式摩擦, 首先钢轨在实际设计中允许有一定平面的摩擦, 起到的是导向作用, 使列车在轨道上行进并保持不脱离轨道, 但是在多种影响因素的干扰下, 列车轮运动的方向与铁路钢轨的走向形成了冲击角 (α) , 也就是说导向力的作用方向不能垂直于列车的行进方向, 导向力作用面显著减小, 产生巨大的应力, 是侧磨现象的主要原因。当应力超过钢轨的屈服极限, 产生接触面的应力变形, 是强烈的塑性变形, 对铁轨的直线度有较大的影响, 若不及时进行保养维护, 在后期列车通过时会产生车轮导向槽边缘与钢轨表面产生粘着作用, 进而导致轮廓的侧面滑动。

1.3 压溃

重载铁路钢轨的压溃破坏主要发生在内轨距角处, 也发生在钢轨的外侧。根据是实地调查显示, 内轨距角压溃破坏主要是下股钢轨, 通过对轨道断面的检测分析, 一般呈现出来的是蘑菇状, 出现压溃的主要原因有两个, 一个是钢轨使用钢材的强度问题, 另一个是轨道曲线超高设计不合理。材料的强度问题可以通过更换钢轨实现, 但是轨道曲线超高, 也就是下股钢轨铺设施工或者设计时, 底坡角度不合理, 导致列车通过该段钢轨是对下股轨道顶部的应力过大, 过大的应力是导致钢轨的塑性变形并呈现出压溃现象。

1.4 剥离掉块

钢轨要求有较大的抗形变的能力, 那么需要使用刚度加大的钢材, 从材料学分析, 碳素钢的刚度增大, 对应的塑性变小, 脆性增强, 因此, 钢轨在列车车轮的反复冲击应力的作用下, 会出现剥离掉块现象, 主要发生钢轨焊接处, 距缝一般在60~140 mm, 钢轨裂纹如图2所示。列车车轮的冲击载荷受到列车自重和牵引方式的影响, 我国现代列车的载货重量都在万吨以上, 相对的钢轨要承载的冲击载荷很高, 列车车轮对钢轨的冲击载荷如图3所示。因此钢轨剥离掉块受到材料和周期冲击载荷的作用, 不可能完全的消除。

1.5 断裂

重载铁路钢轨出现压裂现象主要是由于疲劳裂纹引起的, 在产生钢轨疲劳裂纹时, 不能进行及时排查并维护, 救护产生钢轨压裂现象, 严重的影响行车安全。在顶部摩擦现象与压裂也有关系, 在进行顶部摩擦分析时, 讲到摩擦热导致钢轨材料的金属相变, 导致马氏体增多, 通过材料力学分析可以得知, 马氏体对周期性载荷的抗性不稳定, 呈现出一定的脆性, 因此, 在高强度的冲击载荷的作用下, 极大地增强了压裂情况的发生。除此之外, 钢轨自身钢材用料的缺陷也是导致钢轨断裂的原因之一, 如钢轨铸造中产生气孔、钢轨内部出现杂质、温度控制不均导致马氏体的存在、焊接裂纹等等。

1.6 长短波磨损

轨枕的间隔支撑使钢轨的支撑刚度并不均衡, 并呈现出周期性, 在短期内长短波磨损不会呈现出来, 但是随着重载列车通过次数的增加, 会逐渐的显现周期性的波形磨损。如图4~5所示, 分别为钢轨短波长波浪形磨损和长波波浪形磨损。根据列车车轮作波动运动对钢轨磨磨损的影响的分析, 可以看出列车轮作蛇形运动, 假设波长为λ, 车体相对于轨道中心线的最大偏移量为y, 轨道的顶部为波磨光带, 但是由于蛇形运动的必然会产生车轮周期性与钢轨内侧和外侧接触, 但是接触面的切线与导向力方向并不平行, 出现一定的接触角, 会产生严重的周期性磨损, 也就是长短波磨损, 严重的会出现钢轨的塑性变形。

2 重载铁路轨道损伤预防对策

根据对以上轨道损伤现象的研究, 典型的损害形式就是以上六种, 对其发生原因分析可以得知, 重载铁路轨道随时损伤出现和扩展过程与列车车轮的周期性载荷有密切的联系, 其次与钢轨的钢材用料、轨道的润滑保护等因素有关, 因此, 重载铁路轨道损伤预防及其应对措施都从这几个方面进行。提出有效防御轨道损坏或者减缓破坏的现象, 延长钢轨的维护周期和使用寿命。

2.1 采用重型可动心轨道岔

当前很多可动心轨道岔延续了之前钢轨的设计, 因此, 随着我国重载列车载重量的提升, 有的钢轨路段已经通行20 000 t的重载列车, 对道岔区的应力作用显著的增大, 因此, 在此区域的磨损严重, 采用重型号的可动心轨道岔是分散重载列车载荷作用的有效方法, 能显著地降低动力作用, 延长轨道的使用周期。

2.2 采用高强度钢轨, 增强应力抗性

提高钢轨强度可以通过改善两方面的参数实现, 一是增大钢轨的截面积, 二是提高原材料的强度。在实地研究中京包线前期全线铺设强度等级为880 MPa级的普通热轧钢轨, 在后期的改进中逐渐铺设了强度等级为1 200 MPa的U75V全长离线热处理钢轨, 显著地提高了应力抗性, 改善了侧磨状况。

2.3 采用弹性轨枕垫板

现代铁路钢轨都是铺设在轨枕上, 轨枕是以一定的间距分布的, 因此, 必定会导致钢轨支撑刚度的不均衡, 在一定程度上表现出的是周期性震动, 周期与列车的运动速度有鲜明的关系, 像现代普快列车的震动和摇摆的幅度显著的比高铁要大, 除了现代科技对动车组的改进因素, 还有就是长短波磨损的影响。采用热塑性弹性轨枕垫板, 其结构稳定, 能够有效的实现。

2.4 合理设计钢轨底坡

当前的铁路钢轨具有通用性, 不同时速和质量的列车对钢轨底坡的适应性都不相同, 因此, 要合理设计钢轨底坡, 避免出现车轮对下股钢轨顶部应力过大的情况。钢轨底坡稳定性控制技术从宏观上可以分为战略控制和战术控制两种。战略控制属于安全工程的一部分, 在铁路钢轨开发建设中采取的主动防御的建筑策略, 保是一项预防性措施, 在现在的铁路钢轨的基础设施设计中, 一般将其纳入基础设计的一部分。适当调整内外轨底坡, 适当减小轨距, 加密小半径曲线地段的轨枕根数, 改善曲线的内在质量及稳定性, 保证重载列车通过的稳定性与流畅性。

2.5 优化焊接工艺

轨道连接处是钢轨最容易出现损伤的地方, 是铁路钢轨维护的重要点也是薄弱点, 因此, 通过优化焊接工艺, 提高钢轨连接的焊接质量, 是预防重载铁轨钢轨损伤的关键措施。例如:对焊接接头进行焊接后的热处理, 正面端面采用正火处理, 轨道的顶面采用淬火处理, 提高焊接头的致密性、防腐性、刚度和硬度。其次就是利用闪光焊等移动式的焊接技术, 实现钢轨铺设的无缝焊接, 提高重载铁路钢轨的整体性和平整性, 实现无缝化处理。

2.6 采用Ⅰ级道砟, 保证砟肩宽度

道砟是重载铁路伤损中最容易受到破坏的环节, 在钢轨的日常维护工作中有很大的比重在道砟上, 因此, 只有加强道砟的改进, 才能从整体上提高铁路轨道的维护质量。采用高质量的道砟材料, 并采用Ⅰ级道砟, 保证砟肩宽度, 提高道床阻力, 是加强重载轨道整体结构的重要途径, 在维护过程中也要及时对缺少道砟的路段进行补充。

参考文献

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[3]马骥.重载铁路小半径曲线钢轨磨耗初探[J].内蒙古科技与经济, 2009, 13 (20) :112-113.

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重载钢轨第4篇

从矿区到海港至少有2条铁路运输走廊,分别是从库兹涅茨克盆地到日本海东海岸的纳霍德卡港(5 938 km),以及从库兹涅茨克盆地到波罗的海的圣彼得堡(4 250 km)。这2条运输走廊的运输潜能已接近饱和。提高单元列车和组合列车的牵引质量和长度是解决这些铁路线运输能力问题的根本途径。

在这些线路上运行重载长大列车需要满足以下条件:

运行距离长(4 000 km～6 000 km);

坡度大(4‰～11‰)、弯道小(最小曲线半径为190 m);

区域环境温度变化范围-50 ℃～25 ℃;

车辆轴重为25 t;

运能大约为80 MGT/年;

列车牵引吨位为6 000 t、9 000 t和12 000 t。

除此之外,在上述线路上运行的单元列车和组合列车还具有以下特征:

(1) 客、货车混合运行;

(2) 同一车辆既可用于重载运输,也可用于传统货物运输;

(3) 机车、货车和客车的车轮踏面外形既可能是新造的,也可能是旋修过的。

众所周知,车轮外形和钢轨外形是影响重载运输设备使用寿命和运行安全性的重要因素[1,2,3]。

然而,由于前面提到的俄罗斯铁路重载运输的特殊性,实施有效的车轮踏面和钢轨外形管理是非常困难的。

在现有条件下解决轮轨外形选型和管理问题需要采取特殊措施。

2轮轨外形的计算和优化问题

2.1一些定义

关于车轮和钢轨外形评估要涉及到一些参数,这些参数可以是局部参数,也可以是全局参数。局部参数和轮轨接触面积有关,例如最大接触压力。当计算具有代表性钢轨断面上的车辆-轨道相互作用指标时,就要使用全局参数来表示,如车轮和钢轨的总磨耗情况或者是其他的安全性指标。全局参数还可以用于描述车轮和钢轨的寿命。

如果所有参数均在可接受的范围内,则认为轮轨外形是相互匹配的。如果某一参数达到极大值,则认为轮轨外形是最佳的,例如:某种轮轨外形使轮轨磨损率降到最小,并且脱轨系数、蛇行运动稳定性、轮轨接触应力均在限度值范围内。

2.2轮轨外形优化问题

为专用重载线路选取轮轨外形时,或者基于测量磨耗后的车轮形状设计车轮外形时,后续的车辆运动稳定性计算、轮轨接触应力分布和磨损率估算都间接地反映出线路条件对车轮外形的影响。

更为困难的是解决在重载运输线路的某一段范围内客、货混合运输的问题,这是因为这些线路通过存在不同气候条件和地形条件的地区,更为复杂的是在同一站段机车、货车和客车使用不同的初始车轮外形,以及修理后的不同车轮外形。除此之外,选择车轮外形时,应选用磨耗型外形,即在列车运行过程中形成的车轮外形,这些问题都是确定重载运输合理轮轨外形所面临的。

接下来的任务是使车轮外形达到最优以及最优化对应的算法,这就要使车轮外形描述参数化,以使最优车轮外形落在描述参数范围内。当选择客、货混合运输线路的车轮外形和选择重载运输线路车轮外形时,应注意:

(1)车轮外形影响轨道外形,需要将车轮和轨道作为一个系统进行研究,包括实际运用中的各种车型的车轮外形、轨底坡、轨距、曲线超高和车辆动力学性能。

(2)轮轨外形的确定是一个典型的多目标优化问题,因为车轮外形要保证车辆具有最低的脱轨危险性、较高的车辆蛇行运动稳定性、有限的磨耗率和接触应力以及滚动阻力等。

2.3有代表性的轮轨外形

轮轨外形好坏应当借助于轮轨使用寿命内的磨耗及塑性变形加以评价。

利用模拟方法,在给定曲线半径的线路上,设置一组车轮外形来模拟从最初使用到达到磨耗限度时的轮轨形状变化过程,涵盖运用中可能出现的各种情况,这组车轮外形就被称为有代表性的车轮外形。接下来讨论如何获得多组有代表性的轨道外形。在钢轨使用寿命内,依据通过吨位来划分时间间隔,记录下来每一个时间间隔的平均外形。最终,有代表性的钢轨外形是在给定吨位下,将整个区间上的钢轨外形概率密度进行积分得出的,这样做就考虑了各种可能导致换轨的可能性,当然也包括接触疲劳因素导致的换轨。

有代表性的车轮外形可以采用同样的方法获得,不同之处是用车轮运行情况代替通过吨位,并且要考虑车型和车轴数目。

获得有代表性的轮轨外形的过程是一个迭代的过程,须借助于计算机仿真技术。

2.4外形特性标准

为了获得有代表性的轮轨外形,需要知道所研究的重载线路的有关参数、机车和车辆型号,以及它们占全部机车车辆的份额,然后进行迭代计算,得出有代表性的一组轮轨外形。下一步是找出外形参数的积分标准:轮轨的平均寿命和脱轨的概率。

车轮平均寿命(Lav)和钢轨平均寿命(Nav)可以表示为:

p(L)———运行L公里后,车轮外形的可能密度;

q(N)———在给定的钢轨断面上,通过N个车轮后轨道外形的可能密度;

Lcr———车轮达到运用限度对应的运行公里数;

Ncr———给定的钢轨断面上,使钢轨达到运用限度所通过的车轮数量。

车辆脱轨可能性的平均值(Λ)可以表示为:

式(3)中:

λ(f,φ)———当前脱轨的可能性,以每条轮对在单位距离上发生的脱轨数量来表示;

f,φ———车轮和钢轨外形的函数;f=f(L)φ=φ(N)。

对有代表性的轮轨外形,由于轮轨相互作用而生的磨损率,可以由以下公式表示:

式(4)和式(5)中:F(f,φ(N))、Υ(f(L),φ)是计算δf/dL、δφ/dN时,基于车轮外形参数f和钢轨外形参数φ的算子,这2个算子可以利用摩擦动力学模型得出。

2.5工作流程

工作流程如下:

(1)测量轮轨外形,选择将来要和计算数据进行对比的特性参数;

(2)在摩擦动力学模型中,考虑轮轨之间的相互磨耗;

(3)模型验证;

(4)对有代表性的轮轨外形进行仿真分析,并和基于轮轨外形选型标准(2.4节)所选出的轮轨外形进行对比,以验证其一致性。

下面简要介绍针对前两个步骤所开展的工作,以及试验阶段的有关试验结果。

2.6通过测量机车车轮外形找出基于既有轮轨外形的车轮外形

经过一定运行时间的车轮外形,反映了车轮在曲线段和直线段运行时的累积磨耗效应,测量在重载线路大量弯道上运行的机车车轮磨耗后的外形,通过定期旋修,便可找出磨耗后的车轮与初始车轮在外形方面的差异。

利用Greenwood Engineering公司的MiniProf系统测量车轮外形[5]。

以在2 000多公里长的线路上运行的电力机车为研究对象,该线路最大坡度为11‰,有大量的650 m和更小的半径曲线。这些机车都使用多次磨耗轮,在这条线路上,允许使用3种车轮踏面旋修外形(表1)。

机车运行一段时间以后,回到检修地点进行轮对旋修,在旋修之前对机车轮对外形进行测量。

对于所研究的3种车轮踏面外形,其几何特征的数据处理和计算平均结果见表2。

利用轮对横移计算程序计算出轮轨接触的几个几何特性参数,就可以描述出车轮外形。

这些几何特性参数包括轮轨接触点处的切角,左、右接触点的车轮半径差以及踏面等效锥度。计算上述几何特性参数时,钢轨采用俄罗斯R65型新轨。如果车轮和钢轨发生共形接触,此时轮轨接触点会沿着车轮外形移动,这种情况在表2中用“*”表示。

注:α1——踏面接触区域的切角;α2——轮缘接触区域的切角;Δr——接触点之间的半径差;γ——等效锥度。

由表1和表2可以得出如下结论:

(1) 磨耗型机车车轮在轮缘根部的圆弧和平均车轮外形对应的圆弧大小基本一致,都和线路平均钢轨形状相近,大约为15 mm。

(2) 平均磨耗车轮形状最大轮缘角约为72°。

(3) 机车车轮在最初旋修成表1所示的3种踏面外形后,在机车运行一段时间以后,在重新旋修之前,其等效锥度不超过0.13。

从表2可以看出,最初的踏面形状对轮缘磨耗速度的影响很大,另一个影响因素是对应一种踏面外形车轮的机车使用频率。

在试验和模拟过程中,利用和表2接近的参数进行模型验证。

表3给出了另外一种车轮踏面形状的机车轮缘磨损率的变化过程。这种情况下,运用过程中的所有车轮其轮缘磨耗率均增加。考虑到采用新型车轮外形的机车数量,至少需要3个月才能获得较为匹配的轮轨外形。表3揭示了这个问题的特征规律。

2.7 计算机仿真

基于俄罗斯车辆-轨道相互作用摩擦动力学模型进行仿真[6],其基础是软件包“Universal Mechanism-UM Loco”[7](图1)。

在模拟车轮磨耗的仿真过程中,在计算刚刚结束时,车轮外形就立刻发生变化。计算过程中,轨道的垂向和横向不平顺直接取自于轨道检测车的测试结果。

基于重载线路的地形特征,假设300 m半径曲线占5%;500 m半径曲线占7.5%;700 m半径曲线占11%;1 000 m半径曲线占8%,直线占68.5%。

前面已经提到,摩擦动力学模型是用于产生δf/dL、δφ/dN的算子F(f,φ(N))、Φ(f(L),φ)的,代表了实际的磨耗率。图2给出了动车上一条轮对左、右车轮的磨耗分布情况。

基于磨耗分布图,重新计算了车轮的外形。在前面所给出的轨道条件下,货车车轮外形的变化情况见图3。

3 关于轮轨外形管理的一些建议

轮轨外形管理既有直接方法又有间接方法。直接方法是在检修基地直接旋修车轮,在线路上进行钢轨打磨;间接方法是在运行过程中使用有利的踏面外形。

轮轨磨耗控制技术包括获得描述轮轨外形的参数和控制方法,轮轨外形管理的目的是找到轮轨达到相互匹配外形的趋势,使轮轨相互匹配外形优化到最佳形状。

4 结论

(1) 如果是客、货混合运输或在很大范围内货车随处运行,在车轮和钢轨整个寿命期内,考虑磨耗因素来设计和管理轮轨外形是很有必要的。

(2) 建议使用具有代表性的轮轨外形。本文给出了具有代表性的轮轨外形的设计方法。

参考文献

[1] H.M.Tourney.Proceedings of IHHA-STS Conference on Wheel/Rail Interaction, Moscow, Russia,June 1999.

[2] W. Harris,W.Eberson,J.Lundgren, H.Tourney, S.Zakharov. Guidelines to Best Pratices for Heavy Haul Operations [C]. Wheel and Rail Interface Issues, IHHA, Virginia Beach,USA,2001:508.

[3] E.E.Magel, J.Kalousec. Wear,2002, 253:308-316.

重载钢轨第5篇

关键词：重载铁路,道岔,整体镶嵌合金钢,辙叉

1 概述

重载运输是国际上公认的铁路货物运输的有效方式之一。神朔铁路是我国第二条西煤东运的大通道神黄线的一部分, 主要承担神府东胜煤田的煤炭外运任务。2014年, 神朔铁路煤炭外运完成2.556亿t。

神朔铁路开行万吨重载列车, 大量使用的高锰钢辙叉通过总重为1.0亿t~1.5亿t, 设备更换频率高且养护维修工作量大。因此, 结合其“大轴重、高密度和大运量”的运营特点, 研制使用寿命长、养护维修量小的新型辙叉已成为当务之急。

基于既有重载铁路使用的辙叉类型, 结合合金钢材料优越的机械性能, 研制了整体镶嵌式合金钢组合辙叉结构, 即:在心轨、翼轨的轮载过渡范围内, 采用高强度、高韧性、高耐磨性的合金钢, 改善心轨、翼轨局部受力状况, 实现延长辙叉整体使用寿命的目的。

2 设计原则

1) 满足27 t轴重货物列车以直向不大于90 km/h的速度通过。

2) 合金钢组合辙叉可与高锰钢整铸辙叉互换使用。

3) 辙叉趾、跟端不设轨底坡。

4) 采用Ⅱ型弹条扣件系统。

5) 能满足无缝化线路要求。

3 结构设计

目前, 常用的固定型辙叉主要有两种类型:一种是高锰钢整铸辙叉;一种是合金钢组合辙叉。

高锰钢整铸辙叉受铸造工艺的影响较大, 虽然目前铸造工艺有了很大改进, 但在重载铁路上, 其平均使用寿命仅在1亿t左右 (通过总重) , 不利于重载铁路的使用。而且, 由于高锰钢辙叉与普通钢轨现场可焊性差、厂内焊接成本高, 其表层强度与硬度和母材强度与硬度相差悬殊、表面易剥落掉块等原因, 难以适应列车提速以及无缝线路的应用要求。

而适用于重载铁路的合金钢有多种结构形式:合金钢钢轨拼装式辙叉;翼轨镶嵌式合金钢辙叉 (翼轨镶嵌合金钢镶嵌块) ;心轨—翼轨整体镶嵌式合金钢辙叉。考虑到保证辙叉整体性能, 本次采用的是后者。

1) 合金钢组合辙叉整体结构见图1。

合金钢组合辙叉主要包括以下部分:合金钢心轨、翼轨、叉跟轨、间隔铁、铁垫板、高强螺栓、扣件系统、轨下及板下垫层等。

2) 合金钢锻造心轨见图2。

心轨采用高强度、高韧性、高耐磨性的合金钢锻造后机加工。由于采用了心轨—翼轨 (关键受力部位) 整体式结构, 大大提高了辙叉的刚度及稳定性。

3) 翼轨见图3。

翼轨采用75 kg/m U75V在线热处理钢轨制造。翼轨不做纵向顶弯, 翼轨堆高由整体式合金钢心轨完成。对翼轨与心轨贴合部位轨头进行刨切。

4) 心轨与叉跟轨连接。

心轨与叉跟轨贴合部位采用镶尖式结构。工艺上采用先将叉跟轨与心轨组装后以心轨工作边、顶面为基准加工叉跟轨工作边和轨顶面。确保辙叉在该部位的平顺性。

5) 间隔铁与螺栓的布置。

间隔铁与高强度螺栓是各类型组合式辙叉的重要部件。由于采用了整体式合金钢心轨, 辙叉仅设置少量间隔铁及少量10.9级27高强度螺栓, 螺栓扭矩为1 100 N·s~1 200 N·s。

6) 铁垫板设计。

采用焊接垫板, 垫板厚度26 mm, 宽度190 mm。

7) 轨下及板下橡胶垫板。

钢轨下设5 mm厚橡胶垫板, 铁垫板下设10 mm厚橡胶垫板。

4 主要创新点

针对重载铁路的运营特点, 设计了新的结构形式。心轨—翼轨 (关键受力部位) 整体式结构的运用, 大大提高了辙叉的整体刚度和稳定性, 而其他一些关键技术的运用, 为辙叉使用寿命的提高奠定了基础。

1) 采用双咽喉结构 (见图4) , 可增大翼轨承载面积5%, 缩短辙叉有害空间距离50%, 减轻或延缓辙叉的磨耗。另外, 可减小逆向进岔冲击角, 提高辙叉的整体使用寿命。

2) 轮载转移低动力优化技术。

合理设置辙叉轮载转移点位置, 使其位于心轨顶宽20 mm~30 mm之间, 使心、翼轨的受力更为合理。车轮踏面光带良好, 提高行车平顺性, 减少对辙叉的冲击和磨耗 (见图5) 。

3) 辙叉咽喉部位作为合金钢翼轨顶面堆高的起点, 按单独承受轮载考虑, 该顶面宽度设计为40 mm (此宽度是比对心轨40 mm断面已单独开始承受轮载而定) , 该设计虽增大了合金钢材料的用量, 但增强了辙叉有害空间部位翼轨的受力状况, 同时减小了翼轨的顶弯角度。该技术为国内镶嵌式辙叉首次使用 (如图6所示) 。

4) 为增强心轨与叉跟轨结合部位的强度及稳定性, 最大程度利用合金钢材料良好的机械性能, 本次设计该心轨间隔铁和叉跟轨底面处于同一平面, 大大增强了辙叉的稳定性 (如图7所示) 。

5 上道使用情况

75-12合金钢组合辙叉2014年5月22日铺设于神华集团神朔铁路分公司神木—朔州段的南坡底站15号岔位。该站仅用于冬季列车融雪用, 平时列车以最高速度通过, 辙叉运营环境恶劣。该辙叉到目前运营约8个月, 通过总重约2亿t, 状态良好。

6 结语

辙叉的上道使用, 降低了设备更换频率和养护维修工作量。由于辙叉上道时间较短, 后期继续关注其使用状况, 从结构和材料两方面做好产品的优化改进工作, 延长辙叉使用寿命。

参考文献

[1]蒋昕.大秦铁路用75 kg/m钢轨18号翼轨镶嵌式合金钢辙叉的结构设计和使用[J].铁道标准设计, 2013 (10) :53-54.

[2]赵天运, 骆炎, 许有全.大秦重载铁路75 kg/m钢轨18号固定型辙叉设计研究[J].铁道标准设计, 2012 (3) :111-113.

[3]张东风, 蒋昕.合金钢叉心拼装式辙叉的结构设计[J].铁道标准设计, 2008 (2) :33-35.

[4]陈小平, 王平.铁路道岔合金钢组合辙叉联结螺栓强度分析[J].铁道建筑, 2010 (3) :201-202.

[5]刘语冰.铁路道岔论文集[C].北京:中国铁道出版社, 2004.

[6]葛晶, 王树国, 王猛.重载线路固定型合金钢组合辙叉受力研究[J].铁道建筑, 2013 (4) :75-76.