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城市軌道交通線路鋼軌全壽命養(yǎng)護(hù)策略研究

城市軌道交通通過(guò)提高列車行車速度、縮短發(fā)車間隔、改善車輛承載能力等措施,不斷滿足日益增加的客流需求,但同時(shí)也加劇了對(duì)車輛和軌道結(jié)構(gòu)的破壞作用,減少了軌道部件的使用壽命,增加了養(yǎng)護(hù)維修成本。

鋼軌作為城市軌道交通的主要承載部件,直接承受來(lái)自列車車輪的反復(fù)作用。在高密度、大荷載和快速的運(yùn)輸條件下,鋼軌特別是軌頭運(yùn)行表面不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種傷損。據(jù)統(tǒng)計(jì),上海軌道交通1號(hào)線鋼軌傷損主要包括裂紋、掉塊、光斑、碎裂、剝離、核傷、銹蝕、過(guò)燒、側(cè)磨和波磨等[1]。其中鋼軌軌頂面特別是軌距角處的裂紋、鋼軌波磨和小半徑曲線鋼軌的側(cè)磨是鋼軌傷損的主要類型。香港地鐵也將鋼軌軌距角裂紋和剝離掉塊、波磨和小半徑曲線鋼軌側(cè)磨三大傷損類型歸結(jié)為影響鋼軌壽命的主要因素[2]。

這幾類鋼軌傷損,可以歸結(jié)為滾動(dòng)接觸疲勞傷損和磨耗傷損,如果處理不當(dāng),不僅會(huì)降低乘客乘車舒適度、產(chǎn)生輪軌噪聲、增加列車運(yùn)行能耗、增加養(yǎng)護(hù)維修成本,嚴(yán)重的甚至?xí)饠嘬?危及行車安全。因此,必須重視對(duì)城市軌道交通線路鋼軌傷損的養(yǎng)護(hù)管理。

本文在分析鋼軌主要傷損成因的基礎(chǔ)上,對(duì)鋼軌傷損的檢測(cè)、壽命管理、控制和減緩等方面進(jìn)行分析,提出以延長(zhǎng)鋼軌使用壽命為目的的鋼軌全壽命養(yǎng)護(hù)策略理念,以期對(duì)我國(guó)城市軌道交通工務(wù)部門的鋼軌管理提供有益的幫助。

1 鋼軌傷損成因及控制措施

鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞以及由此形成的軌頭剝離,多發(fā)生于曲線外股鋼軌的軌距角、軌頂面以及內(nèi)股鋼軌的軌頂面。這里是輪軌接觸較為頻繁的區(qū)域。由于輪軌接觸區(qū)面積僅有100多mm2,強(qiáng)大的車輪荷載使得輪軌接觸區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大的輪軌接觸應(yīng)力。當(dāng)接觸應(yīng)力超過(guò)鋼軌的疲勞屈服極限,或者鋼軌表面下幾毫米處的剪應(yīng)力使鋼軌產(chǎn)生剪切疲勞,就引起鋼軌表面或亞表面萌生滾動(dòng)接觸疲勞裂紋。

在滾動(dòng)接觸疲勞裂紋擴(kuò)展的最初階段,鋼軌表面出現(xiàn)間距呈規(guī)律的45°細(xì)微斜裂紋,裂紋方向與行車方向相反;之后在輪載的反復(fù)作用下,軌頭表面下出現(xiàn)微裂紋;當(dāng)裂紋在表面下發(fā)展幾毫米后,幾乎成水平裂紋;當(dāng)裂紋面積達(dá)到一定程度后,裂紋頂層在列車車輪碾壓下產(chǎn)生塑性變形,最后斷裂,使軌面出現(xiàn)凹坑[3]。鋼軌剝離的主要原因是:輪軌接觸關(guān)系不良導(dǎo)致接觸應(yīng)力過(guò)大,鋼軌強(qiáng)度不足,鋼軌材質(zhì)有缺陷,車輪和軌道的維修工作不良等。目前國(guó)外控制和減緩鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞的手段主要是鋼軌打磨或鋼軌銑磨等鋼軌整形作業(yè)。

鋼軌側(cè)磨多發(fā)生于曲線外股鋼軌的軌距角。其主要形成原因是機(jī)車車輛通過(guò)曲線時(shí),作用在外股鋼軌軌頭內(nèi)側(cè)的輪緣力和車輪沖擊角。而輪緣力和輪軌沖擊角的大小與機(jī)車車輛的動(dòng)力性能、轉(zhuǎn)向架固定軸距的長(zhǎng)短、曲線半徑的大小、軌道的動(dòng)力性能、軌道幾何參數(shù)設(shè)置等諸多因素有關(guān)。工務(wù)方面控制和減緩曲線鋼軌側(cè)磨的措施,除了合理調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)(如軌距、軌底坡、超高等),以及改善軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能(如改變軌道結(jié)構(gòu)彈性等軌道養(yǎng)護(hù)作業(yè))外,主要是鋼軌側(cè)面潤(rùn)滑。

鋼軌波磨一般出現(xiàn)在曲線地段。在列車制動(dòng)地段,鋼軌波磨的出現(xiàn)概率和磨耗速率都較大。引起鋼軌波磨的原因主要與輪對(duì)的扭轉(zhuǎn)粘滑振動(dòng)有關(guān),而鋼軌材質(zhì)、機(jī)車車輛及其走行部的動(dòng)力性能、列車運(yùn)行工況、軌道彈性和阻尼、曲線軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素都會(huì)影響輪對(duì)的扭轉(zhuǎn)粘滑振動(dòng)。目前防止和減緩鋼軌波磨的措施主要是提高軌道結(jié)構(gòu)彈性、合理設(shè)置曲線軌道參數(shù),以及鋼軌打磨或銑磨作業(yè)等。

2 鋼軌全壽命管理策略的內(nèi)容

2.1 鋼軌全壽命管理策略的理念

從鋼軌疲勞裂紋傷損和磨耗傷損的成因來(lái)看,這些傷損是由車輛-軌道的綜合作用所產(chǎn)生。鋼軌壽命則受這些傷損的發(fā)展?fàn)顩r及所采取的養(yǎng)護(hù)措施的影響,如輪軌接觸關(guān)系、曲線列車運(yùn)行狀況、鋼軌材質(zhì)、鋼軌潤(rùn)滑狀況、鋼軌整形作業(yè)等。有研究證實(shí),改善輪軌接觸關(guān)系、調(diào)節(jié)軌道彈性、對(duì)鋼軌采取潤(rùn)滑和整形作業(yè)相結(jié)合等手段,可以有效地提高鋼軌使用壽命[4-5]。

因此,鋼軌壽命管理是一項(xiàng)綜合任務(wù)。單獨(dú)消除鋼軌單一病害的方法,已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)鋼軌壽命的有效管理;必須從整個(gè)輪軌系統(tǒng)的相互關(guān)系出發(fā),結(jié)合車輛、軌道結(jié)構(gòu)、線路條件、車輛運(yùn)行條件等因素,綜合鋼軌檢測(cè)、鋼軌潤(rùn)滑、鋼軌整形等鋼軌傷損控制和減緩手段,合理地對(duì)在役鋼軌疲勞裂紋傷損和磨耗傷損進(jìn)行壽命管理,從而有效地延長(zhǎng)鋼軌使用壽命。

為此,結(jié)合目前的鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞傷損和磨耗傷損的主要檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)手段,考慮鋼軌整個(gè)服役壽命期的傷損發(fā)展情況,提出鋼軌全壽命養(yǎng)護(hù)策略理念(如圖1所示)。

圖1的鋼軌全壽命養(yǎng)護(hù)策略是以線路的累積通過(guò)總重為時(shí)間軸,以鋼軌軌頭質(zhì)量的變化(如軌頭外形變化、鋼軌軌頂面裂紋發(fā)展、鋼軌磨耗等)為縱坐標(biāo),描述了鋼軌軌頭質(zhì)量隨累積通過(guò)總重變化的規(guī)律,它涉及鋼軌從上道至更換下道全壽命階段的所有內(nèi)容,主要包括鋼軌軌頭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的確定及應(yīng)用、鋼軌軌頭檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用、鋼軌軌頭整形作業(yè)技術(shù)及應(yīng)用以及鋼軌壽命預(yù)測(cè)等四個(gè)方面。

(1)鋼軌軌頭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是控制鋼軌壽命的前提,主要包括鋼軌初始質(zhì)量和鋼軌臨界允許質(zhì)量。在新軌上道后,采用鋼軌打磨、銑磨設(shè)備對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)整形,消除鋼軌生產(chǎn)及運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的原始不平順、軌頭表面脫碳層及軌頭表面殘余應(yīng)力層,盡量減小軌頭表面的原始粗糙度;同時(shí),根據(jù)輪軌接觸關(guān)系理論,通過(guò)新軌預(yù)整形作業(yè)實(shí)現(xiàn)與車輪外形配合良好的軌頭橫截面外形。其目的是提供平順的鋼軌運(yùn)行表面和良好的輪軌接觸關(guān)系,修正鋼軌初始不平順、從而延遲鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的萌生時(shí)間及磨耗的發(fā)生時(shí)間。這樣,新軌經(jīng)過(guò)預(yù)整形作業(yè)后的軌頭外形和表面狀態(tài),就是鋼軌最佳的初始質(zhì)量。在一定的累積通過(guò)總重條件下,鋼軌軌頭由于波磨或側(cè)磨,使得外形發(fā)生變化,超過(guò)磨耗允許限值;或者軌頭疲勞裂紋擴(kuò)展積累到一定的密度和深度,超過(guò)檢測(cè)儀器量程,會(huì)引起斷軌等危險(xiǎn);或者磨耗或裂紋積累到一定程度,使得列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲超過(guò)限值時(shí),鋼軌不能繼續(xù)服役,必須更換下道。這種情況下的鋼軌軌頭質(zhì)量就是鋼軌臨界允許質(zhì)量。鋼軌臨界允許質(zhì)量是控制鋼軌進(jìn)行整形恢復(fù)作業(yè)的依據(jù)。

(2)新軌經(jīng)過(guò)預(yù)整形作業(yè)后,以鋼軌初始質(zhì)量投入使用(圖1中的A點(diǎn))。隨著線路通過(guò)總重的累積,鋼軌軌頭逐漸發(fā)生磨耗傷損、疲勞裂紋傷損,甚至是兩種傷損的結(jié)合,軌頭質(zhì)量逐漸下降。這時(shí)就要采用相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備對(duì)軌頭質(zhì)量進(jìn)行定期檢測(cè),記錄軌頭磨耗變化、軌頭外形變形、波磨發(fā)展或軌面疲勞裂紋擴(kuò)展等信息,從而掌握軌頭質(zhì)量的惡化情況。

(3)當(dāng)軌頭質(zhì)量下降,鋼軌磨耗出現(xiàn)但還未嚴(yán)重發(fā)展,或者疲勞裂紋萌生但尚未大面積擴(kuò)展時(shí)(圖1中B點(diǎn)),就可以對(duì)軌頭進(jìn)行預(yù)防性整形。目前,較有效的軌頭修復(fù)方式是采用鋼軌打磨車或銑磨車對(duì)軌頭進(jìn)行打磨或銑磨作業(yè)。由于軌頭磨耗或裂紋情況尚不嚴(yán)重,預(yù)防性整形對(duì)軌頭的金屬磨削量較少,可快速進(jìn)行作業(yè),既縮短了對(duì)線路正常運(yùn)營(yíng)的干擾,又可以較好地恢復(fù)軌頭外形,改善輪軌接觸關(guān)系,較輕易地消除軌面輕微疲勞層或波磨。經(jīng)過(guò)預(yù)防性整形作業(yè),軌頭質(zhì)量恢復(fù)到接近鋼軌初始質(zhì)量(圖1中C點(diǎn))。

(4)隨著通過(guò)總重的累積,鋼軌軌頭繼續(xù)經(jīng)歷傷損發(fā)展、檢測(cè)和整形的循環(huán)過(guò)程。直到軌頭質(zhì)量惡化到臨界允許質(zhì)量(圖1中F點(diǎn))。這時(shí)的軌頭經(jīng)過(guò)自然的輪軌磨耗和人工打磨或銑磨,已經(jīng)沒有足夠的金屬量保持軌頭強(qiáng)度和支撐車輪運(yùn)行,必須進(jìn)行大修換軌作業(yè)。新軌上道后,根據(jù)原來(lái)舊軌全壽命階段的養(yǎng)護(hù)維修歷史數(shù)據(jù),結(jié)合線路條件、列車運(yùn)行狀況、鋼軌潤(rùn)滑條件等,就可以修正鋼軌軌頭質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),制訂新軌的檢測(cè)周期和預(yù)防性整形的作業(yè)周期等參數(shù),從而預(yù)測(cè)新軌壽命,進(jìn)一步優(yōu)化鋼軌全壽命養(yǎng)護(hù)策略。

鋼軌經(jīng)過(guò)上述養(yǎng)護(hù)策略,軌頭質(zhì)量惡化曲線不再是圖1所示的AB曲線(傷損速率為α),而是AEF曲線(傷損速率為β)?？梢钥闯?beta;<α,所以鋼軌壽命得到延長(zhǎng)。這樣,在輪軌接觸關(guān)系理論基礎(chǔ)上,鋼軌軌頭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、鋼軌軌頭檢測(cè)、鋼軌軌頭整形和鋼軌壽命預(yù)測(cè)有機(jī)結(jié)合,就形成了鋼軌全壽命養(yǎng)護(hù)策略,有效地提高了鋼軌壽命。

2.2 鋼軌全壽命管理策略的關(guān)鍵因素

2.2.1 輪軌接觸關(guān)系及合理鋼軌外形

從鋼軌側(cè)磨、波磨和滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的成因來(lái)看,這些傷損形成的主要原因是輪軌關(guān)系不良。而鋼軌全壽命養(yǎng)護(hù)策略的主要目的就是通過(guò)鋼軌整形作業(yè),恢復(fù)合理的鋼軌軌頭外形輪廓,從而改善輪軌接觸關(guān)系,盡可能延長(zhǎng)磨耗和疲勞裂紋發(fā)生的時(shí)間,以達(dá)到延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的目的。

因此,要根據(jù)車輛條件、線路條件、車輛運(yùn)行工況,結(jié)合輪軌動(dòng)力學(xué),設(shè)計(jì)能產(chǎn)生最佳輪軌接觸關(guān)系的鋼軌軌頭外形輪廓。其中:車輛條件包括車輛類型、轉(zhuǎn)向架類型、軸重、輪對(duì)剛度、懸掛阻尼、主要車輪外形等參數(shù);線路條件包括曲線半徑、外軌超高、軌底坡、軌道彈性和阻尼、鋼軌類型等參數(shù);車輛運(yùn)行工況包括運(yùn)行速度、運(yùn)行狀態(tài)(制動(dòng)、加速還是惰行)等。在掌握這些參數(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合輪軌動(dòng)力學(xué),設(shè)計(jì)適合此種線路和運(yùn)營(yíng)條件下的鋼軌軌頭外形輪廓。這個(gè)外形輪廓應(yīng)該是基于指定線路條件的,能與主要車輪外形實(shí)現(xiàn)最佳匹配的,能盡量延長(zhǎng)疲勞裂紋萌生或磨耗出現(xiàn)的。設(shè)計(jì)合理的鋼軌外形輪廓是鋼軌全壽命養(yǎng)護(hù)策略實(shí)施的重要前提。

2.2.2 周期性的鋼軌預(yù)防性整形作業(yè)

鋼軌在使用過(guò)程中,其外形輪廓由于磨耗而發(fā)生變化。變化后的軌頭外形,進(jìn)一步惡化了輪軌接觸關(guān)系,使得疲勞

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