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城市軌道交通線路鋼軌全壽命養護策略研究

城市軌道交通通過提高列車行車速度、縮短發車間隔、改善車輛承載能力等措施,不斷滿足日益增加的客流需求,但同時也加劇了對車輛和軌道結構的破壞作用,減少了軌道部件的使用壽命,增加了養護維修成本。

鋼軌作為城市軌道交通的主要承載部件,直接承受來自列車車輪的反復作用。在高密度、大荷載和快速的運輸條件下,鋼軌特別是軌頭運行表面不可避免地會出現各種傷損。據統計,上海軌道交通1號線鋼軌傷損主要包括裂紋、掉塊、光斑、碎裂、剝離、核傷、銹蝕、過燒、側磨和波磨等[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磨三大傷損類型歸結為影響鋼軌壽命的主要因素[2]。

這幾類鋼軌傷損,可以歸結為滾動接觸疲勞傷損和磨耗傷損,如果處理不當,不僅會降低乘客乘車舒適度、產生輪軌噪聲、增加列車運行能耗、增加養護維修成本,嚴重的甚至會引起斷軌,危及行車安全。因此,必須重視對城市軌道交通線路鋼軌傷損的養護管理。

本文在分析鋼軌主要傷損成因的基礎上,對鋼軌傷損的檢測、壽命管理、控制和減緩等方面進行分析,提出以延長鋼軌使用壽命為目的的鋼軌全壽命養護策略理念,以期對我國城市軌道交通工務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

鋼軌滾動接觸疲勞以及由此形成的軌頭剝離,多發生于曲線外股鋼軌的軌距角、軌頂面以及內股鋼軌的軌頂面。這里是輪軌接觸較為頻繁的區域。由于輪軌接觸區面積僅有100多mm2,強大的車輪荷載使得輪軌接觸區內產生較大的輪軌接觸應力。當接觸應力超過鋼軌的疲勞屈服極限,或者鋼軌表面下幾毫米處的剪應力使鋼軌產生剪切疲勞,就引起鋼軌表面或亞表面萌生滾動接觸疲勞裂紋。

在滾動接觸疲勞裂紋擴展的最初階段,鋼軌表面出現間距呈規律的45°細微斜裂紋,裂紋方向與行車方向相反;之后在輪載的反復作用下,軌頭表面下出現微裂紋;當裂紋在表面下發展幾毫米后,幾乎成水平裂紋;當裂紋面積達到一定程度后,裂紋頂層在列車車輪碾壓下產生塑性變形,最后斷裂,使軌面出現凹坑[3]。鋼軌剝離的主要原因是:輪軌接觸關系不良導致接觸應力過大,鋼軌強度不足,鋼軌材質有缺陷,車輪和軌道的維修工作不良等。目前國外控制和減緩鋼軌滾動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。

鋼軌側磨多發生于曲線外股鋼軌的軌距角。其主要形成原因是機車車輛通過曲線時,作用在外股鋼軌軌頭內側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車車輛的動力性能、轉向架固定軸距的長短、曲線半徑的大小、軌道的動力性能、軌道幾何參數設置等諸多因素有關。工務方面控制和減緩曲線鋼軌側磨的措施,除了合理調整軌道結構參數(如軌距、軌底坡、超高等),以及改善軌道結構的動力性能(如改變軌道結構彈性等軌道養護作業)外,主要是鋼軌側面潤滑。

鋼軌波磨一般出現在曲線地段。在列車制動地段,鋼軌波磨的出現概率和磨耗速率都較大。引起鋼軌波磨的原因主要與輪對的扭轉粘滑振動有關,而鋼軌材質、機車車輛及其走行部的動力性能、列車運行工況、軌道彈性和阻尼、曲線軌道結構參數等因素都會影響輪對的扭轉粘滑振動。目前防止和減緩鋼軌波磨的措施主要是提高軌道結構彈性、合理設置曲線軌道參數,以及鋼軌打磨或銑磨作業等。

2 鋼軌全壽命管理策略的內容

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看,這些傷損是由車輛-軌道的綜合作用所產生。鋼軌壽命則受這些傷損的發展狀況及所采取的養護措施的影響,如輪軌接觸關系、曲線列車運行狀況、鋼軌材質、鋼軌潤滑狀況、鋼軌整形作業等。有研究證實,改善輪軌接觸關系、調節軌道彈性、對鋼軌采取潤滑和整形作業相結合等手段,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綜合任務。單獨消除鋼軌單一病害的方法,已經不能實現鋼軌壽命的有效管理;必須從整個輪軌系統的相互關系出發,結合車輛、軌道結構、線路條件、車輛運行條件等因素,綜合鋼軌檢測、鋼軌潤滑、鋼軌整形等鋼軌傷損控制和減緩手段,合理地對在役鋼軌疲勞裂紋傷損和磨耗傷損進行壽命管理,從而有效地延長鋼軌使用壽命。

為此,結合目前的鋼軌滾動接觸疲勞傷損和磨耗傷損的主要檢測和養護手段,考慮鋼軌整個服役壽命期的傷損發展情況,提出鋼軌全壽命養護策略理念(如圖1所示)。

圖1的鋼軌全壽命養護策略是以線路的累積通過總重為時間軸,以鋼軌軌頭質量的變化(如軌頭外形變化、鋼軌軌頂面裂紋發展、鋼軌磨耗等)為縱坐標,描述了鋼軌軌頭質量隨累積通過總重變化的規律,它涉及鋼軌從上道至更換下道全壽命階段的所有內容,主要包括鋼軌軌頭質量標準的確定及應用、鋼軌軌頭檢測技術及應用、鋼軌軌頭整形作業技術及應用以及鋼軌壽命預測等四個方面。

(1)鋼軌軌頭質量標準是控制鋼軌壽命的前提,主要包括鋼軌初始質量和鋼軌臨界允許質量。在新軌上道后,采用鋼軌打磨、銑磨設備對鋼軌進行預整形,消除鋼軌生產及運輸過程中產生的原始不平順、軌頭表面脫碳層及軌頭表面殘余應力層,盡量減小軌頭表面的原始粗糙度;同時,根據輪軌接觸關系理論,通過新軌預整形作業實現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行表面和良好的輪軌接觸關系,修正鋼軌初始不平順、從而延遲鋼軌滾動接觸疲勞裂紋的萌生時間及磨耗的發生時間。這樣,新軌經過預整形作業后的軌頭外形和表面狀態,就是鋼軌最佳的初始質量。在一定的累積通過總重條件下,鋼軌軌頭由于波磨或側磨,使得外形發生變化,超過磨耗允許限值;或者軌頭疲勞裂紋擴展積累到一定的密度和深度,超過檢測儀器量程,會引起斷軌等危險;或者磨耗或裂紋積累到一定程度,使得列車運行產生的振動和噪聲超過限值時,鋼軌不能繼續服役,必須更換下道。這種情況下的鋼軌軌頭質量就是鋼軌臨界允許質量。鋼軌臨界允許質量是控制鋼軌進行整形恢復作業的依據。

(2)新軌經過預整形作業后,以鋼軌初始質量投入使用(圖1中的A點)。隨著線路通過總重的累積,鋼軌軌頭逐漸發生磨耗傷損、疲勞裂紋傷損,甚至是兩種傷損的結合,軌頭質量逐漸下降。這時就要采用相應的技術和設備對軌頭質量進行定期檢測,記錄軌頭磨耗變化、軌頭外形變形、波磨發展或軌面疲勞裂紋擴展等信息,從而掌握軌頭質量的惡化情況。

(3)當軌頭質量下降,鋼軌磨耗出現但還未嚴重發展,或者疲勞裂紋萌生但尚未大面積擴展時(圖1中B點),就可以對軌頭進行預防性整形。目前,較有效的軌頭修復方式是采用鋼軌打磨車或銑磨車對軌頭進行打磨或銑磨作業。由于軌頭磨耗或裂紋情況尚不嚴重,預防性整形對軌頭的金屬磨削量較少,可快速進行作業,既縮短了對線路正常運營的干擾,又可以較好地恢復軌頭外形,改善輪軌接觸關系,較輕易地消除軌面輕微疲勞層或波磨。經過預防性整形作業,軌頭質量恢復到接近鋼軌初始質量(圖1中C點)。

(4)隨著通過總重的累積,鋼軌軌頭繼續經歷傷損發展、檢測和整形的循環過程。直到軌頭質量惡化到臨界允許質量(圖1中F點)。這時的軌頭經過自然的輪軌磨耗和人工打磨或銑磨,已經沒有足夠的金屬量保持軌頭強度和支撐車輪運行,必須進行大修換軌作業。新軌上道后,根據原來舊軌全壽命階段的養護維修歷史數據,結合線路條件、列車運行狀況、鋼軌潤滑條件等,就可以修正鋼軌軌頭質量控制標準,制訂新軌的檢測周期和預防性整形的作業周期等參數,從而預測新軌壽命,進一步優化鋼軌全壽命養護策略。

鋼軌經過上述養護策略,軌頭質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)。可以看出β<α,所以鋼軌壽命得到延長。這樣,在輪軌接觸關系理論基礎上,鋼軌軌頭質量標準、鋼軌軌頭檢測、鋼軌軌頭整形和鋼軌壽命預測有機結合,就形成了鋼軌全壽命養護策略,有效地提高了鋼軌壽命。

2.2 鋼軌全壽命管理策略的關鍵因素

2.2.1 輪軌接觸關系及合理鋼軌外形

從鋼軌側磨、波磨和滾動接觸疲勞裂紋的成因來看,這些傷損形成的主要原因是輪軌關系不良。而鋼軌全壽命養護策略的主要目的就是通過鋼軌整形作業,恢復合理的鋼軌軌頭外形輪廓,從而改善輪軌接觸關系,盡可能延長磨耗和疲勞裂紋發生的時間,以達到延長鋼軌使用壽命的目的。

因此,要根據車輛條件、線路條件、車輛運行工況,結合輪軌動力學,設計能產生最佳輪軌接觸關系的鋼軌軌頭外形輪廓。其中:車輛條件包括車輛類型、轉向架類型、軸重、輪對剛度、懸掛阻尼、主要車輪外形等參數;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;車輛運行工況包括運行速度、運行狀態(制動、加速還是惰行)等。在掌握這些參數的基礎上,結合輪軌動力學,設計適合此種線路和運營條件下的鋼軌軌頭外形輪廓。這個外形輪廓應該是基于指定線路條件的,能與主要車輪外形實現最佳匹配的,能盡量延長疲勞裂紋萌生或磨耗出現的。設計合理的鋼軌外形輪廓是鋼軌全壽命養護策略實施的重要前提。

2.2.2 周期性的鋼軌預防性整形作業

鋼軌在使用過程中,其外形輪廓由于磨耗而發生變化。變化后的軌頭外形,進一步惡化了輪軌接觸關系,使得疲勞

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