从轮轨关系上分析大站场道岔区钢轨磨损的原因及防治措施

张海宁 上海铁路局阜阳工务段

1 从轮轨关系研究道岔区钢轨磨损的目的

列车的运行、牵引和制动都需要通过轮轨的作用才能得以实现，轮轨作用过程中产生的问题，如轮轨接触表面剥离现象、垂磨和侧磨、脱轨等问题较为突出，这些问题在阜阳北编组场又较为明显，尤其在驼峰及编尾道岔区钢轨磨耗问题十分严重。这些问题的产生和许多因素有关，如荷载、运行速度、轮轨运动行为、轮轨接触表面状态（表面粗糙度、污染度、温度）、轮轨型面、机车车辆和轨道结构特性等，这些因素影响比重很难从量上搞清楚，本文主要试图在工务维修的角度上从轮轨关系分析大站场道岔区钢轨磨损的病害原因及防治办法。

2 道岔区轮轨运动产生钢轨磨损的原因分析

2.1 轮轨之间的摩擦力

当列车通过道岔时，由于钢轨的约束作用和轮对的自导向能力，使列车运动方向发生改变，则列车巨大动量的大小和方向都要发生改变，所有这些都要通过外轮轨之间的相互作用和导曲线外轨超高来实现。所以，列车通过道岔时，外轨很可能会同车轮轮缘发生接触，则机车轮对外侧车轮和钢轨之间的牵引力或粘着力大大降低，轮轨之间的震动加剧，导致曲尖轨、导曲轨、岔后渡线钢轨接触表面波浪形磨损和侧磨现象十分严重，这种现象产生的主要原因是：轮对是由两个车轮和刚性较大的轴装配组成的一个整体，轮对沿钢轨滚动时，由于轨道不平顺等因素的影响，轮对中心总是存在横移量，使左右轮沿钢轨滚动的半径不同，而车轮是整体，具有同一个角速度，要使两侧车轮沿钢轨作纯滚动，则轮对就不可能作直线运动，而轮距和轮缘距是确定的有限尺寸，则钢轨限制了轮对的自由运动，导致左右轮轨之间产生沿纵向的摩擦力，当因各种因素使这种摩擦力加大时，轮缘和钢轨之间发生撞击和摩擦伤损，更严重时，就会导致车轮爬轨，酿成脱轨事故。

2.2 道岔区轨距过小

（1）道岔直股轨距过小：机车车辆沿轨道运行时，为了避免车轮轮缘与钢轨侧面经常接触而导致钢轨轨头内侧磨损，以及便于机车车辆通过道岔而不导致轮轨之间撞击破坏，左右车轮的轮缘外侧距离应小于轨距，即轮缘外侧和钢轨内侧应留有一定的间隙。因此轮对沿轨道滚动过程中可以相对轨道作横向运动和摇头运动。轮对在不同的横向位移和摇头角位移的状态下，左右车轮和钢轨之间接触点的位置不同，于是轮轨之间的接触几何参数也相应发生变化（如图 1）。

图1 轮轨运动过程示意图

左右轮瞬间滚动圆半径R1和R2，当轮对中心偏离轨道中央位置时，即轮对有横移时，左右轮实际滚动半径R1≠R2，且随轮对中心横移和摇头角的改变而改变。当将轮对视为刚体时，轮对绕其轴线转动，各点的转动角速度相同，但左右轮接触点处滚动圆半径不同，接触点处相对轴线转动的线速度是不同的，所以同一个轮对的左右轮在相同的时间内行走过的距离不同。由于左右车轮和车轴联结固定，则钢轨对轮对的运动起着一定的约束，那么轮对左右轮轨接触斑处将会产生微小的且方向相反的纵向滑动，所以当轨距过小时，这种钢轨约束作用加强，超过轮对本身能调节能力时，这种纵向滑动的趋势会加大，加剧对钢轨的磨损。

（2）道岔曲股轨距加宽不够：机车车辆进入道岔曲股轨道时，因惯性作用，仍然力图保持其原来行驶方向，仅当前轴外轮碰到外轨，并受到外轨引导，才沿着曲线轨道行驶。这时车辆的转向架与曲线在平面上保持一定的位置和角度。可能出现三种不同情况：第一种情况是当轨距足够宽时，只有前轴外轮的轮缘受到外轨的挤压力（称导向力），后轴则居于曲线半径方向，两侧轮缘与钢轨间都有一定的间隙，行车阻力最小；第二种情况是当轨距不够宽时,后轴（或其他一轴）的内轮轮缘也将受到内轨的挤压（图2），产生了第二导向力，行车阻力较前者增加；当轨距更小时,可能出现第三种情况,此时不但中间某轴内轮受内轨挤压，而且后轴外轮也受到外轨挤压，车轮被楔住在两轨之间,不仅行车阻力大,甚至可能把轨道挤开，因此部分道岔曲股上轨距必须加宽，若实际养护过程中加宽值不够时就会加剧钢轨的磨损严重时发生脱轨。

图2 道岔曲股轨距受挤压需加宽

2.3 道岔导曲线欠超过或者反超高

列车在道岔曲股上行驶对轨道产生离心力，使外轨承受较大的压力，发生严重的侧面磨耗，严重时甚至造成列车倾覆事故。为此，须将外轨抬高一定程度，借助于因车体内倾所产生的重力内向分力来平衡这种离心力（图3）。外轨抬高的数量，称外轨超高度。由列车通过时离心力的大小确定。离心力与车速平方成正比，与导曲线半径大小成反比，因此半径越小，车速越大，离心力越大，需设的超高就越大。在车速和导曲线半径都为已知的情况下，借助于上述各力的平衡关系，按使两轨垂直磨耗均等的条件，可得外轨超高的计算公式为：

式中超高h以mm计；速度v以km/h计；半径R以m计。

图3 外轨超高

在实际养护过程中，若道岔曲股欠超高则外股钢轨磨耗严重，曲股反超高则内股钢轨磨耗严重。

2.4 水平不顺

道岔直股地段两轨应保持同一高度，使两轨负荷均匀，允许有一定误差。《铁路线路修理规则》规定，是按线路种类的不同，分别为不大于4～6 mm。轨道不允许有三角坑存在,即在一段不太长的距离内,不允许左右两轨高差交替变化，以致引起车辆剧烈摇幌。对于不同线路种类,《铁路线路修理规则》规定，在18 m距离内,不许有超过4～6 mm的三角坑存在。三角坑的存在会使列车运行过程中加大对直股一侧钢轨的磨损，过大的三角坑甚至会使个别车轮悬空，加大轮缘爬上轨面的可能，而发生脱轨事故。现场养护方面因岔心更换等原因往往在道岔转辙部位到岔心部位存在三角坑，直基本轨垂磨、肥边现象较为突出。

2.5 轨底坡变化

车轮轮箍和钢轨接触的面为1/20的圆锥面。为了使车轮压力的合力线更接近于钢轨中轴线，以减小偏磨,钢轨不是竖直铺设,而是略向轨道中心倾斜。这种倾斜度称轨底坡。铁路目前采用1/40的轨底坡（直线地段），其原因是车轮踏面(轮箍和钢轨接触的面)经过一段时间的磨耗后,斜度已接近于1/40。阜北编组场编尾P50 1/9木岔枕复交道岔导曲轨轨底坡是靠轨下垫板斜调高层来实现，经过长时间机车运行碾压后斜调高层磨平，轨底坡变小或不存在。这种情况下钢轨的磨耗就会加大，侧磨发展迅速。

2.6 其它原因

从阜阳北编组场现场养修层面来看，道岔轨件的磨损还有其它多方面原因，列如：道岔冲击角大小、道岔区焊缝多少、钢轨材质、轨道弹性、列车直逆向进入道岔、列车速度、重载运输、温度、湿度等原因。

3 道岔区钢轨磨损的预防和整治措施

3.1 整治道岔几何尺寸超限

对道岔轨距、水平、超高等进行全面检查调查，综合作业消除道岔区几何尺寸超限问题，尤其在道岔区要加强对轨距的控制，杜绝小号码道岔直股轨距小和曲股轨距加宽不够的问题。

3.2 整治道岔结构病害

（1）对道岔区道床进行清筛及时处理翻浆冒泥、更换失效木岔枕、更换失效胶垫增强轨道的竖向弹性。需注意的是木岔枕道岔的竖项弹性强于混凝土岔枕道岔，养修中不可盲目的对木岔枕道岔区增加胶垫使木岔枕横向弹性变化加剧钢轨的磨损。

（2）在日常养护维修作业中，加强轨枕间距及横向位移的检查，按照铺设标准对轨枕进行方正，调整轨距块；及时更换和补充失效、锈蚀和缺少的轨距挡板；加强车工电联合检查，全面整治大小框架问题；加强扣件养护工作，及时复紧连接零件和更换立螺栓，减少旷动间隙；加装绝缘轨距杆。从而加强道岔区的平顺性，减小几何层面的轮轨摩擦力。

3.3 钢轨润滑

钢轨润滑是一种成本投入少、见效快的有效方法，能迅速减小钢轨的侧磨，延长钢轨使用寿命，现场可在道岔导曲侧磨严重地段进行钢轨涂油。需注意的是润滑剂的成分、性能对钢轨的保护作用起到至关重要的作用，想要取得钢轨润滑的做好效果，本质在于涂油的材质而不在于涂油的数量。

3.4 加强打磨工作

（1）轨面预防性打磨。

道岔区轨件、钢轨更换时，新轨在上道使用时一般有小于0.125 mm的锈皮和轨面不平顺，这些原始的不平顺是今后出现各种轨头病害的根源，通过对新上道的轨件、钢轨进行打磨可使轨面达到平顺、均匀硬化。另外新更换的部分轨件的焊缝通常会留下0.25 mm的公差，是道岔区钢轨的冲击点，打磨后可消除或减小轨头焊缝的冲击作用。

（2）轨面修复性打磨。

道岔区轨件、钢轨出现表面伤损后一般需及时进行整治，目前采用的对轨面伤损整治的技术是采用轨面修复打磨。轨面修复打磨是对钢轨轨面进行现场打磨维修的良好方法，它使修复后的轨面纵向平顺、横向圆滑，能消除轨面伤损，有效地抑制轨面伤损，是一种十分经济、合理的维修作业手段。在阜阳北编组场内主要用人工打磨方法进行打磨。（备注：随着技术的改进目前在京九正线采用打磨列车自动打磨，打磨的作业范围和效率提高很大，能有效的解决高焊缝、鱼鳞伤、道岔毛刺等病害。）

4 取得的效果及一些思考

（1）通过轮轨关系的研究探索，因地制宜的采取针对性的道岔维修作业，尤其通过对道岔区加强涂油和打磨工作后，轨件、钢轨的使用寿命明显延长了3-5倍，减少了工务部门的道岔维修费用，保证了运输的安全，提高了设备质量。

（2）在阜阳北编组场大站场道岔区，线性复杂、荷载较大、道岔冲击角较大、轨距递减率较大等因素致使轮对在沿着钢轨滚动接触过程中更容易使轮轨发生磨损，严重时发生脱轨影响运输安全。从工务的层面上研究轮轨关系十分必要，尤其是在涂油工作、打磨工作、钢轨材质与轮对材质匹配的问题上需进一步加深研究。