探讨钢轨保护技术

何凌飞

摘 要：该文针对钢轨失效的现象，从轮轨相互作用的角度对导致钢轨失效的原因和失效的機理两个方面进行了简单的论述，并结合钢轨失效的理论与实践经验，阐述如何防止或减弱钢轨失效的形成，并在后续进一步提出了钢轨保护技术体系，此体系中提出的具体保护方法能够有效地延长钢轨的使用寿命，并且减少重大事故的发生，同时还具有成本低廉的特点。

关键词：钢轨 保护技术 蠕滑

中图分类号：U216.424 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（b）-0045-02

1 钢轨的主要破坏形式

车轮在钢轨上运动的过程中，出现磨损是在所难免的，上股道、下股道和直线上的钢轨会出现不同程度的破坏，上股道的内侧会发生较为严重的磨损，而下股道和直线上的钢轨会在顶部出现较为严重的磨损。在钢轨道的破坏情况中，疲劳破坏是最为常见的一种破坏形式，疲劳破坏也因这个缘由成为了钢轨道更换的主要原因之一。磨损破坏的微观结构存在以下几个特点。

（1）长时间的相互作用，导致在金属表面出现较为明显的塑性流动，尤其是钢轨道的表面。

（2）出现塑性流动的金属表面，存在着初始裂纹，并且初始裂纹的方向与流线的方向在大多数的情况下保持一致。

（3）初始裂纹在一般的情况下是出现在塑性流动金属的表面，但是在一定的条件下，也可能出现在表层之下。

（4）无论是出现在表层的裂纹或是出现在表层之下的裂纹（以流动层之下的情况为主），都呈现树叶状的无规则的扩散状态。

（5）在裂纹发生重叠时，裂纹会叠加到一起，出现疲劳剥落的现象。

通过对钢轨断裂现象的理论化研究，并进行合理化的推断，表明：疲劳破坏的全过程包括初始裂纹的形成阶段和裂纹的扩散阶段两个过程阶段，待第二个阶段即裂纹扩散阶段发展到一定程度时，才会出现钢轨的断裂现象。因此可以推断，钢轨未出现裂纹的生成现象，就不存在钢轨的断裂现象，同样，初始裂纹若未出现扩散现象的话，同样不会出现钢轨的断裂现象，因此，钢轨断裂现象发生的两个必要条件就是出现初始裂纹和初始裂纹的扩散，两者缺一不可，因此，开展钢轨断裂保护技术的两个关键点就是控制初始裂纹的产生与扩展。

在进行钢轨保护技术研究的工作中，还需对另一现象进行重点研究：出现流动裂纹现象的钢轨段大多在弯道路段，相比较弯道而言，在顺直路段出现初始裂纹的现象就相对轻微，出现表面剥离掉块现象的差别就更为明显了，经过理论研究，可得出结论：转轮在钢轨不论是顺直段还是弯道段所承受的垂向荷载的大小是一样的。由此可以判断出，产生初始裂纹的条件不仅和垂向荷载有关，还和转轮经过钢轨道过程中是否出现表面切向力有关。经研究发现，表现切向力产生的条件是轮轨表面的相对滑动。轮轨在顺直段运动过程中，车轮在钢轨上以纯滚动状态运动居多，几乎没有滑动，或只存在微小的微观滑动，表面出现的切向力很小或者不存在。通过理论和实践研究发现，车轮在弯道路段运动时，轮轨之间一定会产生相对滑动和极大的切向力。这种相对滑动和切向力就是所谓的蠕滑和蠕滑力。

2 蠕滑的产生机理

轮轨蠕滑现象出现的两种情况是：（1）在接触点部位存在着滚动半径差，滚动半径差的存在会产生纵向蠕动。（2）轮轨蠕滑现象出现的另一种原因就是存在接触冲角，会导致轮轨的横向蠕滑。

滚动半径差造成的轮轨相对滑动可以进行简单的理论解释：首先假设左右车轨的半径分别为R1和R2（R1>R2），在共同的前行过程中，角速度是相同的，那么R1的线速度就会大于R2的线速度，并且大于车辆前行的速度，在行进过程中，R1表面就会和钢轨之间出现行进方向相同的相对滑动；同样的，R2的线速度小于R1，并且小于车辆前行的速度，在R2表面和钢轨之间就会出现与行进方向相反的相对滑动，因此会在半径较大的车轮上形成正向的蠕滑，反之，在半径较小的车轮上就形成了负向的蠕滑。轮对在弯道路段行进时，若向左转弯，左轮的滚动半径大于游轮的滚动半径，就会在左侧车轮上形成与行进方向一致的相对滑动，而此时的右侧车轮相对滚动半径较小，在车轮表面会形成与行进方向相反的相对滑动；同样道理，当在向右侧转弯路段时，右侧的车轮滚动半径大于左侧车轮的，就会在右侧车轮上形成与行进方向一致的相对滑动，而此时的左侧车轮相对滚动半径较小，在车轮表面会形成与行进方向相反的相对滑动。以上所说的相对滑动，对于统一整体的轮对而言，就会形成一个转向力矩，无论机车在顺直路段还是在转弯路段行进中帮助轮对稳定的前行或是帮助轮对进行转弯行进，所以这个转型力矩对于机车的行进起到加强稳定的作用，对整体行进有益，但是产生有益转向力矩的同时，在钢轨的表面出现的相对滑动，又为钢轨的初始裂缝的形成提供了条件，会导致后期的钢轨的断裂等灾害。前文所说的滚动半径差在同一个车轮上也存在，在同一车轮左右边缘两侧的滚动半径不同，二者的相对滑动不同，由此进行推断，若机车出现左右转弯的行进过程，轮轨之间的相对滑动是不可避免的，即轮轨蠕滑是必然存在的，而且成对出现的蠕滑力必定是相反方向的。由此研究得出结论：最为理想的轮轨接触形式是贴合式的一点接触，在行进过程中，最起码保证在同一车轮上不会出现成对且方向相反的相对滑动和蠕动力。而在现实操作过程中，欲实现一点式接触是不可能的，所以最为贴近实际情况的就是两点式接触表面。

机车在行进过程中，车身和轨道之间会形成一个夹角，尤其是在弯道路段，夹角更大，此冲角的存在同样会促使相对滑动的产生，同时由于冲角的存在，会使轮轨之间形成横向的蠕滑力，促使轮轨的横向破坏。横向蠕滑力越大，在轮缘和轨侧之间的接触压力也越大，自然，轮轨的磨损也就越大。同时，横向蠕滑力相对于转向架中心产生了一个力矩，造成转向力矩减小，阻碍着转向架在弯道的转向。横向蠕滑力的产生是由于冲角的存在，其大小也随冲角的增大与减小而增大与减小。可见横向蠕滑力对于轮轨关系是有害的。

3 裂纹扩展的机理——油楔效应

所谓的油楔效应其实指的就是在机车行进过程中，液态的润滑剂等充当了楔子的作用，当机车对存在裂纹的钢轨的前端进行碾压时，裂纹就会张开，钢轨表面的液态油污等就会深入到裂缝中，当机车对裂纹的后侧进行碾压时，裂纹就会关闭，但是深入其中的油污或雨水等杂物仍存于其中。由液体的不可压缩性可知，在机车行进过程中，车轮对轨道的压力十分巨大，在如此巨大的压力作用下，裂纹的顶端就会形成极大的高压，会促使裂纹向结构相对薄弱的方向延伸，加快钢轨的破坏速度。在裂纹延伸的过程中，由于轮轨材质的不均匀性，裂纹的延伸方向不一定是沿着塑性流线的方向进行，因此产生的裂纹多为无规则的树叶状的。也就是因为裂缝的不规则性，会导致相邻的裂缝彼此之间联通、融合，出现轨道表面脱落的现象。如此破坏会在相对较短的时间里，在钢轨的深层产生裂纹，形成早期破坏的发生，综上所述，油楔效应在进行钢轨保护技术的研究时，同样是不可忽视的一个重要研究对象，在钢轨的维护工作中，应尽量减少甚至根除。

4 钢轨保护技术

根据前文的阐述，对钢轨的保护技术进行总结，包括以下几个方面。

（1）对轨道尤其是上股道上钢轨的轮廓面进行修正，为形成贴合式两点接触的行进状况提供有利条件，以最大限度地减小在同一车轮上形成的滚动半径差，从而有效地减小蠕滑力，进而减轻轮轨之间形成的相对磨损程度。

（2）对下股道上的钢轨轮廓面的形状进行修补，形成相对较大的左右轮之间的滚动半径差，增大转向架上的转向力矩的大小，为机车的行进提供更好的稳定性上的保证。

（3）改善转向架的动态特性，以减小轮轨与机车行进机车之间的夹角为目的，来实现轮轨之间横向蠕滑力的减小。

（4）在轮轨之间使用摩擦调节剂，降低轮轨之间的横向蠕滑力。

（5）严格禁止使用液态的摩擦调节剂或是任何其他液态的润滑剂等，以避免油楔效应的产生。

5 结语

在进行钢轨保护技术的研究过程中，应注重理论与实际相结合，在现有技术手段的基础之上对钢轨的保护技术进行有效的技术延伸，加强初始裂缝形成阶段和裂缝扩散阶段的防止与治理，同时，还应该在轮轨使用的材料等其他的方面進行深入研究，以求彻底地解决轮轨摩擦问题，减少因此而产生的钢轨的断裂现象。

参考文献

[1]邢志忠，潘金柱.钢轨保护技术理论探讨[J].现代商贸工业，2013（6）：164.

[2]王雪颖.基于断裂力学理论的焊接球节点网架结构疲劳寿命估算[D].太原理工大学，2010.