城市轨道交通小半径曲线钢轨磨耗研究

刘兵

摘 要：随着城市化进程加快，轨道交通建设项目明显增多，加强运行管理、降低运行成本，成为从业人员的研究重点。本文以小半径曲线段为核心，首先指出钢轨磨耗的特点，然后分析了相关影响因素，最后提出几点防治措施，以供参考。

关键词：轨道交通；小半径曲线；钢轨磨耗；防治措施

中图分类号：U213.42 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）11-0062-01

在城市轨道交通中，小半径曲线地段的钢轨磨耗问题一直存在，相比于地面道路系统，轨道交通对周边环境的要求高，轨道结构会采用减振设计。但是，曲线半径过大，会增加工程建设成本；曲线半径过小，不仅影响行车舒适度，也會产生明显的钢轨磨耗。以下结合实践，探讨了钢轨磨耗的影响因素和防治措施。

1 城市轨道交通小半径曲线钢轨磨耗特点

1.1 侧磨明显

轨道交通受环境的干扰明显，常采用小半径曲线设计，在不同列车、轴重、速度的影响下，就会造成钢轨磨耗。分析钢轨损伤的特点，主要表现为：（1）接触疲劳裂纹；（2）剥离掉块；（3）钢轨侧磨；（4）顶面波磨；（5）轨头压溃。在小半径曲线段，钢轨侧磨和使用寿命密切相关，侧磨造成的损害会缩短正常的换轨周期。举例来说，在上海轨道交通中，某一区段的最小曲线半径为300m，钢轨使用寿命仅有6个月。

1.2 波磨异常

轨道交通为了满足行车安全性要求，在结构中采用减振设计，以减振型扣件为例，具有价格低廉、施工方便、可以维护等优势，因此应用广泛[1]。但调查发现，在使用减振扣件的区段，钢轨波磨异常。举例来说，在北京地铁4号线中，采用多种减振结构，运行1个月后就出现了异常波磨，波长约为60mm。而在《地铁设计规范》中，明确指出减振设计的同时，不能影响轨道结构的稳定性、平顺性、强度指标，显然波磨异常不满足规范要求。

2 小半径曲线钢轨磨耗的影响因素

2.1 线路环境

单纯从线路环境角度来看，钢轨磨耗的影响因素包括曲线半径、轨道刚度和阻尼、轨道几何参数等。具体分析如下：（1）轨道曲线半径越小，轮轨之间的滑动性越强，就会增加钢轨的磨耗。（2）轨道横向、竖向的刚度降低，结构弹性就会提高，列车运行对轨道产生的冲击力减弱，能减轻钢轨侧磨。（3）阻尼轨道越小，钢轨和列车之间的接触越密切，造成的波磨越严重。（4）超高、轨距、轨底坡度等几何参数，均会对侧磨、波磨产生明显影响[2]。以轨距为例，保持较小轨距能提高列车运行稳定性，尤其避免出现蛇形运动现象，从而减少轮轨侧磨。

2.2 运营条件

列车型号不同，其行走性能也不同，一般情况下，混跑产生的波磨较小，反之则会增大波磨。具体到曲线段，在特定速度下通过的列车数量多，以限速路段、长坡道路段、车站附近路段为代表，钢轨波磨比较严重。以坡度为例，列车在较大坡度路段上爬坡运行，不仅受力复杂，也会加剧钢轨磨耗。

2.3 走行结构

调查研究显示，轮轴和弹簧的刚度小、轮缘摩擦系数小、轴重过大等，均会促进钢轨波磨的出现和发展。以摩擦系数为例，列车在长期运行中，和钢轨接触的轮缘、踏面会发生变形磨损，通过加工修正虽然能恢复几何尺寸，改善轮轨的受力状态，但是镟轮过于集中，又会加剧钢轨的磨耗。

2.4 其他因素

第一，轮轨的黏着系数越低，有利于波磨形成。第二，两曲线间夹直线过短，会加剧列车对曲线段的冲击，从而促进侧磨发展。第三，车辆制动。结合列车运行的实际情况，在大坡度区段频繁制动、起动，会加剧轨道磨耗，且磨耗具有不均匀性[3]。类似地，列车在小半径曲线段频繁制动、起动，也会导致钢轨明显磨耗。第四，钢轨打磨。结合广州地铁的运行数据，利用工程车对钢轨打磨后，虽然波磨得到控制，但侧磨发展速度加快，是打磨前的3-4倍。

3 小半径曲线钢轨磨耗的防治措施

3.1 调整轨道参数

影响钢轨磨耗的轨道参数，主要是超高、轨距、轨底坡。结合国内外的理论分析和测试结果，可知超高过大、轨距过大，均会加剧钢轨侧磨，但也会受到实地环境的限制。例如：上海地铁轨道设计采用欠超高，现场测试显示侧磨较小；广州地铁轨道设计采用大量过超高，反而有利于减少侧磨。总结来看，轨道参数对钢轨磨耗的影响具有复杂性，且超高、轨距、轨底坡的设置会相互干扰，因此不能一概而论。对此，应该全面分析小半径曲线段的环境条件，并结合现场实测数据，对轨道参数进行合理调整。

3.2 优化转向机构

在小半径曲线上，若轴间具有一定自由度，能有效降低噪音，减轻轨道磨耗。以径向转向架为例，将其应用在曲线段中优势如下[4]：（1）平面转弯半径小，相比于黏着驱动式系统，最小转弯半径从200m减小至80m。（2）方便平面选线，能避开规划建设或正在建设的建筑物，显著降低造价成本。（3）在关键部位，车轴能产生一定转角，通过改变轴距减少车轮和钢轨之间的摩擦。（4）没有旋转和传动系统，列车运行时的噪音能明显降低。（5）转向结构的体积和自重减小，可以降低隧道面、高架结构的几何尺寸，从而降低建设成本。

3.3 钢轨涂油打磨

第一，涂油。实测数据显示钢轨涂油后，侧磨速率降低达到80%以上，还能抑制钢轨波磨、顶面剥离等情况。值得注意的是，涂油技术要点如下：（1）控制涂油量。涂油过多会影响列车的牵引和制动，涂油过少发挥不出减磨作用，可利用油脂输出量、电子涂油器、量规等，对涂油量进行控制。（2）轨道在超声探伤前不能涂油，还要擦除油脂。（3）钢轨出现裂纹后，油脂会进入钢轨内部，会加快裂纹发展，对此应该磨掉裂纹或者更换钢轨。

第二，打磨。钢轨打磨能去除脱碳层和表面损伤，形成满足要求的打磨廓面，从而改善轮轨的接触情况。打磨时的注意事项如下[5]：（1）适当延长打磨周期，可将手工打磨、机械打磨相结合，针对波磨发展较快区段进行预防性打磨，能延长打磨周期。（2）运营部门要科学配置打磨车，一般每200km配置1台打磨车。（3）线路开通前，对钢轨进行统一预打磨，并将打磨费用纳入铺轨施工费用中。

3.4 减振设计

以减振扣件的使用为例，上海地铁规定：曲线段半径低于800m的区段，或者道岔区段，不能使用剪切型减振器；北京地铁规定：谨慎使用扣件类减振元件；乌鲁木齐地铁规定：全线不使用扣件减振。结合实际工程，减振扣件的使用，要综合分析减振性、耐磨性、经济性等因素，要合理设置弹性和阻尼，不能单纯追求低刚度，必要时要采用间距加密措施。

3.5 工艺控制

随着工艺技术的进步，钢轨无缝焊接成为现实。以上海地铁交通为例，2006年以前均采用厂焊工艺，之后则推广应用现场焊工艺，成为轨道线路无缝焊接的主流方法。但是，调查发现厂焊焊头没有损伤记录，现场焊焊头则存在许多问题。对此，有条件的区段应优先选择厂焊工艺，能提高焊头质量、减轻钢轨磨耗。

4 结语

综上所述，城市轨道交通运行中，小半径曲线钢轨磨耗是一个常见问题，具有侧磨明显、波磨异常的特征。分析可知，钢轨磨耗的影响因素包括线路环境、运营条件、走行结构等。通过调整轨道参数、优化转向机构、钢轨涂油打磨、减振设计和工艺控制，能实现预防目标，减少小半径曲线段的钢轨磨耗。

参考文献

[1]陆云.地铁小半径曲线钢轨磨耗的防治措施[J].城市轨道交通研究，2018，（1）：68-71.

[2]张斌，黄家豪.涂油技术对曲线钢轨磨耗与振动的影响分析[J].现代交通技术，2014，（2）：80-83.

[3]颜怡翥.广州地铁5号线小半径曲线钢轨磨耗分析[J].城市轨道交通研究，2011，（6）：55-57，63.

[4]戴春阳，胡华锋，高亮等.地铁运营条件与线路参数对曲线钢轨磨耗的影响[J].都市快轨交通，2011，（5）：6-10.

[5]沈钢，王捷.轮轨型面对车辆曲线通过性及磨耗影响[J].同济大学学报（自然科学版），2014，（1）：91-96.