关键词：道岔磨损；处理措施；预防措施
1 重庆地铁十号线道岔磨损现状调查
随着列车通过总重的不断增加，局部地段(如小半径曲线地段、列车折返地段、变坡点地段等处)钢轨磨耗的速度比较快，尤其是在起点、终点和出入段线道岔群，钢轨磨耗速度之快、分布之广泛、种类之多是全线道岔最严重的。经现场调查的道床磨耗部分基本现象：
（1）尖轨磨耗较大、尖轨连续的剥落掉块；
（2）导曲线上股、基本轨波浪纹、导曲线护轨侧磨、导曲线侧磨；
（3）曲基本轨波浪纹。
在道岔群中，普遍现象是非正常的磨耗伤损比较严重而且发展很快，尤其是在尖轨和辙叉心部位的磨耗情况是比较严重的。
图1 道岔辙叉心部位的磨耗图 图2 基本轨波浪纹图
2 原因分析
在对道岔钢轨侧磨进行研究分析时，首先要测量钢轨轨头的侧磨值，采用钢轨端面测量仪在轨头下两边的斜坡和轨顶面定位。该仪器的测量头采用百分卡的测量头，读数精度为0.01 mm，定位精度和读数精度较高。数据测量数据分析，此处的道岔群的磨耗普遍存在，根据长期观测的数据显示，磨耗的速度及磨损度比正常情况下要严重得多。形成这种状况的原因是多方面的。
2.1轨道框架结构横向刚度对道岔磨耗的影响
现场的轨道维修人员发现，轨道横向刚度对导曲线钢轨的轨头侧磨有影响，整体道床钢轨的侧磨速率要高于有碴道床钢轨的侧磨速率，混凝土枕地段的钢轨轨头要高于木枕地段的钢轨轨头侧磨速率，即使是同样混凝土枕地段，60kg/m钢轨的侧磨速率要高于50kg/m钢轨的侧磨速率。这些现象表明，轨道结构刚度与钢轨磨耗速率成正比，刚度越大，则磨耗速率亦越大。道岔的特殊构造决定了道岔区轨道的刚度要大于区间轨道刚度，造成道岔区刚度增加且变化不均匀的原因主要有：岔枕长度不一致，轨枕支撑面积就不一致，道岔区轨线多且轨头断面变化复杂，钢轨抗弯刚度变化较大。
在车辆动态分析中得出，随着轨道结构横向刚度的降低，轮轨之间的冲角也降低了。实际上，当轨道结构的横向刚度较大、轮对产生横向激励振动时，钢轨所产生的横向弹性位移较小，造成轮缘与钢轨侧面之间有较大的侧压力，加速了钢轨轨头的侧面磨耗。实践证明，增加轨下橡胶垫可有效降低轨道框架刚度，它除了减缓钢轨的磨耗外，还增加了轨道结构的垂直与横向弹性，减轻了列车对轨道的冲击作用，从总体上延长了轨道部件的使用寿命。但当列车速度较高时，轨下基础刚度过低会增大行车阻力。但大多数国内道岔群中，列车通过速度较低，并不存在这一问题。
2.2道岔导曲线圆顺度对钢轨侧磨的影响
由于钢轨接头、导曲线上的硬弯等病害，造成导曲线的圆顺度不良，并直接引起轮轨横向力及导向力的改变。当线路存在不圆顺点叫这一点就起到横向振动的激励作用，引起轮对、转向架甚至车体的横向振动，从而造成轮轨之问的振荡型不均匀侧磨。导曲线不圆顺的硬弯长度越短，引起的振荡就越严重，因此加强对轨道结构的养护，提高导曲线的圆顺度，有利于降低轮对的振荡作用，从而降低轮轨之间的不均匀的侧磨．从总体上能减缓导曲线钢轨轨头的侧磨。
钢轨接头处的支距和钢轨硬弯引起的导曲线圆顺度不良，对钢轨的轨头侧磨影响最为严重，有必要消火接头支距和钢轨硬弯，加强线路养护，确保接头夹板螺栓扭矩达到标准的要求。
2.3轮对蛇行运动对不均匀测磨的影响
众所周知，车辆轮对的锥型踏面在直线上行驶时会产生周期性横向摆动的蛇行运动，但在导曲线上行驶时轮对受离心力的影响，外轮有时贴靠钢轨，有时不靠而做有规律的横向运动，导曲线半径越小，在轮轨之间的横向振动所产生的横向力就越大。当轮缘贴靠钢轨时，在轮缘与钢轨侧面之间就作用有较大的横向力(轮缘力)，如外轮不贴靠钢轨，则轮缘与轨头之间没有导向力，而只有在轨面上的横向蠕滑力，此时横向蠕滑力加上作用在轮轨踏面的法向荷载的横向分力，就构成了外轨所受的横向力。往导曲线上各点作用的导向力大小不一样，从而形成了钢轨轨头的不均匀侧磨。
2.4改变轨道结构几何参数对磨耗的影响
轨道结构几何参数包括轨距、超高、轨底坡等参数。超高、轨距的大小对轮轨之间的导向力及冲角的影响较大，所以轨距、超高的设置对钢轨的侧磨具有很大的影响。由于轨距、超高直接引起导向力和冲角的变化，所以就直接影响钢轨轨头侧磨速率的大小。
列车通过导曲线时，横向力随着欠超高的增加而增大，当此横向力小干轮轨接触面上的横向蠕滑力时，轮对可实现蠕滑导向而轮缘不与钢轨轨头侧而接触。在小半径导曲线上，由于钢轨所受的横向力远大干轮轨接触面卜的蠕滑力，所以要有轮缘力参与导向，此时在钢轨轨头侧面就会发生磨耗。
2.5应用动力学理论对磨耗的成因进行分析
关于波纹磨耗产生发展的原因，主要的理论依据有两大类：一类是动力战因理论，包括轮轨接触共振理论、轮轨系统垂向振动理论、轮对横向振动理论等，男一类是非动力成因理论，包括钢轨冶余性能理论、残余应力理论、不均匀磨损及锈蚀理论、不均匀塑流理论、接触疲劳理论等。总的说来，动力作用是钢轨波磨形成的外因，钢轨材质性能是波磨的内因。轮轨相互作用的摩擦力也是产生磨耗的土要原因。
1.轮轨踏面上的必要摩擦力
列车在正常运行时的轮轨之间必须有足够的摩擦力来保证列车的正常牵引和制动，如果摩擦力过小，对列车制动距离就会过长，所以轮轨之间必须有足够的摩擦力来保证轮轨之间的粘着。这部分摩擦力作用的结果是产生垂直磨耗。
2.轮缘与钢轨轨头侧面的有害摩擦力
当列车通过导曲线时，由于轮缘以一定的冲角贴靠钢轨的侧面，在轮缘与钢轨侧面之间就会产生摩擦力。由于轮缘的滚动圆半径大于车轮踏面的滚动圆半径，所以轮缘就会在钢轨头侧面之间产生相对滑动，在轮轨之间侧向接触应力的作用下，轮轨之间产生磨耗。
根据过去的通过导曲线理论，车辆通过导曲线是靠导向轮外侧贴靠外轨内侧产生的轮轨导向力导向的。现代的曲线通过理论证明，在一定的导曲线半径和车辆结构条件下，可以不用轮轨贴靠时的轮轨导向力，而是用轮轨蠕滑力导向。对轨道的几何关系作一点改进，可以使外轨轮缘不贴靠钢轨或减轻贴靠时的冲角，这样可大大减轻轮轨力和轮轨磨损。列车通过导曲线轨道时，由于车辆转向架结构、车轮踏面形状、列车速度、外轨超高、轨距、轨底坡、轨道的垂直和横向弹性、导曲线圆顺度的不同，引起各轮对外轨横向力及冲角各不相同，所以影响轮轨之间的因素各不相同，而轮缘与轨头侧面的导向力和冲角也各不同。轮缘导向力冲角越大，侧磨也越大。
蠕滑中心法是目前公认的较为先进的计算轮轨之间导向力的计算方法。它用车辆动力学的研究成果，对摩擦中心法作了改进，采用了锥形踏面，考虑了轮对的偏载效应，引用了轮对之间的蠕滑理论和蠕滑系数的非线形理论，并用蠕滑力代替摩擦中心法中的摩擦力，使得计算精度得以提高，蠕滑中心法仍采用刚性转向架，其自由度仍是与摩擦中心法一样的力学模型。从运动学的角度来看，列车通过导曲线是有几何约束的平面运动，可以看成是两种运动的合成，一种是转向架沿导曲线切线的平动；另一种是绕转向架转动中心的转动，一旦中心位置确定了，整个轮轨之间的相对位置就确定了。假定列车的速度不变，导曲线半径、超高、轨距等轨道参数不变，则列车将做稳态运动。由于运动状态不随时间而变化，因而列车通过导曲线的动力学问题就可以简化为静力学问题来进行分析研究。
3 处理措施
3.1轮轨侧面涂油和车辆轮缘涂油技术的应用
润滑涂油就是在保证轮轨踏面之间必要粘着的前提下，减轻轮轨的摩擦力，达到减缓钢轨侧磨的目的。涂油可降低轮缘与钢轨侧面之间的滑动摩擦系数，在同样导向力的情况下可降低轮缘与钢轨侧面之间的摩擦功，从而降低钢轨的侧磨，此外钢轨侧面涂油可延长钢轨使用寿命3倍以上。工务涂油分为列车添乘涂油、地面涂油器自动涂油和地面人工涂油等几种方式。地面人工涂油采用人工推涂油小车，多用于导曲线磨耗较为严重的地段，人工涂油小车一般由走行轮、手推车架、存油箱、喷油咀等组成，油类用稀释性的油。国内大多数地铁采用的是地面涂油器涂油和人工涂油相结合的方式，收到了比较好的效果。
3.2道岔打磨技术的应用
为减轻钢轨波纹磨耗，对钢轨进行打磨是很有必要的，为提高打磨作业的效率，应该遵循以下两条基本原则：①增大左右车轮的滚动半径差，利用轮轨蠕滑力导向，减少冲击角和侧磨；②减小轮轨接触力(避免或减轻轮轨在轨距角处的接触)以减轻疲劳。因此，采用钢轨非对称打磨方式，即打磨导曲线上股和导曲线下股，以增大左右轮对的滚动半径差并获得蠕滑力导向，减少冲角并达到减轻侧磨的效果。非对称打磨的理论根据是增大左右轮的滚动半径差，这样才能在轮轨踏面上产生帮助转向架沿导曲线转向的蠕滑力，从而减少冲角和轮轨磨耗。
3.3采用合金钢轨及淬火钢轨
合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素融合在一起所得到的具有金属特性的物质。淬火是指将钢轨加热到某一温度，保持一定时间后快速冷却，获得马氏体和下贝氏体组织的热处理工艺，以提高钢材塑性、韧性、强度和硬度等指标。为减轻磨耗，广州东站道岔的钢轨采用的是低碳微钒的高强合金淬火钢。钢轨磨耗与钢轨的强度有密切关系，原西德的经验是钢轨强度每增加200MPa，其磨耗可减小一半。钢轨的耐磨性随着钢轨的强度增加而增大，应把提高钢轨的强度作为减缓导曲线钢轨侧磨的重要措施。由于导曲线钢轨侧磨相对比较严重，从而导致钢轨的使用寿命缩短。除在导曲线上采用强度较高的合金钢轨外，还采用了强度和硬度都较高的淬火钢轨，以延长导曲线钢轨的使用寿命。淬火轨和合金轨的硬度可达到321～338HB(布氏硬度)。由于轮轨是一对摩擦副，在改善钢轨材质的同时还必须注意到车轮踏面的材质，轮轨踏面的强度与硬度应与钢轨的强度与硬度接近。
目前，我国车轮钢的强度为800MPa，硬度为241HB；钢轨钢的强度为883MPa。高强度钢轨和全长淬火钢轨在轨头都有较高的强度。全长淬火钢轨能明显提高轨头的屈服强度和金属表面的疲劳强度，有利于抵抗轮载作用下钢轨的塑性变形和延缓轨面出现剥离掉块的现象。
3.4保持轨道结构几何尺寸参数
从上述分析中可知，轨道几何尺寸对磨耗产生的影响很大，道岔几何尺寸复杂，养护维修较为困难。道岔最容易出现的病害为尖轨的侧面磨耗和轧伤，以及辙叉的垂直磨耗和压溃。道岔转辙器起着迫使列车转向的作用，因而受到很大的横向冲击力。道岔的养护维修质量对尖轨磨耗有很大的影响，必须保证道岔的方向良好，要经常保持道岔上备部分轨距、轨距递减率、水平和前后高低尺寸符合标准，及时修理更换损坏的连接部什，保持相互间的紧密贴合，当发现不正常情况时，应立即采取措施消除病害，确保设备的正常运行。
3.5道岔高锰钢辙叉现场焊补技术
高锰钢具有可焊性，道岔高锰钢辙叉出现鱼鳞状裂纹和剥落掉块，可采用高锰钢辙叉现场焊补的措施。
高锰钢是一种含锰在11-14%，含碳1.2%，锰碳比在10以上的高合金钢。它具有高强度、高韧性的机械性能。在使用正确的热处理工艺后即获得一种在高负荷冲击下，表面层金属硬度迅速提高的性能，使其具有较高的耐磨性，而且表面耐磨层磨掉以后，下层金属能够迅速硬化，补充耐磨层从而形成表面强度、硬度好，耐磨、心部强度、韧性好，耐冲击、耐交变载荷的特性，非常适合制造辙叉。
《高锰钢辙叉电弧焊补技术条件》（TB/T 3083-2018）标准规定：铁路高锰钢辙叉在运营中出现表面磨耗、裂纹、掉块、压溃以及铸造缺陷时可以按该标准规定在线电弧焊补修理。该标准对高锰钢辙叉焊补用电焊条、焊补设备、焊补范围、焊补要求、焊后检查等均做了规定。 高锰钢辙叉在线焊补技术是国内外铁路工务领域普遍应用且成熟的技术，在焊补过程中严格执行上述铁道行业标准，并保证焊补质量。国内地铁青岛地铁2号线和3号线、长春地铁1号线高锰钢辙叉心轨顶面出现裂纹及剥落掉块，对辙叉进行焊补作业，效果非常好，焊补前后对比如图3、4所示。
图3 补焊前图
图4 补焊后图
4 前期施工阶段对道岔磨损预防措施
4.1道岔钢轨材质的要求
道岔各部件制作材料选择符合设计要求的材质，道岔钢轨联接件，高锰钢辙叉提高耐磨性，尖轨长度偏差为0、-4mm；叉跟尖轨长度偏差为±2 mm；翼轨、护轨长度允许偏差为±6.0mm；基本轨、配轨公称长度≤12.5m时，长度偏差为±3mm；公称长度>12.5m时，其长度偏差为 ±0.25‰。
生产中，考虑环境温度对钢轨件长度的影响；钢轨件上的螺栓孔的孔壁粗糙度、钢轨件轨腰螺栓孔均应倒角、基本轨、尖轨、配轨的行车部位、钢轨踏面不得留有深度顶弯压痕、基本轨应按施工图给出的支距进行预顶弯，严禁加热顶弯。严禁使用顶弯产生裂纹的钢轨。
4.2提高道岔安装精度
组装阶段要加强道岔几何尺寸控制，提高道岔安装精度，有效的控制在允许偏差范围内，不能出现滑床板吊空、尖轨不密贴、框距超标、支距超出允许偏差等现象。加强施工阶段的质量控制，提前安排工务人员介入施工检查阶段，对关键参数进行验收形成有效的文字资料。
4.3审查道岔防磨措施
提前预防要求安装道岔涂油器或者减磨剂措施，减少运营阶段磨损程度，增加磨耗备品备件数量。对道岔产品进行登记造册，形成可追溯性，对不合格产品厂家严禁进入采购厂家清单内。
5 结论
总之，为了减小出现道岔磨损现象发生，充分考虑从设计、施工和运营维护保养的角度，提出防治道岔磨损形成和发展。
参考文献：
[1]刘涌涛, 刘文涛. 广州地铁道岔群磨耗的成因研究及治理措施[J]. 都市快轨交通, 2004(04):45-48.
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论文作者:冯志宁
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷17期
论文发表时间:2019/12/3
标签：钢轨论文; 道岔论文; 磨耗论文; 曲线论文; 轮缘论文; 辙叉论文; 涂油论文; 《建筑实践》2019年第38卷17期论文;