陈凯
神华包神铁路集团有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯 017000
摘要：我国铁路部门为提高铁路运输效率，我国大力发展重载铁路运输，通过增加轴重，采用长编组，从而实现超大运量之目的。随着运量的增加，曲线钢轨磨耗尤其是小半径曲线钢轨的侧磨速率加快。钢轨侧磨缩短了钢轨的使用寿命，增加了铁路运营成本，通过对小半径曲线侧磨的影响因素的分析，从钢轨的材质、超高、轨底坡、养护等几个方面提出相应的防治措施。
关键词：重载铁路；统计分析；小半径曲线；侧磨速率；曲线超高；
一、曲线侧磨的影响因素
1.钢轨材质对侧磨的影响。钢轨类型和材质集中反映了轨道的等级水平，各国铁路均在增加钢轨重量和提高钢轨技术性能两方面下功夫。近年来，随着我国铁路运量的不断增长，60kg／m和75kg／m的钢轨所占的比重正逐年增加，钢轨材质也由普通碳素轨发展为合金轨及全长淬火轨。不言而喻，采用强韧的合金轨和全长淬火轨，对于减缓曲线钢轨的侧磨是十分有效的，从而提高了钢轨的使用寿命，减少了日常的养护维修工作量。
2.曲线半径对侧磨的影响。曲线钢轨的侧磨主要由于轮缘与钢轨侧面之间的滑动摩擦造成。滑动摩擦主要是因为列车通过曲线时，钢轨上下股半径不同，内外轮滚动距离不同，必然产生滑动摩擦，所以，曲线半径越小，冲击角越大，滑动距离也越大。因此，加大曲线半径对于减少钢轨的侧面磨耗是十分有利的。
3.不同轨距对侧磨量的影响。轨距是影响曲线钢轨磨耗的重要因素。轨距加宽，对于机车和车辆来讲，冲击角必然增大，导向力也将增加。适当减少轨距，可以改善机车车辆通过曲线的条件，使机车通过曲线时的轮轨导向力和冲击角都相应减少，从而减轻侧磨。因此，曲线轨距适当减小，对于曲线钢轨磨耗的减少是有利的。
4.不同轨底坡对侧磨的影响。轨底坡对轮轨几何接触点的位置及轮轨之间的受力大小有明显的影响，通过调整轨底坡改善轮轨间的接触关系，从而减少钢轨的侧磨。因此，若把曲线里股钢轨轨底坡加大，把曲线外股轨底坡减小，将会减少轮对通过曲线时的轮轨滑动量，进而有利于减缓曲线钢轨磨损。
5.曲线圆顺度对侧磨的影响，曲线钢轨不均匀侧磨的形成与曲线的圆顺度有相当大的关系。曲线的不圆顺可以看成是轮轨之间横向力的一个激励源，这些激励源使得轮轨的运行状态发生改变，从而造成轮轨导向力和冲击角的变化。实际上，由于存在不圆顺，不管是轮轨、转向架还是车体都获得了附加加速度，这样造成在曲线圆顺度的前半部分轮对横移加速度减小，后半部分轮轨横移加速度增加。所以，在曲线圆顺度不良范围的后四分之一段内，其导向力和冲角增大，从而导致钢轨侧磨增大。
6.影响曲线钢轨侧磨速率的因素，影响曲线钢轨侧磨速率的因素可分为轨道和机车车辆2大类。轨道因素又可细分为轨道部件几何特征、轨道部件材质、轨道几何形位和轨道结构力学行为几个方面。影响钢轨侧磨速率的因素，从轨道部件几何特征来看，包括钢轨廓形、道砟颗粒级配、道床砟肩堆高、道床肩宽等，其中后三者主要通过动力作用而间接影响钢轨侧磨速率；从轨道部件材质来看，主要是指钢轨的耐磨性能、涂油情况等；从轨道结构力学行为（与机车车辆密切相关）来看，主要是指导向力、轴重、行车速度等；从轨道几何形位来看，影响因素最多也最复杂，包括曲线半径、曲线圆顺度、轨底坡、外轨超高、未被平衡外轨超高、坡段坡度、坡段长度、坡段组合情况等。曲线钢轨侧磨是与轨道几何形位变化相关的，这种相关性导致了侧磨在曲线上不可避免，指出合理确定轨道几何形位的重要性。目前通常的做法是根据列车通过该曲线的加权平均速度和曲线半径来设置曲线轨道几何参数，如果曲线轨道几何参数设置不当，很可能造成轮轨力及冲角增大，甚至导致不良的轮轨接触点位置，从而加速曲线轨道钢轨的侧磨。在上述影响曲线钢轨侧磨速率的因素中，机车类型、行车速度、曲线半径、钢轨材质对曲线钢轨侧磨速率的影响规律已经十分清楚，而不同坡度条件下重载铁路外轨超高、未被平衡外轨超高对曲线轨道外轨侧磨速率的影响规律还有待研究。通过调查大量实测数据，分析不同坡度情况下外轨超高和未被平衡外轨超高对侧磨速率的影响规律。
7.曲线超高对侧磨速率的影响。由于曲线超高变化可直接引起轮轨之间导向力和冲角的变化，所以也可直接影响钢轨轨头侧磨速率的大小。大量的数据统计和研究表明，设置适当的欠超高对减缓钢轨侧磨有利。对包神铁路的曲线外轨侧磨进行了研究，认为用平均速度求得超高后，再减少10%左右对减缓侧磨相对有利。如要降低钢轨侧磨，则实设超高应小于根据平均速度计算的超高值，使大部分列车以欠超高通过，根据现场经验，一般认为实设超高值比计算值减小15%较合理。介绍了半径为450 m的曲线，超高从理论值95 mm调整为90 mm后，换轨周期比调整前延长了1/3。经过理论分析，认为应先按最高容许速度确定超高最小值，即在最高容许速度下保证车辆不至于向外侧倾覆的最小超高，在此基础上保留一定的安全系数（稳定系数）并考虑旅客在车上所能忍受的最大容许未被平衡离心加速度，在此前提下尽量减少外轨超高，以减轻外轨侧磨和机车车辆轮缘的磨耗。
二、侧磨数据分析的基本方法
1.单因素分析法。由于影响曲线外轨侧磨速率的因素非常多，如果将这些因素放在一起来分析，难度非常大，因此有必要采用单因素法进行侧磨速率分析。采用单因素法分析时，其他几个因素也很难完全相同，若按此条件去筛选数据，很可能得到的样本数太少而无法作进一步的分析，因此，当某一因素位于某个合理的范围内时即可认为该因素相同。将曲线所在坡段的坡度、一昼夜通过曲线的加权平均车速及曲线半径限制在一定取值范围，然后筛选出相应的曲线外轨侧磨数据，最后再进行侧磨规律分析。
2.侧磨速率的计算方法。单就某一铁路区段来说，侧磨速率表达式为
（1）
式中：Vr为所调查点外轨的侧磨速率，mm/月；Ｒa为所调查点的侧磨值，mm；Tm为钢轨使用月数，月。当要对比运量不同的2条线路或2个区段时，由于式（2）没有考虑通过总质量，因此无法进行运量不同的2条线路或2个区段磨耗快慢的对比。因此，更加合理的侧磨速率表达式为
（2）
式中：VrG为所调查点外轨的侧磨速率，mm/（月·亿t）；Gz为该曲线钢轨累计通过总质量，亿t。
三、未被平衡外轨超高对侧磨速率的影响分析
未被平衡外轨超高尤其是过超高对侧磨速率影响较大。分析未被平衡外轨超高对侧磨速率的影响规律时，应选择曲线半径、平均速度、纵断面坡度位于一特定小范围内的曲线数据。选取坡度在－9‰～9‰，加权平均车速在60±5 km/h，曲线半径在400～600 m的曲线的外轨侧磨数据，得到符合要求的数据有40条。对实设超高和侧磨速率数据进行整理。如图1所示，可以看出，数据点非常离散，无法找出其相关关系。
图1实设超高和侧磨速率相关数据
将未被平衡外轨超高和侧磨速率数据用散点图来表示，如图2所示。对比图1和图2（a）可以看出，图2（a）的数据相比图1离散性减弱。对图2（a）中的散点进行多项式拟合，发现采用6次多项式拟合效果较逼近
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实测结果。从图2（a）可以看出，侧磨速率存在2个极小值，从车辆-轨道耦合动力学角度，这种拟合结果与理论及现场实际不相符。
图2未被平衡超高和侧磨速率的关系
造成上述结果的原因，可能与坡度未进一步限制在更小范围有关。观察了包神铁路曲线磨耗规律，认为列车制动与启动会增加轮轨横向力，对钢轨轨头侧磨产生不利影响。从图2（b）—图2（d）可以看出，无论是哪一个坡度范围，所拟合的样条曲线函数都具有侧磨速率的最小值，且最小值均出现在欠超高情况下。其中，纵坡在－9‰～－3‰范围时侧磨速率最小值出现在欠超高2 mm左右；纵坡在－3‰～+3‰范围时侧磨速率最小值出现在欠超高5 mm左右；纵坡在+3‰～+9‰范围时侧磨速率最小值出现在欠超高1 mm左右。从图2（b）—图2（d）还可以看出：（1）适当的欠超高，即上述各图中的样条曲线函数最小值附近，能够在最大程度上减缓钢轨侧磨；（2）从理论上讲，机车车辆通过曲线时横向力随着欠超高的增加而增大，当此横向力小于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面接触；在小半径曲线上，由于钢轨所受的横向力远大于轮轨接触面上的蠕滑力，所以需要有轮缘力参与导向，此时在钢轨轨头侧面就会发生磨耗。左侧离样条曲线函数最小值处越远，即进一步增加欠超高值，侧磨速率会增加，说明并非所有的欠超高都可以减缓钢轨侧磨；（3）右侧离样条曲线函数最小值处越远，即进一步减小欠超高，或者变为过超高，侧磨速率也会增加；（4）大牵引力情况（纵坡在+3‰～+9‰）下，按照理论超高值（由于各列车车速不同，绝大部分的列车在通过曲线时都存在未被平衡外轨超高，要么过超高，要么欠超高）设置外轨超高，侧磨速率已经接近于最小值；（5）制动工况下（大约纵坡在－9‰～－3‰范围，实际上不一定所有的列车都制动），受到牵引曲线图中限速线（即遇紧急情况时，司机可操纵列车在规定距离内制动停车的限速线）和列车制动力影响，采用较大的欠超高有利于减缓侧磨；（6）在小牵引力或惰行工况下（大约纵坡在－3‰～+3‰范围，实际上可能并非所有列车都是牵引或惰行），只要比理论超高值稍小2 mm左右，即可最大程度地减缓侧磨；（7）在过超高条件下，虽然轮轨之间的蠕滑力小于摩擦力，但由于存在较大的冲角，使轮缘与钢轨接触，从而产生曲线外轨轨头的侧磨，从图2（b）—图2（d）也可以看出该特点。
四、建议与研究方向
某地区重载铁路小半径曲线未被平衡外轨超高对钢轨侧磨的影响规律，并针对研究结果提出如下建议：（1）对于绝大部分列车为货物列车的重载铁路，在进外轨超高设置时，应充分考虑曲线所在的坡段坡度、坡段长度等因素；（2）由于线路养护技术水平的提高，不应再按照5 mm整倍数去设置外轨超高，而应使外轨超高值精确到1 mm；（3）鉴于未被平衡外轨超高对钢轨侧磨的影响较大，且磨耗本身就是一种轮轨关系作用结果，建议充分运用机车大数据中的速率数据及机车运行工况数据，以精确计算所需外轨超高值，便于工务部门对曲线轨道进行精准维护。下一步将在以下几个方面研究：①仅讨论了部分坡段坡度范围内未被平衡外轨超高对小半径曲线钢轨侧磨的影响规律，长大下坡与长大上坡道上未被平衡外轨超高对钢轨侧磨的影响规律还有待于做进一步的研究。②仅讨论了北方地区小半径曲线轨道未被平衡外轨超高对钢轨侧磨的影响规律，南方地区曲线外轨侧磨规律、南北方之间小半径曲线上未被平衡外轨超高对钢轨侧磨规律的影响差异性等还有待于做进一步研究。③研究一种可以搭载于机车车辆上并能连续精确快速测量钢轨侧磨值的设备，从而为运用大数据技术分析钢轨磨耗规律及更加合理设置曲线外轨超高提供前提条件。
总之，希望生产钢轨的厂家应当提高钢轨质量，在钢轨的轧制、冶炼、校直等等生产环节引入先进技术，以适应高速重载铁路的发展。建议有关部门从理论上研究行车速度、车辆构造、轮轨关系等因素对线路曲线侧磨的影响，以便更好的整治曲线地段钢轨的侧磨，延长钢轨的使用寿命。
参考文献
［1］孙敏．铁路曲线钢轨磨耗及其减缓措施．2017.
［2］谭海波，浅谈重载铁路曲线超高对外轨侧磨速率的影响.2017.
论文作者:陈凯
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/9
标签：钢轨论文; 曲线论文; 速率论文; 半径论文; 轨道论文; 磨耗论文; 未被论文; 《建筑学研究前沿》2019年1期论文;