南京地铁运营有限责任公司
摘要：发展轨道交通是解决交通问题、促进城市发展的最佳途径，城市轨道交通是城市公共交通的骨干。城市轨道交通中钢轨的质量、工作状态对整个线路的质量和行车安全有着直接的影响。本文通过分析伤损发生的原因及发生条件，提出相应的对策措施，尽量减缓钢轨伤损，避免严重伤损，以延长钢轨的使用寿命，确保轨道交通运输的安全和降低运营成本。
关键词：钢轨、伤损，原因，管控
前言
随着我国城市的发展，出行需求增加，但由于道路交通的昂贵费用和运行的拥挤状况，轨道交通，尤其是地铁成为成千上万乘客更适合的选择，可以说在很多城市，地铁逐渐成为上班族的生命线。城市轨道交通安全涉及因素较多，无论在设计阶段、施工阶段还是运营阶段，都隐含着触发事故的潜在条件。其中轨道作为轨道交通的行车基础，其坚固的稳定性和正确的几何状态是地铁安全运营的保障。而钢轨是轨道的主要部件，它直接支撑并引导车辆的运行，承受车轮荷载并将其传于轨枕，同时为车轮提供连续、平顺、阻力最小的滚动面，因此，钢轨质量和工作状态的好坏，都会直接影响到轨道交通的安全性与舒适性。随着城市轨道交通客运量和运营年限的不断增加，钢轨伤损问题越来越突出，研究钢轨伤损成因及防治技术就显得越来越迫切。2000年10月17日伦敦地铁因钢轨折断发生列车出轨事故，造成4人死亡，30余人受伤。2003年4月13日京广线汉水铁路桥一钢轨折断，经紧急抢修，未发生事故，影响北京至广州T15次特快列车中断行车半小时。浙赣线上行K529+36号轨右股小腰轨头断裂，由于巡道工发现及时并采取防护措施，养路工区及时更换钢轨，才保证行车安全。因此，正确认识和掌握钢轨伤损以及伤损发展的规律，主动防范，是亟待解决的课题。
一、地铁钢轨伤损分析的意义和方法
1.1 地铁钢轨伤损分析的意义
钢轨伤损的产生和发展，直接影响着钢轨的使用寿命。因此，钢轨的伤损检测分析技术是城市轨道交通工务专业技术人员的必需掌握技术。通过钢轨伤损的统计分析，可描绘出通过总重与钢轨伤损之间的关系曲线，以便掌握伤损规律；根据伤损发展规律合理安排探伤周期，可掌握伤损发展动态；还可以依据各类伤损的发生与发展规律，合理组合探头进行重点探伤，组织技术攻点，突破探测难点，以便反馈指导探伤实践；另外，同期铺设，通过总重相同的钢轨，其伤损分布差异明显，对于经常发现伤损的区段及伤损突变或持高不下的钢轨应及时通报，提供养护信息，以便改进养护作业质量，提出大修换轨方案；新轨使用后，应注意突发性裂纹的发生，依据早期伤损产生的频率，来评估新轨质量，向有关部门反馈质量信息。
1.2 钢轨伤损分析方法
地铁工务工作中应非常重视钢轨探伤分析：各线路钢轨探伤详细记录伤损情况，有钢轨伤损台帐和钢轨设备资料，建立每月分析制度及时报送《钢轨伤损检查季报》；定期召开钢轨伤损分析会，及时掌握管内钢轨伤损发展动态，提出养护维护、设备整治以及加强检查监视等意见；对于重点地段及薄弱处所，组织进行现场调查分析，全面掌握钢轨状态，根据统计分析结果及时通报伤损情况，提出线控重点和加强钢轨探伤工作意见和措施。
二、伤损种类及形成原因
2.1 钢轨伤损现状分析
钢轨作为一根支撑在连续弹性基础或点支撑上的无限长梁进行工作的。它主要承受轮载作用下的弯曲应力，同时还要承担轮轨接触点上的接触应力，以及轨腰与轨头或轨底连接处可能产生的局部应力和温度变化作用下的温度应力。在轮载和温度力的作用下，钢轨产生复杂的变形，如压缩、伸长、弯曲、扭转、压溃、磨耗等。
2.2钢轨伤损机理及成因分析
2.2.1 钢轨伤损机理
从宏观特征及形成机理来说，钢轨伤损的发展主要分为3个阶段。[1]
（1）轨面塑性变形阶段：这时表现为轮轨接触面表层金属发生塑性变形，使钢轨断面的几何形貌发生变化，主要为轨头踏面轨伤，其实质为在重复冲击载荷作用下的疲劳损伤。这种长期作用的冲击荷载产生应力集中现象，当集中应力达到钢轨表层金属材料的屈服极限时，使钢轨产生塑性变形。该阶段亦可称为冲击疲劳阶段。
（2）轨面剥离伤损阶段：钢轨表面的塑性变形达到一定深度时，在钢轨作用边(特别是在曲线上股)出现程度不同的鱼鳞状裂纹和剥离掉块。这种鱼鳞状剥离裂纹的裂纹方向与行车方向一致，一般与轨面水平夹角为15°左右。随着进一步的发展，可在鱼鳞状裂纹和剥离掉块周边形成纵向裂纹，同时剥离裂纹、纵向裂纹和剥离坑底部的残余裂纹有可能向深度方向扩展，导致形成轨头横向裂纹或伤损。这类伤损的实质是在交变接触压应力长期作用下，在钢轨材料表面产生的疲劳损伤，其主要特征表现为钢轨材料的点蚀、浅层剥落或深层剥落。该阶段也可称为接触疲劳伤损阶段。
（3）疲劳伤损阶段：该阶段疲劳破坏时不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂，但其疲劳宏观断口呈现典型的疲劳源、疲劳区、瞬断区3个形貌不同的断口区域。若钢轨进入疲劳伤损阶段，其伤损主要表现为轨头内部疲劳裂纹，其特点是当裂纹发展到较大面积或发展到快速扩展阶段时，裂纹才会发展到轨头表面，造成断轨，因此轨头表面一般没有表面伤损。疲劳破坏最终的表现为突然的脆性破坏，危害极大。
2.2.2 钢轨伤损成因分析
（1）踏面压溃：控制该类型伤损出现的是钢轨集中应力的作用，即由于轨道线路设置的不平顺，产生较大的冲击动荷载，钢轨在重复冲击载荷的作用下，表面金属屈服产生塑性变形。因此，控制该类伤损的首要因素是改善线路及轨面的平顺性，除线路几何形态保持良好外，还应对产生波浪型磨耗的钢轨进行轨面打磨处理，避免车辆运行过程中出现较大冲击动荷载的作用。
（2）纵(横)向裂纹及鱼鳞伤与掉块：控制此类钢轨伤损的主要因素为线路曲率半径，同时下坡的纵线路加剧了其伤损。根据前述伤损机理分析，由于轮轨的接触，在接触处产生σz>σy>σx的三向压应力；在长期的这种接触应力的作用下，在最大切应力处钢轨出现局部塑性变形，形成纵(横)向裂纹及鱼鳞伤，并进一步发展为掉块的伤损。因此，该类伤损的首要因素为轮轨接触关系，应将轮轨接触面积控制在合理的范围之内。特别是在小半径曲线段，应尽量避免因接触面积过小而引起接触应力过大，或引起长期滚动摩擦过大。在地铁现有线路行车条件下，应根据实际运行情况调整轨底坡，改善轨面磨光带位置，使其处于正常的轮轨接触范围，尽量避免磨光带长期靠近轮缘。
2.3 地铁常见伤损种类及形成原因
2.3.1地铁常见钢轨伤损种类
以南京地铁一号线为例：从一号线开通至今，共发现伤损152处，伤损情况（见表2-1），伤损分类（见表2-2）.
由此可见，地铁常见钢轨伤损为：
第一类，轻伤及轻伤有发展主要类型：掉块、划伤，焊缝伤损、锈蚀、磨耗、擦伤及其他伤损
第二类，重伤主要类型：
（1）与母材有关的重伤，如轨头核伤、轨头表面碎裂或剥离掉块、轨头裂纹、轨腰伤损、轨底伤损等
（2）与焊接有关的重伤，如焊缝裂纹，气孔、过烧、夹杂、未焊透、光斑、灰斑等
（3）与钢轨接头有关的重伤，如孔裂，下颚裂纹、扩孔等
（4）其他伤损，如锈蚀、磨耗、擦伤等
2.3.2 地铁常见伤损形成的原因
城市轨道交通作为城市客运主体，运营时间长、行车密度大、安全性要求高，维修条件差、隧道所占比重大，所以伤损也有自身的特点。
（1）剥离掉块：钢轨接触应力大于钢轨屈服强度是造成剥离的外因，钢轨踏面存在夹杂物是造成剥离的内因。除钢轨质量外，线路不平顺、轮轨润滑油工艺不当也能引起剥离掉块。
（2）核伤：它与通过的总重成正比增加。夹杂物如钢轨本身存在白点、气泡通常是疲劳源，由其开始微裂纹逐渐发展为核伤且与表面伤损贯通，氧化形成黑核。因此延长钢轨使用寿命，减少核伤关键在于提高钢轨质量。
（3）裂纹：钢轨制造工艺不良，存在严重偏析、缩孔、夹杂等，留下疲劳源，便会导致轨头水平或垂直裂纹，轨腰垂直裂纹或鼓包。如果加工时存在轧痕、皮下鼓包等缺陷，就会使钢轨轨底产生裂纹或折断。
（4）焊接接头伤损：包括铝热焊、气压焊、闪光接触，由于焊接设备、材料、气温、操作工艺等诸多因素会影响焊接质量，最终会导致焊接接头伤损。铝热焊接头尤其严重，焊接过程中，如不严格执行工艺要求，在焊缝内极易产生夹渣，气孔、缩孔、疏松、未焊透等伤损。气压焊在高温、高压下将钢轨两端融化再结合，其缺陷形成与铝热焊不同，处外部缺陷外，即几何形状偏差和局部凹陷外，另一个是内部缺陷，即光斑，过烧、未焊透、粗晶组织等。闪光接触焊是利用电阻加热使钢轨断面融化，达到预定温度，迅速施加顶锻力完成焊接的方法。如焊接工艺不当，易产生灰斑、过烧、未焊透等缺陷。
（5）钢轨接头伤损：钢轨接头是线路的薄弱环节。车轮作用在钢轨接头的惯性力要比其他部位打60%左右，如果钢轨接头养护不良，存在高低接头、空吊板、大轨缝等病害，就会增大冲击力，加剧对钢轨接头的破坏。钢轨接头伤损突出表现为螺孔裂纹，此外还有下颚裂纹，鞍型磨耗等。另外，螺孔加工质量不高，螺孔周围有毛刺或缺口等，会形成局部应力集中，导致螺孔裂纹的产生。
三、伤损防治与管控
3.1 伤损防治
3.1.1 提高钢轨质量
我国城市轨道交通钢材选用以国产铁路钢材为主。改善钢轨内部质量和表面质量，防治钢轨伤损，研制生产强度高，韧性好，抗疲劳、耐磨耗的新钢轨是切实提高钢轨质量的主要途径。钢轨材质不纯，淬火工艺不当是疲劳伤损的主要原因，所以在钢轨用钢的冶炼过程中应采用精炼，真空脱气使钢质净化，尽量减少钢中非金属夹杂物，减少疲劳剥离和核伤的发生。
3.1.2 加强综合养护
加强曲线养护，对磨耗较严重的曲线进行钢轨涂油，波磨严重的地方及时对钢轨进行打磨，加强接头养护，及时整治接头病害，加强无缝线路养护，做好无缝线路防胀、防断工作，做好钢轨防锈、除锈及养护工作。
3.1.3 整治及修复措施[2]
（1）通过改善线路状况尽量减少伤损出现，对已形成的伤损减缓其发展，对已发展到一定程度的伤损要进行加固或更换，从而消除隐患，延长钢轨使用寿命。对异常爬行的轨条及时进行应力放散，减少钢轨内部应力集中的现象，改善钢轨受力状况，对钢轨硬弯进行矫直，对个别有轻微高焊头打磨顺直，使轨面平顺，减小列车的冲击，防止发展为内部伤损。对低塌焊头进行焊补或打磨。
（2）轨端不均匀磨损和掉块、擦伤是钢轨运营过程中产生的各种伤损和缺陷的主要形式。这些病害引起机车车辆的巨大附加冲击力，使线路变形加剧，不仅缩短了轨道各部件的使用寿命，而且还增大了养护维修工作量。因此，需要对钢轨表面病害及时整治。钢轨表面的整治工作包括磨修和焊接。
①磨修，就是采用砂轮打磨机消除接头表面不均匀磨损或焊补掉块、剥落等缺陷后的打磨顺平。常用的钢轨打磨机一般有手砂轮机、平型砂轮机和碗形砂轮机，其中碗形砂轮机使用效果最好，轨面打磨质量优于其他2种砂轮机。为了不过多地削弱钢断面，打磨母材深度不宜大于0.5mm，顺坡长度宜大于1m。若轨面不均匀磨损、掉块、擦伤等病害接近或大于1mm时，应以焊修为主。
②焊修轨面，目前主要采用氧乙炔焊、电弧焊和氧乙炔焰金属粉末喷焊3种技术。氧乙炔焊加热温度高，影响范围大，线上焊修要求在来车之前降温至30℃以下，多数采用浇水冷却的办法易使轨面洋火层龟裂剥离，这种方法已逐渐被淘汰。手工电弧焊是目前最常用的方法，但需要进行焊前预热、焊后处理，不仅携带的设备多，现场转移不方便，而且效率低，占用时间长。喷焊具有气焊温度高、电弧焊设备多的缺点，而且使用氧和乙炔时对操作安全要求较高。目前辙叉的焊修主要是换下伤损辙叉，在厂内焊修。可见应尽快采用先进的焊修技术进行线上焊修钢轨和辙叉，以提高钢轨的使用效率。
3.2伤损管控
3.2.1 做好钢轨探伤检查工作
进一步做好钢轨探伤检查工作，力争做到不漏检、不错判。提高员工技能水平，提高探伤效率和准确率，加强员工安全意识和责任心，完善探伤检查工作。
3.2.2 加强伤损的监控管理
（1）加强对伤损监控卡的管理，对现场伤损分级管理并统计记录
（2）严格执行钢轨探伤周期制度，加强对钢轨伤损发展情况的探伤监控及报告，重点地段应加密探伤
3.2.3 在线伤轨处理
钢轨外部和内部伤损都有可能在车轮和温度应力作用下导致断轨，因此在线伤损钢轨加固急救装置必须具有以下功能：[3]
（1）预防断轨：当发生钢轨伤损时，安装伤损钢轨加固急救装置预防钢轨断裂，保障列车按规定的限速或常速继续运行，保障行车安全。
（2）断轨应急处置：当线路突发断轨时，可快速应急加固，同时恢复正常的线路信号，使列车按规定的限速继续运行，待天窗点进行永久处理。
（3）多适应性：一是钢轨伤损对象的多适用性，能处理焊接接头伤损和多类型钢轨母材伤损；二是安装功能的多适用性，即能夹具安装、螺栓安装和胶接安装；三是对伤损、断轨发生位置的多适用性，当钢轨在长度方向任何位置发生伤损或断轨，能不受轨枕、扣件等轨道部件的影响，正常、快速地进行急救加固；四是能适用于有碎和无碎轨道，尤其要能适应无碎轨道不同型号轨道板使用。
参考文献
[1]张安哥，朱成九，陈梦成.疲劳、断裂与损伤[M].成都：西南交通大学出版社，2006(2):16~18
[2]罗乃娟.钢轨伤损原因及防治[J].西铁科技，2004(1)：47~47
[3]田常海，龚佩毅，马子河.在役钢轨发生伤损的规律及减少伤损的对策[J].中国铁路，2005(7)：27~28
论文作者:孙兵
论文发表刊物:《基层建设》2017年第32期
论文发表时间:2018/1/18
标签：伤损论文; 钢轨论文; 裂纹论文; 应力论文; 疲劳论文; 线路论文; 质量论文; 《基层建设》2017年第32期论文;