城市交通轨道钢轨伤损原因分析及防治措施

吴昊真 雷震宇

摘 要：随着我国城市的发展，出行需求增加，地铁成为了人们出行的必备之选。而钢轨作为轨道的主要部件之一，直接承受车轮荷载并将其传于轨枕。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。因此，我们需要分析好钢轨伤损的原因，并采取好防治措施做好保障，以确保交通轨道的质量。

关键词：轨道；钢轨伤损；原因分析；防治措施

本文主要针对城市交通轨道钢轨伤损的原因及防治措施展开了探讨，通过结合具体的工程实例，对轨道钢轨伤损的原因作了系统分析，并给出了一系列相应的防治措施，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。

一、基本情况

北京地铁某线路车辆最大轴重为16t，最高运行速度为80km/h；正线为1435mm标准轨距，1/40轨底坡，平面最小曲线半径为350m，线路最大纵坡为30‰；全线铺设普通无缝线路，采用U75V（PD3）60kg/m钢轨。

二、伤损特征及发展过程

1.轨面掉块特征

通过对现场进行超高验算、轨底坡测量、钢轨顶面光带测量，以及对钢轨顶面裂纹、掉块的观察，发现了一些特征：

（1）掉块只发生在曲线上股钢轨中轴线内侧，外侧没有发生；直线、曲线下股不发生剥离掉块。个别夹直线也发生了掉块。

（2）曲线半径越小，掉块越严重。

（3）掉块严重地段位于列车进站前，距离车站约400m处，出站方向曲线无掉块现象。

（4）相邻掉块发生的间距约为450mm，逐渐向两侧延伸。

（5）曲线上股钢轨发生掉块处，钢轨无侧磨或不明显。

2.轨面掉块的发展过程

（1）掉块在地铁开通后1年左右出现。

（2）轨面掉块由裂纹发展而成，掉块是裂纹发展的最终结果。

（3）裂纹发生在曲线上股，在轨面内侧离行车边轨顶圆弧上5～10mm处。裂纹大致平行，长约15～25mm，与钢轨横截面交角在45°左右，开口的方向与车轮滚动方向一致。裂纹处用手触摸有明显毛刺感觉。

（4）当裂纹深度不断发展、局部接触应力及其它外力急剧减少时，在粘着力作用下车轮会卷起裂纹开口形成表面掉块。现场的掉块均为薄块状，长度小于15mm，深度小于3mm，寬度在5mm左右。

（5）轨面发生掉块后，造成缺口区域应力集中，并影响行车的平稳性，增大了动力冲击作用，这又促使缺口区域裂纹的产生和发展，形成新的掉块。

（6）随着掉块的不断发展，裂纹会沿钢轨表面向钢轨内部发展；当裂纹到达一定深度时会造成钢轨头部断裂，再往深处发展会造成钢轨折断，严重危及行车安全。

3.原因分析

（1）曲线上股钢轨受力分析：曲线上股轮轨接触面积比直线地段和曲线下股小。通过现场测量，曲线上股接触面积只有下股受力面积的1/2～1/3，故曲线上股接触应力将成倍增加，当列车发生制动减速时其受到的制动应力也成倍增加。这是曲线上股内侧轨面发生裂纹的最主要原因，也是最根本的原因。

（2）轨底坡的影响：现场对曲线地段钢轨倾角进行测量并根据超高计算出曲线上股的轨底坡值：现场掉块处的轨底坡最小为1∶409接近平坡；大部分为负的轨底坡，最大为-1/38，严重低于规定的1∶40。这种情形使得曲线上股钢轨与锥形车轮的接触为线状接触，接触面积更小，应力更加集中。

（3）轨道弹性的影响：地铁轨道大部分采用整体道床，普通分开式扣件，道床无减振作用，轨道减振只有通过轨下及铁垫板下的橡胶垫板实现。列车通过曲线地段时振动较通过直线地段时大很多，车轮对钢轨的冲击力相应也比直线地段大。上股钢轨因受力面积较小，就会形成较大的冲击应力，造成曲线上股钢轨产生疲劳裂纹并加剧发展，直至钢轨顶面掉块。而下股钢轨由于受力面积大，在同等冲击力下，应力成倍减小，所以钢轨顶面不会出现裂纹现象。现场普通扣件未采取减振措施地段的轨道上发生了掉块现象，而减振器扣件及碎石道床上钢轨掉块现象不明显的情况也验证了此观点。

（4）轮轨接触关系的影响：在小半径曲线地段，当轮轨一点接触时，上股钢轨与车轮的接触应力高度集中，容易造成轨头疲劳、裂纹、剥落掉块等病害；当轮轨两点接触时，由于轮沿与钢轨的冲击，容易形成钢轨侧磨。根据现场上股钢轨没有侧磨的现象，可判断此掉块地段的轮轨关系应为一点接触。

4.防止曲线上股出现掉块的措施

（1）地铁设计单位应科学合理地做好轨道设计工作： ①线路选线设计时应优化地铁线路走向，尽量避免设置小半径曲线。 ②科学确定轨道零件的选型，地下线路设计时轨枕应尽量采用带轨底坡长枕，以便施工轨底坡一致；对于无法采用长枕的高架地段，可以通过在铁垫板上统一设置轨底坡的形式，做到全线轨底坡统一。 ③适当提高曲线无减振地段轨道普通扣件的弹性，降低其静刚度，达到减缓冲击力的作用。 ④做好曲线地段轨底坡研究，对于小半径曲线地段，可尝试将轨底坡调整为1∶20，然后通过观察轮轨受力变化情况，找出最优的轮轨接触关系，为后续线路设计提供参考。

（2）施工单位把好施工质量关： ①优化轨道施工工艺，重视轨底坡的设置。吊轨架作为整体道床施工的关键工具应科学进行设计；吊轨架上应预先设置好轨底坡，曲线地段施工时应在吊轨架上加设垂向扣压钢轨的装置，以使钢轨与吊轨架全面接触，确保施工中轨底坡能符合设计要求。 ②做好线路开通前轨道预防性打磨。地铁轨道工程普遍采用的挂枕架轨法施工整体道床虽然在轨枕或铁垫上已加工了相应的轨底坡，但由于施工中支撑的变形以及钢轨、轨枕的制造公差等原因，使竣工后的轨底坡无法得到保证。利用钢轨打磨可以在很大程度上消除这种施工误差，使轨面得到一个相对不变的钢轨倾斜度，从而改善轮轨接触关系。

（3）运营部门做好后期钢轨的维护工作： ①对于既有线路出现的轨底坡过小、钢轨接触光带偏窄等无法通过调换垫板作业进行改正的问题，只能通过对上股钢轨进行打磨来修正轨底坡，达到增加车轮与钢轨接触面积，改善轮轨关系的目的。 ②对于已经出现疲劳性裂纹和掉块的钢轨顶面应及时进行打磨，减少由于掉块造成的应力集中，延缓裂纹和掉块发生的速率。 ③改变轮轨接触关系，改一点接触为两点接触。对于使用U75V高强度钢轨的线路，疲劳是主要问题，侧磨是次要问题。通过打磨曲线上股钢轨易发生掉块的疲劳区，将轮轨接触点向钢轨中心转移，形成轮轨的两点接触，可降低接触应力，延长疲劳周期。

通过在进行的钢轨打磨试验可以看到，原先钢轨顶面掉块严重地段通过打磨后掉块变小，同时发展速度已经变缓，逐渐趋于稳定。

三、结语

综上所述，钢轨对于地铁交通轨道来说是十分重要的存在，其质量的好坏将对地铁运行起到关键的作用。因此，我们必须保证钢轨的质量，对其伤损的原因进行系统的分析，并采取相应有效的措施加以应对，从而保障交通轨道的长期稳定使用。

参考文献：

[1]李生鹏、王铁成 浅谈城市轨道交通钢轨伤损的成因及维护 《科技风》-2013年第10期.

[2]宋幼正 浅析城市轨道交通钢轨伤损的原因及措施 《中国科技投资》-2013年第31期.