高速铁路钢轨擦伤特征及影响因素.pdf
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1、第 63 卷 第 9 期2023 年9 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.9September 2023文章编号:10031995(2023)09001904高速铁路钢轨擦伤特征及影响因素张彦博1 刘秀波2 刘勇3 陈茁2 魏剑梅11.中国铁道科学研究院 研究生部,北京 100081;2.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所,北京 100081;3.中国铁路成都局集团有限公司,成都 610082摘要 为减少钢轨擦伤的产生,对多条高速铁路线路进行实地调研和统计分析,得到钢轨擦伤的形貌特征;结合牵引制动状态研究单双股、平纵断面(坡度和线形)、下部基础
2、、车辆类型对钢轨擦伤分布的影响。结果表明:钢轨擦伤可分为车轮空转擦伤和车轮滑行擦伤,车轮空转擦伤在机车启动或上坡牵引过程中产生,车轮滑行擦伤由机车或动车组在制动或行驶过程中产生;在进出站频繁启停处、大坡度和曲线区段产生钢轨擦伤的概率更高,下部基础对钢轨擦伤的产生影响较小。在坡度等级为-2 2时,76.92%的钢轨擦伤出现在进出站前后1 km区域;单位里程上,坡度大于14处的钢轨擦伤数量占比为45.42%,曲线区段的钢轨擦伤数量占比为62.72%。关键词 高速铁路;钢轨擦伤;统计分析;特征;分类;车轮空转擦伤;车轮滑行擦伤中图分类号 U213.4+2 文献标识码 A DOI:10.3969/j.
3、issn.10031995.2023.09.05引用格式:张彦博,刘秀波,刘勇,等.高速铁路钢轨擦伤特征及影响因素 J.铁道建筑,2023,63(9):1922.我国高速铁路钢轨早期伤损的主要形式包括钢轨擦伤、波磨、硌伤、母材缺陷等1。其中钢轨擦伤会影响轮轨接触状态,影响列车运行平稳性,长期轮轨作用会引起钢轨的剥离掉块或横向裂纹,导致钢轨折断,严重威胁行车安全。相关学者对钢轨擦伤的特征和成因进行了诸多研究。胡二根2分析了钢轨擦伤的特征、分布规律和原因,发现车站和制动地段为上坡道时,机车会因启动困难造成车轮空转从而擦伤钢轨。张艳良3对矿区机车擦伤的分布进行了统计,发现坡度大于6时重车上坡、坡度大
4、于20时空车上坡和空车连续上坡易产生钢轨擦伤,进而导致裂纹、核伤、剥离掉块等伤损出现。王栋4研究发现,在信号机前后,机车启动空转会产生钢轨擦伤;在长大坡道,机车加速闯坡会导致车轮空转而产生钢轨擦伤;在小半径曲线区段,钢轨擦伤与垂直磨耗、侧面磨耗交互作用,会加剧钢轨擦伤的发展;司机操作不当、运输组织不当、线路养护维修不良、轨道不平顺等也会导致钢轨擦伤。根据对某高速铁路伤损成因的研究,邓勇等5总结得出,钢轨擦伤分为列车启动打滑擦伤和列车制动擦伤,前者为椭圆形擦伤,后者为长条形擦伤。魏堂建等6探究了某城际铁路的钢轨擦伤原因,认为线路平纵断面、机车类型和运输组织模式对钢轨擦伤形成的影响较大。刘丰收、李
5、闯等1,7认为钢轨擦伤可由机车车轮空转、下坡制动、抱闸行驶和轮轨接触面相对滑动4种原因产生,坡度和轴重增大会增加产生钢轨擦伤的可能性。赵康云8发现动车组紧急制动也会造成钢轨擦伤,擦伤产生的白层组织厚度较薄,检查难以发现。戚志刚等9调研了银西客运专线的钢轨擦伤情况,并根据现场形貌特征将钢轨擦伤分为点状、连续点状和长条状。钢轨擦伤表面的白层组织的形成机理、微观结构和裂纹扩展也是研究重点。由于白层组织的硬脆特性(维氏硬度高达1 200 HV),通常认为是裂纹形成的位置,会降低钢轨的使用寿命10。刘佳朋等11认为白层组织的成因主要有两类:大轴重机车擦伤形成的白层组织,厚度较大(大于0.5 mm),更易
6、发展为剥离掉块;动车组启动或制动擦伤产生的白层组织,厚度较小(小于0.2 mm),更易发展为隐伤。为深入研究钢轨收稿日期:20230214;修回日期:20230331基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(K2022T002);国家能源投资集团有限责任公司科技创新项目(GJNY-20-231)第一作者:张彦博(1993),男,博士研究生。E-mail:Yanbo_Z通信作者:刘秀波(1971),男,研究员,博士。E-mail:铁道建筑第 63 卷擦伤的特征,本文通过对9条高速铁路线路实地调研和20192021年的钢轨擦伤统计数据的分析,对高速铁路钢轨擦伤的形貌特征和分布特征进行研究
7、。1 钢轨擦伤形貌特征 现场调研了多条高速铁路,根据钢轨擦伤形貌特征,可分为车轮空转擦伤和车轮滑行擦伤两类。1.1车轮空转擦伤车辆启动或运行时,牵引力不足会导致车轮产生空转,进而造成钢轨踏面局部的椭圆形擦伤,见图1。擦伤较为严重时,局部踏面呈凹陷状,在擦伤边缘处形成堆高;擦伤较为轻微时,会在钢轨表面形成白层组;部分白层组织会在车轮的循环加载下发展形成剥离掉块。现场的车轮空转擦伤长度为20 40 mm,深度为0 2 mm,硬度为520 600 HB,均高于邻近母材,发生在上坡牵引区段,为机车擦伤。1.2车轮滑行擦伤车辆制动或行驶过程中,车轮滑行会造成钢轨踏面产生长条形或椭圆白层组织,见图2。现场
8、发现的擦伤深度较浅,钢轨表面无明显塑性变形,长条形擦伤长0.15 1.00 m,椭圆形擦伤长20 40 mm,硬度为395 600 HB,均高于邻近母材,发生在下坡制动区段。其中一条坡度为25(行车方向下坡)的高速线路在换轨后仍出现了长条形擦伤,可以初步确定动车组在制动滑行时会造成钢轨擦伤。2 钢轨擦伤分布特征 统计9条高速铁路线路钢轨擦伤情况,结合牵引制动状态,从单双股、平纵断面(坡度和线形)、下部基础、车辆类型等方面研究钢轨擦伤分布特征。线路总长3 398 km,其中长大坡道较多,坡度大于14的区段(包括上坡和下坡)占16.21%,钢轨擦伤共682处。发生钢轨擦伤的直线和曲线,路基、桥梁和
9、隧道以及不同坡度的里程长度不同。为消除里程长度对不同区段钢轨擦伤出现概率的影响,按C=N/D进行归一化处理。其中:C为单位里程钢轨擦伤数量;N为某区段的钢轨擦伤数量;D为对应区段的里程长度。2.1单双股理想情况下,钢轨擦伤为双股对称分布。但是,根据现场统计数据,单股分布较多,占71.07%;双股对称分布较少,占28.93%。2.2坡度为明确坡度对钢轨擦伤形成的影响,将坡度分为9个等级,分别为小于-14、-14,-10)、-10,-6)、-6,-2)、-2,2、(2,6、(6,10、(10,14 和大于 14,其中负坡度表示在列车运行方向下坡。对9条线路不同坡度等级的钢轨擦伤数量和里程长度进行统
10、计,计算每条线路不同坡度等级的单位里程钢轨擦伤数量,见图3。由图3可知:坡度在-6 6的钢轨擦伤里程较长,但是坡度小于-14和大于14时单位里程钢轨擦伤数量较大,占45.42%,这表明大坡度会促进钢轨擦伤的产生。坡度-2 2的单位里程钢轨擦伤数量也较大。调研发现车站中心前后1 km内的坡度主要分布在-1 1,因此对坡度-2 2的钢轨擦伤数量进行再统计,规定车站中心前后1 km内为靠近车站,1 km外为远离车站。结果表明,有76.92%的钢轨擦伤出现在靠近车站区域,可见进出站启动制动频繁的区域出现钢轨擦伤的概率更高。图1车轮空转擦伤的宏观形貌图2车轮滑行擦伤的宏观形貌图3不同坡度等级的钢轨擦伤数
11、量和里程长度分布20第 9 期张彦博等:高速铁路钢轨擦伤特征及影响因素2.3线形由于坡度因素影响较大,对于直线、曲线区段钢轨擦伤的分析要综合考虑坡度和线形的影响。对9个坡度等级中直线、曲线区段的钢轨擦伤数量和里程长度进行统计,见图4。可知:不同坡度等级下直线区段的钢轨擦伤里程长度均大于曲线区段,但整体上曲线区段的单位里程钢轨擦伤数量大于直线区段,占总擦伤数量的 62.72%,可见曲线区段比直线区段更易产生钢轨擦伤;坡度小于-14和大于14时,曲线区段钢轨擦伤数量较为突出,可见大坡度上下坡的曲线区段更容易产生钢轨擦伤。2.4下部基础对路基、桥梁和隧道地段钢轨擦伤数量和里程长度进行统计,见图5。可
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