重载铁路预防性钢轨打磨方法的研究

重载铁路的大运量、高密度、快速的运输特点容易使得钢轨表面或亚表面产生滚动接触疲劳伤损，减少了钢轨使用寿命，增加了养护成本，甚至影响行车安全。采用预防性钢轨打磨的方法，将裂纹和磨耗的相互影响综合考虑、合理设计轮轨型面，才能有效地减缓和控制疲劳裂纹对钢轨寿命的影响。本课题从理论研究、仿真分析、现场观测和金相分析几方面，根据轮轨几何关系、轮轨接触和疲劳裂纹萌生和扩展理论，结合重载铁路运输条件，研究预防性钢轨打磨型面，在实施打磨型面的基础上，分析重载铁路钢轨疲劳裂纹和磨耗的平衡点，提出预防性钢轨打磨方法，从而为现场管理钢轨滚动接触疲劳伤损，以最佳养护手段延长钢轨使用寿命，确保重载铁路列车运行安全，并降低钢轨养护成本提供理论依据。

钢轨磨耗和滚动接触疲劳裂纹是影响钢轨寿命的主要伤损，这一现象在重载铁路尤其突出。钢轨磨耗和疲劳伤损是相互影响的，钢轨磨耗大，则疲劳裂纹不容易出现或者被控制在一定程度不会明显变化，钢轨磨耗小，特别是使用优质抗磨耗型钢轨时，则裂纹会迅速萌生和扩展并引发剥离掉块。这种情况下，就需要考虑人工磨耗即钢轨打磨或铣磨的作用。本课题根据理论研究、仿真分析、现场观测和金相分析，综合考虑裂纹和磨耗在发展过程中的相互影响，研究重载铁路小半径曲线钢轨的预防性打磨方法，来平衡钢轨主要伤损的发展，延长钢轨使用寿命。一方面，根据现场裂纹跟踪观测和仿真分析，研究磨耗和裂纹的发生位置、分布特征和既有轮轨关系，提出预防性钢轨打磨型面设计方法和建议的打磨型面。型面设计主要以降低轨距角疲劳裂纹、改善轮轨接触关系并兼顾车辆运行安全和曲线通过能力为依据，提出减少轨距角金属量的基准轮廓型面、减少轨距角和外侧角金属量的非对称型面。另一方面，根据裂纹萌生仿真预测、现场钢轨型面测量，钢轨取样和金相分析，研究钢轨裂纹和磨耗的发展情况和相互关系，引入最佳磨耗率的概念，以轮轨自然磨耗和人工磨耗来平衡裂纹扩展，提出预防性钢轨打磨周期和打磨量。研究发现，减少轨距角金属后的特殊钢轨型面在轨距角位置与车轮发生接触的频率降低，有利于减缓轨距角疲劳裂纹。新轨预打磨对钢轨的使用寿命和伤损萌生有很大影响。在钢轨上道至通过总重约100MGT时，裂纹首先在距离轨距边13-16mm处萌生，与列车运行方向呈60-70度角，之后轨顶面出现横向裂纹，轨距角和轨顶面的裂纹逐渐扩展，在表面相连，并进一步引发剥离掉块。而磨耗要在通过总重约100MGT以后特别是150MGT以后才快速发展，导致外轨因侧磨过大而下道。根据金相裂纹观测和磨耗发展规律，仿真发现500m半径曲线外轨的打磨周期约20MGT，打磨量0.45mm，预计寿命约为通过总重370MGT，现场500m曲线观测段外轨在约280MGT因侧磨过大、剥离掉块严重而下道，预防性打磨可提高曲线外轨寿命约32%。本研究从真实现场运输条件出发，对钢轨裂纹和磨耗的发展进行仿真和现场与实验室金相观测，掌握了裂纹和磨耗的发展规律，钢轨特殊型面设计方法和打磨技术参数分析方法，对高速铁路、重载铁路和城市轨道交通钢轨伤损养护维修和大型修理机械合理使用提供了依据。