重載鐵路預防性鋼軌打磨方法的研究

《重載鐵路預防性鋼軌打磨方法的研究》是依託同濟大學，由周宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：重載鐵路預防性鋼軌打磨方法的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：周宇
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

重載鐵路的大運量、高密度、快速的運輸特點容易使得鋼軌表面或亞表面產生滾動接觸疲勞傷損，減少了鋼軌使用壽命，增加了養護成本，甚至影響行車安全。採用預防性鋼軌打磨的方法，將裂紋和磨耗的相互影響綜合考慮、合理設計輪軌型面，才能有效地減緩和控制疲勞裂紋對鋼軌壽命的影響。本課題從理論研究、仿真分析、現場觀測和金相分析幾方面，根據輪軌幾何關係、輪軌接觸和疲勞裂紋萌生和擴展理論，結合重載鐵路運輸條件，研究預防性鋼軌打磨型面，在實施打磨型面的基礎上，分析重載鐵路鋼軌疲勞裂紋和磨耗的平衡點，提出預防性鋼軌打磨方法，從而為現場管理鋼軌滾動接觸疲勞傷損，以最佳養護手段延長鋼軌使用壽命，確保重載鐵路列車運行安全，並降低鋼軌養護成本提供理論依據。

結題摘要

鋼軌磨耗和滾動接觸疲勞裂紋是影響鋼軌壽命的主要傷損，這一現象在重載鐵路尤其突出。鋼軌磨耗和疲勞傷損是相互影響的，鋼軌磨耗大，則疲勞裂紋不容易出現或者被控制在一定程度不會明顯變化，鋼軌磨耗小，特別是使用優質抗磨耗型鋼軌時，則裂紋會迅速萌生和擴展並引發剝離掉塊。這種情況下，就需要考慮人工磨耗即鋼軌打磨或銑磨的作用。本課題根據理論研究、仿真分析、現場觀測和金相分析，綜合考慮裂紋和磨耗在發展過程中的相互影響，研究重載鐵路小半徑曲線鋼軌的預防性打磨方法，來平衡鋼軌主要傷損的發展，延長鋼軌使用壽命。一方面，根據現場裂紋跟蹤觀測和仿真分析，研究磨耗和裂紋的發生位置、分布特徵和既有輪軌關係，提出預防性鋼軌打磨型面設計方法和建議的打磨型面。型面設計主要以降低軌距角疲勞裂紋、改善輪軌接觸關係併兼顧車輛運行安全和曲線通過能力為依據，提出減少軌距角金屬量的基準輪廓型面、減少軌距角和外側角金屬量的非對稱型面。另一方面，根據裂紋萌生仿真預測、現場鋼軌型面測量，鋼軌取樣和金相分析，研究鋼軌裂紋和磨耗的發展情況和相互關係，引入最佳磨耗率的概念，以輪軌自然磨耗和人工磨耗來平衡裂紋擴展，提出預防性鋼軌打磨周期和打磨量。研究發現，減少軌距角金屬後的特殊鋼軌型面在軌距角位置與車輪發生接觸的頻率降低，有利於減緩軌距角疲勞裂紋。新軌預打磨對鋼軌的使用壽命和傷損萌生有很大影響。在鋼軌上道至通過總重約100MGT時，裂紋首先在距離軌距邊13-16mm處萌生，與列車運行方向呈60-70度角，之後軌頂面出現橫向裂紋，軌距角和軌頂面的裂紋逐漸擴展，在表面相連，並進一步引發剝離掉塊。而磨耗要在通過總重約100MGT以後特別是150MGT以後才快速發展，導致外軌因側磨過大而下道。根據金相裂紋觀測和磨耗發展規律，仿真發現500m半徑曲線外軌的打磨周期約20MGT，打磨量0.45mm，預計壽命約為通過總重370MGT，現場500m曲線觀測段外軌在約280MGT因側磨過大、剝離掉塊嚴重而下道，預防性打磨可提高曲線外軌壽命約32%。本研究從真實現場運輸條件出發，對鋼軌裂紋和磨耗的發展進行仿真和現場與實驗室金相觀測，掌握了裂紋和磨耗的發展規律，鋼軌特殊型面設計方法和打磨技術參數分析方法，對高速鐵路、重載鐵路和城市軌道交通鋼軌傷損養護維修和大型修理機械合理使用提供了依據。