重载铁路钢轨接头病害的成因分析及整治

重载铁路钢轨接头病害的成因分析及整治

王晓栋

中国铁路济南局集团有限公司临沂工务段

摘要：重载铁路的基本特征在于其通常用于重型货物运输,轨面单位面积压强较高,导致轨道磨损相较传统铁轨更大。简要介绍重载铁轨的接头病害类型,探究钢轨接头病害的主要成因,并结合实际情况提出对应病害整治的主要思路及具体方法。

关键词：重载铁路;钢轨接头病害;成因

引言

提升铁路线路设备状态，对其进行必要的养护维修，对行车安全非常重要。目前，我国普速铁路的线路设备修理采用周期修与状态修相结合的方式，尚未建立较为完善的线路设备状态评估技术体系，日常维修以状态修为主，线路设备大修以周期修为主，周期修由铁路局集团公司按照线路累计通过总重并结合设备实际状况、线路条件、运输条件及自然条件等具体情况确定。

1重载铁路的钢轨接头病害常见类型

接头病害是钢轨的主要病害类型之一,易对车轮以及接缝两侧的钢轨造成较大破坏,若缺少对应的维护措施,则将导致使钢轨接头病害逐渐恶化,养路成本直线上升,因此,钢轨接头病害处理成为铁路运维部门的重要工作内容。在铁轨建设工艺大致相同的情况下,混凝土轨枕铁轨相较传统的木枕铁轨接头更易磨损,病害扩散较为严重、发展迅速。在线路运维过程中,混凝土轨枕维护工作所耗资源远超传统木枕铁轨。通常情况下,在维护阶段中若石砟并未出现发白迹象,此时接头位置通常4～5周进行1次维护;当石砟出现翻白后,需每周进行接头的保养;当接头位置出现石砟溜塌时则要求进一步增加保养频次,此时,则要求铁路维护部门及时制定对应方案,若无法彻底解决整治病害,则铁轨将无法维持车辆的正常通过,进而危及铁路运输的安全运营。图1为轨枕混凝土。

图1轨枕混凝土

随着国内列车运行速度逐渐提升,机车车辆的轴重加大、铁路损耗逐渐上升,这就要求铁路运维部门需置顶对应的维护策略。为了适应铁路运输业发展的需要,部分地区的铁路部门将大量资金投入到线路改造以及技术升级方面,同时开通了万吨重载单元列车。重载铁路最主要的特点为轨面单位面积压强较高,导致轨道磨损相较传统铁轨更大,这两大特点使得轨道运维工作更加困难,因此,重载轨道的结构相较普通铁路的基础部件更易受到破坏,进而提高了线路维修的复杂度与各种资源。结合相关重载铁路的养护维修情况分析发现,重载铁路轨道主要的病害类型可分为连接零件破损(尤其是接头夹板裂纹,接头螺栓折断,弹条扣件折断)、钢轨表面的不平顺(马鞍型磨耗、波形磨耗等)以及线路下沉三种。而连接伤损和轨面不平顺的问题主要由接头缝隙的过度磨损所致,在缺少维护的情况下病害迅速发展。线路下沉的诱因则是由基床坍塌、道床的下沉变形以及附近位置的轨道路基不规则沉降所致。例如,在某段重载铁路中曾出现类似的状况,道床不规则沉降、桥枕缺损,翻浆冒泥、冻害等病害导致运维工作量逐渐上升,致使运维部门需投入大量资源进行列铁路道床的维护与处理,但就实际效果而言,并不尽如人意。随后,运维部门投入大量资金针对线路开展了大规模的清筛和捣固作业,并针对线路所在区域的道路路基进行调坡起道工作,彻底解决了线路的三角坑、翻浆冒泥、冻害等问题,但是接头位置的处理工作仍未有实质性进展,进而影响到行车安全,因此,积极开展全面综合整治方可解决接缝病害问题,有效控制接头病害的产生和发展。

2钢轨接头病害综合整治的主要思路及技术手段

2.1钢轨大修预测方法

通过层次分析法（AHP，Analytic HierarchyProcess），以定性和定量相结合的方式进行钢轨大修预测。根据计算出的区间和站内股道的累计通过总重，结合钢轨伤损情况（含重伤）和上次换轨时间，用求解判断矩阵特征向量的办法，求得累计通过总重、钢轨伤损情况和上次换轨时间这3个指标针对大修周期的权重，最终根据通过各指标建立的判断矩阵的特征向量及针对各指标建立的判断矩阵的特征向量进行加权平均，权重最大者即为钢轨大修预测周期的最优方案。该通过总重区段的通过总重、列车对数分别等于其对应的多个机务区段的通过总重之和、列车对数之和。（3）当一个通过总重区段没有完全对应的机务区段时，其客车对数、货车对数分别等于手动录入的年客车对数、货车对数，式（1）为其通过总重计算式。

2.2提高垫层弹性

提高垫层弹性是解决接头位置病害的主要思路之一。结合实践经验可知,弹性垫层在长期使用后,由于橡胶老化使得整体结构出现硬化,特别是接头部位的垫板强大的动态载荷下弹性下降幅度更加剧烈,因此,在维护过程中应结合实际使用情况对轨枕的弹性垫板进行及时更换,以此维护轨道结构的弹性。结合笔者实践经验可知,要从根本上解决接头病害则必须针对钢轨材质、钢轨铸造工艺进行优化,同时对接缝处的零部件进行工艺检测,结合周边环境选用合适的运维方案进行铁路养护,改善接头的状态。

2.3钢轨接触区塑性应变分布

当钢轨塑性应变达到一定程度时，也有可能诱发钢轨相变，形成钢轨擦伤。图1为在300KM·H

-1的滚动速度制动时钢轨接触区有效塑性应变分布。从图1（a）中可以看出：在t2时刻下，长轴测点各位置有效塑性应变沿ｘ轴方向逐渐减小，最大有效塑性应变为0.0282，出现在接触区后沿ｘ=2.264m处，在t1时刻，轮轨相互作用产生的有效塑性应变只能影响到此接触区位置的后沿，在t2时刻整个接触区的有效塑性应变开始累积且在接触区后沿达到最大，在t3时刻接触区前沿有效塑性应变累积到最大，表明轮轨产生的有效塑性应变不是一个瞬时过程，在车轮经过此接触区过程中呈现逐渐累积的过程。从图1（b）中可以看出：在t2时刻下，短轴测点各位置有效塑性应变沿ｙ轴方向先增大后减小，在Ｙ=-0.002m处有效塑性应变达到最大值0.0201，在t1时刻（车轮未通过该断面）该短轴位置上没有产生塑性应变，在t3时刻该短轴位置上有效塑性应变继续累积。

图1　钢轨接触区有效塑性应变分布

结语

随着国内铁路的多次大提速,重型钢轨的载荷量逐渐上升,钢轨和钢轨接头病害类型逐渐增多,工作条件日趋恶化,针对此类问题,铁路运维部门应结合实际情况,分析接头位置的病因,并积极制定对应的解决方案,降低铁轨接缝处的载荷强度,周期性开展运维检测工作,同时严格按照上级部门下达的铁路维修作业标准开展日常维护工作,同时结合实际问题以及相关标准制定对应的铁路接缝病害应急处理方案,以此应对恶劣气候条件下出现的突发性铁路接头病害,以此维护铁路的安全与顺畅,以适应今后运输事业发展的需要。

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