■ Len Reid

鋼軌端部螺栓孔斷裂是導(dǎo)致列車(chē)脫軌的一個(gè)最主要安全隱患，也是鋼軌沒(méi)到期就更換鋼軌和被迫限速的一個(gè)原因，同樣是鋼軌檢查和維護(hù)成本的一個(gè)重要因素。對(duì)螺栓孔施加預(yù)應(yīng)力，在這些孔周?chē)霘堄鄩毫梢越鉀Q這個(gè)問(wèn)題。由美國(guó)疲勞技術(shù)股份有限公司（FTI）研發(fā)的螺栓孔處理過(guò)程-開(kāi)縫襯套冷擠壓工藝，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，從本質(zhì)上解決了螺栓孔的疲勞斷裂問(wèn)題。美國(guó)運(yùn)輸部和英國(guó)鐵路研究院通過(guò)大量的測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估肯定了這一技術(shù)對(duì)減少或防止疲勞斷裂的有效性。由于延長(zhǎng)了軌道的檢查周期和軌道可承受更高的軸負(fù)載，這項(xiàng)研究結(jié)果對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，意味著更安全的操作和長(zhǎng)期的成本優(yōu)勢(shì)。在日常鋼軌的維護(hù)或新鋼軌、接縫或道岔的加工過(guò)程中對(duì)螺栓孔施加預(yù)應(yīng)力的開(kāi)縫襯套冷擠壓是一項(xiàng)既經(jīng)濟(jì)又可靠的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)還可以應(yīng)用于其他鐵路結(jié)構(gòu)和構(gòu)件如車(chē)輪和橋梁。

1 鋼軌端部螺栓孔斷裂問(wèn)題

螺栓孔斷裂問(wèn)題被公認(rèn)為一個(gè)世界性的問(wèn)題。20世紀(jì)80年代早期，英國(guó)每年就有3 000多起不同類型的鋼軌斷裂和破裂的報(bào)告，事故報(bào)告多集中在中速和重載的路段。在這些事故中，有25%是由于鋼軌端部螺栓孔斷裂引起的，每年大約750起。當(dāng)裂紋還沒(méi)有完全萌生到整個(gè)鋼軌之前，已經(jīng)探測(cè)到60%～70%的鋼軌端部裂痕。從這個(gè)數(shù)據(jù)可以看出200多個(gè)鋼軌端部螺栓在檢查和維護(hù)之前已經(jīng)完全壞掉了。

1974年，美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)指出鋼軌斷裂是鐵路事故的最大原因[1]。1982—1988年，鋼軌相關(guān)的事故占整個(gè)事故報(bào)告的30%～40%[2]。美國(guó)聯(lián)邦鐵路管理局1988年的數(shù)據(jù)[3]顯示由于螺栓孔失效而引起的脫軌事故占整個(gè)鋼軌和鋼軌聯(lián)結(jié)板缺陷總成本的10%。

近期，作為重軸荷載鐵路項(xiàng)目的一部分，美國(guó)鐵路[4]做了大量的試驗(yàn)，調(diào)查在現(xiàn)有軌道上提高軸負(fù)載和速度的效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸荷載僅提升了20%就會(huì)在道岔轍叉和轉(zhuǎn)轍器的螺栓孔上發(fā)生嚴(yán)重的斷裂。

一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展依靠鐵路網(wǎng)運(yùn)輸原材料，貨物和乘客。但受脫軌或不定期的維修/更換鋼軌的嚴(yán)重影響，會(huì)導(dǎo)致鐵路封閉。如果脫軌事故涉及危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)或易燃物質(zhì)的時(shí)候，那將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。多數(shù)國(guó)家的事故中若出現(xiàn)旅客傷亡都是不可接受的，因此必須降低導(dǎo)致事故發(fā)生的潛在因素。

2 鋼軌接頭失效原理

鋼軌端部螺栓孔的斷裂是由于車(chē)輪不斷通過(guò)鋼軌接頭生成重復(fù)的負(fù)載而導(dǎo)致的（見(jiàn)圖1）。車(chē)輪的壓力以及行進(jìn)的車(chē)輪對(duì)接頭的沖擊導(dǎo)致鋼軌在彎曲的瞬間生成的剪切應(yīng)力全部集中在螺栓孔。另外，剪切應(yīng)力與由于在接頭處動(dòng)態(tài)下沉形成的動(dòng)態(tài)輪軌作用力聯(lián)同高強(qiáng)度周期應(yīng)力，最終開(kāi)始在螺栓孔處開(kāi)始生成裂紋并逐漸擴(kuò)大。這些裂紋在45°角平面上擴(kuò)散，形成一個(gè)典型的疲勞破壞。如果檢測(cè)不到裂縫的加劇，通常裂縫增長(zhǎng)到5～10 mm，鋼軌就會(huì)發(fā)生斷裂。松動(dòng)的接頭或支撐不牢固的接頭會(huì)增加螺栓孔處的應(yīng)力量級(jí)，螺栓孔處出現(xiàn)任何的刮痕或腐蝕坑都會(huì)進(jìn)一步加劇開(kāi)裂的速度。未檢測(cè)到的螺栓孔裂紋會(huì)導(dǎo)致鋼軌終端顯著分離（見(jiàn)圖2），從而可能導(dǎo)致脫軌。

3 延長(zhǎng)鋼軌接頭疲勞壽命

圖2 斷裂鋼軌實(shí)例

過(guò)去30年里，為了解決鋼軌以及螺栓孔的開(kāi)裂問(wèn)題而做了大量的嘗試，比如增加腹板的厚度以減少過(guò)強(qiáng)的應(yīng)力，現(xiàn)場(chǎng)“加工硬化”螺栓孔表面，提高局部抗疲勞性能。所有這些嘗試過(guò)的工藝不僅難掌控并且沒(méi)有一個(gè)被證明是有效的。

1975年，美國(guó)運(yùn)輸部發(fā)起了一項(xiàng)研究[5]以調(diào)查幾項(xiàng)有前景看好的可能提高鋼軌螺栓孔疲勞壽命的應(yīng)用技術(shù)。這些方法包括襯墊沖壓、干涉配合螺栓以及開(kāi)縫襯套冷擠壓。采用開(kāi)縫襯套冷擠壓的樣品比未使用冷擠壓的螺栓孔和其他方法擁有顯著的壽命提升。通過(guò)美國(guó)運(yùn)輸部的研究，證明使用冷擠壓以后，鋼軌壽命有顯著的提升（見(jiàn)圖3）。與此同時(shí)，英國(guó)鐵路部門(mén)也對(duì)冷擠壓工藝進(jìn)行了試驗(yàn)和評(píng)估，包括實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際應(yīng)用測(cè)試[6]，確認(rèn)了試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論，通過(guò)降低或消除螺栓孔疲勞破損，鐵路螺栓孔接頭的壽命提升率可達(dá)到10倍甚至更長(zhǎng)。

4 開(kāi)縫襯套冷擠壓工藝

開(kāi)縫襯套冷擠壓工藝通過(guò)拉伸一個(gè)直徑稍大的錐形芯棒，芯棒上預(yù)裝一個(gè)涂有干膜潤(rùn)滑的開(kāi)縫襯套，用一個(gè)特別設(shè)計(jì)的液壓拉桿，抽拉穿過(guò)螺栓孔（見(jiàn)圖4）。在擠壓過(guò)程中，襯套依舊位于螺栓孔的位置，用后作廢。襯套防止螺栓孔與芯棒的滑動(dòng)金屬接觸，確保螺栓孔是放射性的擠壓。襯套上的干膜潤(rùn)滑劑減小了將芯棒拉出螺栓孔所需的拉力。

圖3 使用冷擠壓后鋼軌壽命變化

圖4 開(kāi)縫襯套冷擠壓工藝

芯棒的直徑與襯套厚度的結(jié)合產(chǎn)生足夠的放射性擴(kuò)張，使得環(huán)螺栓孔周?chē)牟牧系玫斤@著的屈服，在鋼軌上的冷擠壓擴(kuò)張范圍為螺栓孔徑的2%～4%，具體取決于鋼材的特性以及孔徑。芯棒穿過(guò)螺栓孔以后，螺栓孔周?chē)捎谑軌憾嬖跉堄鄳?yīng)力。殘余壓縮應(yīng)力的峰值粗略的等于鋼的屈服強(qiáng)度并且從螺栓孔邊緣延伸約一個(gè)孔徑的范圍。一個(gè)拉伸應(yīng)力的平衡區(qū)域約為抗拉屈服應(yīng)力的10%～20%，環(huán)繞并“鎖定”在有利的壓縮應(yīng)力區(qū)域內(nèi)（見(jiàn)圖5）。在螺栓孔邊緣，殘余壓縮應(yīng)力低于環(huán)狀應(yīng)力的平均值和最大值。這種降低的凈應(yīng)力不僅延遲裂紋的產(chǎn)生而且有效阻止裂紋的擴(kuò)展。

值得考慮另一個(gè)重要因素是僅憑冷擠壓盡管能夠有效的延遲螺栓孔裂紋的生成但卻不能完全阻止產(chǎn)生裂紋。螺栓孔鉆孔/鉸孔引起的缺陷或腐蝕坑和冶金雜質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致生成裂紋。殘余壓縮應(yīng)力通過(guò)降低應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍（△K）來(lái)延遲裂紋的擴(kuò)展（見(jiàn)圖6）。這種應(yīng)力強(qiáng)度降低在英國(guó)鐵路公司的工藝研究中也有所報(bào)道[7]。另外，殘余應(yīng)力的出現(xiàn)可能會(huì)改變不穩(wěn)定斷裂裂紋的臨界尺寸。更低的裂紋擴(kuò)展速率和更大的裂紋臨界尺寸可以延長(zhǎng)軌道連接處無(wú)損傷檢查周期，從而能夠有效的降低鐵路網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

5 FTI RailTec 工藝

為了推進(jìn)鋼軌端部螺栓孔冷擠壓技術(shù)，F(xiàn)TI研發(fā)了RailTecTM冷擠壓系統(tǒng)工具，應(yīng)用于現(xiàn)有的鋼軌維護(hù)以及新鋼軌的制造。這一套結(jié)實(shí)的工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌螺栓孔的尺寸范圍和所需的鋼軌運(yùn)行環(huán)境。在特定的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，由鐵路工人操作，拆卸每個(gè)接頭，然后清理每個(gè)螺栓孔和螺栓孔周?chē)膮^(qū)域。測(cè)量孔徑并采用橋梁鉸刀清理螺栓孔，使螺栓孔達(dá)到正常尺寸，然后用RailTec工具對(duì)每個(gè)螺栓孔進(jìn)行冷擠壓處理（見(jiàn)圖7）。最后，重新組裝接頭。經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的操作員每小時(shí)可以處理40個(gè)左右的螺栓孔。

鋼軌接頭的日常維護(hù)，包括所有螺栓孔冷擠壓的預(yù)估總成本約為3 000美元/km。相對(duì)于將拼接軌道改為連續(xù)焊接軌道需180 000美元/km[8]來(lái)說(shuō)，有很大的優(yōu)勢(shì)。而連續(xù)焊接軌道的成本，對(duì)于低收入的鐵路線路或第三世界國(guó)家來(lái)說(shuō)是行不通的，況且需要長(zhǎng)時(shí)間的中斷運(yùn)營(yíng)。

6 應(yīng)用結(jié)果

圖5 冷擠壓后螺孔周?chē)鷳?yīng)力分

冷擠壓的應(yīng)用評(píng)估顯示，這項(xiàng)工藝對(duì)于防止鋼軌端部螺栓孔斷裂起了很大的作用。在英國(guó)，?？巳亍岵饔幸粭l38 km的線路。1987年開(kāi)始進(jìn)行冷擠壓維護(hù)之前，整條線路軌端螺栓孔出現(xiàn)星狀裂紋。截至1991年，整條線路進(jìn)行了冷擠壓處理，星狀裂紋的出現(xiàn)數(shù)量從1987年的25處降低到1991年的1處。對(duì)普利茅斯—彭冉線路的研究也出現(xiàn)相似的結(jié)果，經(jīng)過(guò)冷擠的壓螺栓孔上高發(fā)的星狀裂紋有效降低。這些結(jié)果[9]為冷擠壓技術(shù)在英國(guó)的廣泛推廣提供了有效的保證。隨后，所有的數(shù)據(jù)被美國(guó)的評(píng)估體系分享，美國(guó)聯(lián)合太平洋鐵路公司所有的新鋼軌、道岔和交叉口都采用開(kāi)縫襯套冷擠壓工藝。

中國(guó)香港地鐵公司多年來(lái)一直使用冷擠壓工藝。該工藝最早用于原鐵路系統(tǒng)中采用的BS90A標(biāo)準(zhǔn)碳鋼鋼軌中克服螺栓孔斷裂問(wèn)題。地鐵公司采用了該技術(shù)以后，裂紋擴(kuò)展率明顯下降，螺栓孔冷擠壓將疲勞斷裂問(wèn)題從螺栓孔轉(zhuǎn)移到了鋼軌橫梁的下方。這導(dǎo)致另外一個(gè)難點(diǎn)就是加劇了鋼軌與混凝土軌枕對(duì)準(zhǔn)的難度。無(wú)論如何，總體來(lái)說(shuō)故障率明顯下降，證明冷擠壓工藝所投入的時(shí)間和金錢(qián)是有意義的。

圖6 冷擠壓孔減少應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍

圖7 新鋼軌的螺栓孔需鉸至合適的直徑，使用與現(xiàn)場(chǎng)維修相似的設(shè)備進(jìn)行冷擠壓處理

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究、嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、以及應(yīng)用結(jié)果證明，開(kāi)縫襯套冷擠壓工藝可以有效消除鋼軌端部螺栓孔斷裂問(wèn)題。RailTec引入的殘余壓應(yīng)力，有效地降低局部應(yīng)力等級(jí)，阻止裂紋滋生。英國(guó)與美國(guó)將這項(xiàng)工藝應(yīng)用于日常維護(hù)中，主要針對(duì)現(xiàn)有的鋼軌，新更換的或替換的帶螺栓孔鋼軌，道岔，交叉口和絕緣節(jié)。中國(guó)香港地鐵公司也采用RailTec工藝，裂紋滋生率明顯降低。另外螺栓孔冷擠壓也成功的用于防止列車(chē)車(chē)輪質(zhì)量平衡孔的裂紋產(chǎn)生。研究表明隨著軸負(fù)載和速度的增大，鋼軌端部螺栓孔斷裂的可能性也會(huì)增加。這些接縫通過(guò)冷擠壓處理，連接部位可承受更強(qiáng)的壓力，從而降低破裂的可能性。在鋼軌端部螺栓孔引入殘余壓應(yīng)力，可以消除脫軌的潛在隱患，提高操作安全性。引入殘余壓應(yīng)力使鐵路運(yùn)營(yíng)更經(jīng)濟(jì)，延長(zhǎng)了檢查周期，降低了日常和特殊維修費(fèi)用。

[1] Broken Rails：A Major Cause of Train Accidents，U.S.Department of Transportation NTSB RSS，1974(1)

[2] Zarembski A M. Track Caused Derailments[J]. RT&S，1990(10)

[3] Accident/Incident Bulletin，Calendar Year 1988，U.S.Department of Transportation，F(xiàn)ederal Rail road Administration, Office of Safety，Bulletin No.157，1989(6)

[4] Read D M. Fast/HAL Turnout Performance Experiment[J].American Railway Engineering Association，Bulletin No.728，1990(91)

[5] Lindh D V， Taylor R D，Rose D M. Sleeve Expansion of Bolt Holes in Railroad Rail[J].U.S.Department of Transportation，F(xiàn)inal Report，1977(12)

[6] Cannon D F，Sinclair J，Sharp K A.Improving the Fatigue Performance of Bolt Holes in Railway Rails by Cold Expansion[J]. Salt Lake City，Utah USA.Fatigue Corrosion Cracking，F(xiàn)racture Mechanics and Failure Analysis，International Conference and Exposition，1985(12)

[7] Clark G.Modeling Residual Stresses and Fatigue Crack Growth at Cold Expanded Fastener Holes[J].Fatigue Fracture of Engineering Materials Structures，Volume 14，No.5

[8] Tolley K H.Extending Track Life with Improved Safety at Reduced Maintenance Costs[J]. Budapest.International Railway Congress Association Intercessional Seminar，1991(5)

[9] Survey of Results from British Rail Western Region Provided by British Rail Research，Derby