李化林

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

軌道衡是一種可以在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)過程中精確計(jì)量一列或多組車輛中單個(gè)車皮重量的計(jì)量衡器，因其具有準(zhǔn)確度較高、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各需要對(duì)鐵路運(yùn)輸散裝貨物進(jìn)行稱重的工礦企業(yè)及鐵路部門。一般軌道衡均由承重臺(tái)、杠桿系統(tǒng)（稱重傳感器）和示值裝置（稱重顯示器）、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等配套設(shè)施構(gòu)成。當(dāng)前常見的軌道衡主要有靜態(tài)軌道衡、動(dòng)態(tài)軌道衡和輕型軌道衡三種，其中靜態(tài)軌道衡和動(dòng)態(tài)軌道衡的應(yīng)用實(shí)例最多。

2 軌道衡在貴溪冶煉廠的應(yīng)用現(xiàn)狀

貴溪冶煉廠（以下簡稱貴冶）作為全球單廠產(chǎn)能規(guī)模最大的銅冶煉廠，每年需通過鐵路運(yùn)輸進(jìn)出廠的各類生產(chǎn)原材料和產(chǎn)成品總量達(dá)數(shù)百萬噸，為便于鐵路運(yùn)輸物資計(jì)量，貴冶根據(jù)物資計(jì)量需要設(shè)置了4 臺(tái)靜態(tài)電子軌道衡。

由于含銅物料等稀貴金屬的單價(jià)高且貴冶是國家一級(jí)計(jì)量單位，對(duì)軌道衡的計(jì)量精度要求很高。為既保證軌道衡的計(jì)量精確度，又能確保鐵路機(jī)車車輛通過軌道衡時(shí)的行車絕對(duì)安全。在軌道衡建設(shè)初期，充分考慮了軌道衡鋼軌（亦簡稱衡軌）與其兩端鐵路線路引軌之間的連接可靠性和垂向可靈活活動(dòng)性。根據(jù)軌道衡廠家的設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，貴溪冶煉廠所使用的4 臺(tái)軌道衡鋼軌與引軌的連接方式均采用傳統(tǒng)的連接塊鉸接方式進(jìn)行連接（見圖1）。

圖1 采用傳統(tǒng)方式連接的軌道衡鋼軌及引軌接頭

在衡軌與引軌用連接塊進(jìn)行鉸接前，將衡軌和引軌相連接一端縱向各取100mm，用切割機(jī)在鋼軌外側(cè)從軌頭處沿軌腰到軌底進(jìn)行縱向切除（通常軌頭部分橫向切割量為25mm,實(shí)際切割效果及縱向切割示意圖見圖2），待兩連接鋼軌切割完成后通過接頭安裝螺孔分別用2 塊內(nèi)固定夾板和1 塊外活動(dòng)連接塊對(duì)衡軌和引軌進(jìn)行鉸接，既符合軌道衡橫向穩(wěn)定性需求又滿足軌道衡精確計(jì)量時(shí)軌道衡鋼軌與引軌之間可垂向靈活活動(dòng)性要求。

圖2 軌道衡鋼軌及引軌縱向切割示意圖

3 軌道衡接頭鋼軌采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行連接所存在的問題

自新30 萬t 銅冶煉項(xiàng)目投產(chǎn)以來，貴冶鐵路運(yùn)輸總量從290 萬t 逐步攀升到531 萬t 左右，運(yùn)輸量大幅上升，使軌道衡作業(yè)量也同比增加。加劇了衡軌和引軌的疲勞和劣化。近幾年衡軌和引軌接頭處鋼軌經(jīng)常發(fā)生斷裂和崩塌的現(xiàn)象，平均每年每臺(tái)軌道衡都會(huì)發(fā)生1 次鋼軌斷裂或崩塌的故障（見圖3）。因軌道衡鋼軌和引軌的加工制作非常繁雜，每當(dāng)軌道衡鋼軌或引軌斷裂后，要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)至少需要1 天以上時(shí)間，為確保鐵路行車安全，不得不對(duì)發(fā)生軌道衡鋼軌或引軌斷裂的軌道衡所處鐵路線路實(shí)施封鎖，嚴(yán)重影響鐵路物資的檢斤及正常運(yùn)輸生產(chǎn)組織。為解決衡軌和引軌易出現(xiàn)鋼軌斷裂的問題，現(xiàn)場(chǎng)多次與廠家人員進(jìn)行溝通和交流，對(duì)方均未提出較好的解決方案。

圖3 軌道衡鋼軌及引軌發(fā)生斷裂現(xiàn)場(chǎng)照片

而鋼軌作為鐵路線路的重要組成部分，它的主要功能就是直接將行走在軌道上的機(jī)車車輛載荷均衡傳遞給軌枕、軌道衡基礎(chǔ)及道砟等。由于在工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備中，疲勞破壞的現(xiàn)象極為廣泛，它普遍存在于每個(gè)承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)部件中，因此疲勞問題是軌道結(jié)構(gòu)中一個(gè)古老而又基礎(chǔ)的問題［1］。在鐵路運(yùn)輸實(shí)際過程中，鐵路機(jī)車車輛的車輪依次通過鋼軌是一個(gè)不連續(xù)的過程，在交變荷載的重復(fù)作用下，鋼軌會(huì)因?yàn)槠诙饎冸x、掉塊、核傷、孔裂、軌頭裂紋等疲勞重傷［1］，一旦鐵路線路出現(xiàn)軌距超限、鋼軌發(fā)生斷裂或崩塌等故障時(shí)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，機(jī)車車輛正常駛經(jīng)該區(qū)段時(shí)將會(huì)釀成機(jī)車車輛脫線或顛覆等重大安全事故。2000年10 月17 日，一列高速列車以185km·h-1的速度從倫敦的King’s Cross 駛往Leeds 的途中，在通過距倫敦17km、半徑為1460m 的曲線時(shí)發(fā)生出軌事故。整個(gè)列車11 節(jié)車廂的后面8 節(jié)脫軌，2 節(jié)幾乎完全傾覆，另有1 節(jié)客車和餐車嚴(yán)重?fù)p壞。車上共有182 人，4 人死亡，70 人受傷，其中有4 人傷勢(shì)嚴(yán)重［2］。一例例慘痛的事故教訓(xùn)，讓軌道衡接頭鋼軌易出現(xiàn)斷裂的缺陷不得不引起高度重視。因此，急需找到軌道衡衡軌和引軌接頭處鋼軌斷裂或崩塌的根本原因，并徹底解決這一問題。

4 軌道衡接頭鋼軌斷裂的具體原因分析

4.1 鋼軌和機(jī)車車輛車輪結(jié)構(gòu)外形及輪軌接觸分析

（1） 鋼軌結(jié)構(gòu)外形分析。當(dāng)前4 臺(tái)軌道衡鋼軌及引軌所采用鋼軌均是43kg/m 規(guī)格的鋼軌（簡稱43 軌，43 軌的橫截面圖及具體參數(shù)見圖4）。一般在鐵路運(yùn)輸過程中鋼軌直接與鐵路車輛的車輪接觸部分為鋼軌頂端軌頭的踏面部分（鋼軌的各部位具體名稱及叫法見圖2），從圖4 中可以看出鋼軌的踏面為圓弧型平滑表面。

圖4 43 軌橫截面圖及參數(shù)

（2） 機(jī)車車輛車輪結(jié)構(gòu)外形分析。由于鐵路車輛的轉(zhuǎn)向只能利用鋼軌對(duì)機(jī)車車輛的車輪進(jìn)行引導(dǎo)。在機(jī)車車輛通過曲線時(shí)，為保證機(jī)車車輛的車輪不會(huì)發(fā)生脫線，鐵路機(jī)車車輛的車輪具有一定的錐度且在其最外側(cè)設(shè)有一定高度的輪緣（見圖5）。

圖5 輪對(duì)通過右曲線時(shí)的受力示意圖及車輪輪緣踏面外形結(jié)構(gòu)圖

（3）輪軌接觸面受力分析。結(jié)合鋼軌和車輪的結(jié)構(gòu)外形來看，鋼軌踏面與車輪踏面都是帶有弧度或錐度的光滑表面，在運(yùn)行中輪軌接觸面很難實(shí)現(xiàn)車輪踏面和鋼軌踏面的整個(gè)面都非常密貼，其接觸部位極有可能是某一個(gè)小的接觸點(diǎn)、線或局部表面。一般根據(jù)輪軌接觸面的功能和設(shè)計(jì)可以分為軌頂和車輪踏面中心接觸區(qū)（區(qū)域A）、鋼軌軌角和車輪輪緣根部接觸區(qū)（區(qū)域B）、鋼軌和車輪外側(cè)接觸區(qū)（區(qū)域C）三個(gè)功能區(qū)域［3］（見圖6）。

顯然只有盡可能讓輪軌接觸位置發(fā)生在軌頂和車輪踏面中心接觸區(qū)（圖6 中區(qū)域A），接觸狀態(tài)為一點(diǎn)接觸較理想［3］，而當(dāng)前在用的4 臺(tái)軌道衡均處于直線區(qū)段且鐵路機(jī)車車輛通過軌道衡的時(shí)速不會(huì)超過5km/h，基本滿足輪軌接觸面的理想狀態(tài)。

圖6 輪軌可能接觸的范圍及功能分區(qū)

（4）衡軌與引軌采用傳統(tǒng)連接方式時(shí)被加工區(qū)段鋼軌的輪軌接觸面分析。為保證計(jì)量準(zhǔn)確性，衡軌與引軌采用傳統(tǒng)連接方式時(shí)對(duì)靠近接頭處的鋼軌進(jìn)行了L 型切割加工，軌頭部分橫向切割量為25mm、縱向切割量為100mm。從圖7 中可以看出鋼軌軌頭被切割部分并未超過規(guī)頂中心線，故可以初步認(rèn)為采用傳統(tǒng)連接方式對(duì)靠近接頭處的軌道衡鋼軌與引軌進(jìn)行切割加工，對(duì)軌道衡鋼軌和引軌的輪軌接觸面并沒有產(chǎn)生改變，其接觸面仍然集中在軌頂和車輪踏面中心接觸區(qū)。

圖7 軌道衡鋼軌與引軌進(jìn)行加工處理前后的輪軌接觸對(duì)比

從近幾年軌道衡鋼軌與引軌接頭處出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象實(shí)際來看，所有出現(xiàn)斷裂的鋼軌均是發(fā)生垂向裂紋或斷口，即使出現(xiàn)較大裂紋時(shí)也沒有出現(xiàn)橫向位移。實(shí)踐證明也印證了軌道衡鋼軌與引軌接頭處的輪軌接觸集中在軌頂和車輪踏面中心接觸區(qū)，且鋼軌的主要受力及傳遞方向集中在與水平面垂直的垂向。

（5）衡軌與引軌采用傳統(tǒng)連接方式時(shí)被加工區(qū)段鋼軌與軌道衡基礎(chǔ)接觸面分析。由于鋼軌在運(yùn)輸生產(chǎn)過程中主要負(fù)責(zé)將鐵路機(jī)車車輛的重量傳遞給軌枕或軌道衡基礎(chǔ)，與輪軌接觸不同，鋼軌軌底與軌枕或軌道衡基礎(chǔ)的接觸是整個(gè)平面的全面接觸（見圖8）。

圖8 軌道衡鋼軌與引軌受力傳遞圖

理想狀態(tài)下，在鋼軌加工后鋼軌軌頭部分與車輪的接觸面和受力并沒有發(fā)生改變，但鋼軌軌底被切割后其與軌枕或軌道衡基礎(chǔ)的接觸面減少，故軌底與軌枕或軌道衡基礎(chǔ)之間的受力增加。由圖8 中的相關(guān)參數(shù)可分別計(jì)算出N1 和N2 的變化值。經(jīng)計(jì)算,軌道衡鋼軌與引軌在加工后傳遞至軌枕或軌道衡基礎(chǔ)的單位面積受力增加了1.84 倍。

4.2 鐵路機(jī)車車輛經(jīng)過軌道衡鋼軌接頭時(shí)的輪軌受力分析

當(dāng)前貴溪冶煉廠所運(yùn)用的鐵路線路均是采用此種方式進(jìn)行連接的有縫線路，為方便鋼軌安裝，標(biāo)準(zhǔn)軌生產(chǎn)時(shí)在其兩端分別留有3 個(gè)螺栓安裝孔（見圖9）。雖然在后續(xù)安裝過程中通過鋼軌接頭的方式能夠整條鐵路線路的連續(xù)性，但在標(biāo)準(zhǔn)軌兩端預(yù)留安裝孔的方式使原有鋼軌的整體性遭到了破壞。

圖9 鋼軌接頭連接示意圖

一般說來，接頭夾板的斷面面積可達(dá)鋼軌斷面的85%～100%的程度，但是其抗彎剛度僅為鋼軌的30%，在同種支承狀態(tài)下，其下沉量是母材鋼軌的3 倍。因此，鋼軌接頭是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)［4］。

根據(jù)英國鐵路德比(Derby)技術(shù)中心萊昂(Lyon)在理論上建立了余弦型或拋物線型不平順的、在連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的歐拉(Euler)梁軌道模型(見圖10)，并建立動(dòng)力方程式對(duì)輪軌作用力隨時(shí)間的變化而變化的過程進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)其結(jié)論，由于伸縮鋼軌與夾板間的磨耗、螺栓松動(dòng)、鋼軌軌端磨耗以及軌縫等會(huì)產(chǎn)生沖擊，接頭部分受到很大的沖擊附加動(dòng)力作用。根據(jù)對(duì)車輛枕簧下質(zhì)量加速度的實(shí)測(cè)資料，這些附加力為正常輪載的2 ～3 倍，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)4 ～5 倍［4］。

圖10 歐拉梁軌道動(dòng)力學(xué)模型

4.3 軌道衡鋼軌與引軌接頭錯(cuò)牙對(duì)鋼軌受力造成的影響分析

鋼軌接頭錯(cuò)牙是指鋼軌接頭處兩軌面存在高度差的非正常接頭［5］。由于軌道衡鋼軌與引軌接頭采用活動(dòng)連接。當(dāng)鐵路機(jī)車車輛停留在軌道衡上時(shí)，軌道衡衡器會(huì)整體下降約0 ～3mm，在車輛檢斤過程中會(huì)產(chǎn)生接頭高低錯(cuò)牙。根據(jù)鋼軌接頭錯(cuò)牙的分類一般分為順輪錯(cuò)牙和迎輪錯(cuò)牙，從鐵路機(jī)車車輛通過軌道衡的過程來看，其駛?cè)胲壍篮鈺r(shí)為順輪錯(cuò)牙，駛離軌道衡為迎輪錯(cuò)牙（見圖11）。

圖11 軌道順輪錯(cuò)牙及迎輪錯(cuò)牙示意圖

車輪正向通過迎輪錯(cuò)牙接頭的沖擊力明顯比逆向通過順輪錯(cuò)牙接頭時(shí)大，在輪軌相互作用中，迎輪錯(cuò)牙引起的輪軌沖擊力峰值比順輪錯(cuò)牙要大210.5 kN，錯(cuò)牙高度越大其引起的輪軌沖擊力越大，鋼軌錯(cuò)牙高度增加0.5mm 時(shí)，輪軌沖擊力最大峰值約增大60 ～90kN［5］。

4.4 鋼軌加工對(duì)其原金屬特性及應(yīng)力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響分析

為提高鋼軌的強(qiáng)度，當(dāng)前使用鋼軌均為U71Mn鋼軌，其中添加的主要成分及含量分別為C 0.72%，Si 0.24%，Mn 1.17%，P 0.019%和S 0.025%，屬于高碳鋼，塑性和韌性值不高。生產(chǎn)廠對(duì)U71Mn 鋼軌不進(jìn)行全長熱處理，是以熱軋態(tài)交貨，鋼軌硬度為25 ～28HRC［6］，鋼軌自然冷卻過程中外部較里部冷卻快，其內(nèi)部會(huì)形成一定的應(yīng)力，一般鋼軌表面比鋼軌里層的強(qiáng)度更高。

對(duì)鋼軌進(jìn)行切割加工時(shí)，不僅破壞了原鋼軌的內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在鋼軌靠切割面處少部分金屬會(huì)因?yàn)楦邷刈兂梢后w，出現(xiàn)碳的富集區(qū)并在其里層形成奧氏體。停止切割后在環(huán)境溫度和鋼軌基體溫度的影響下切割面快速冷卻，形成了由表至里的馬氏體+萊氏體→馬氏體+殘余奧氏體→珠光體的組織結(jié)構(gòu)特征［6］。而馬氏體和萊氏體組織為硬而脆的非正常組織，極易發(fā)生斷裂。通過對(duì)近幾年鋼軌出現(xiàn)斷裂的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也印證了這一點(diǎn)。從圖12 中可以看出軌道衡鋼軌與引軌連接部位的斷裂均發(fā)生在鋼軌軌頭加工部位及加工面的開孔位置。

圖12 軌道衡鋼軌與引軌接頭斷裂照片

5 軌道衡鋼軌與引軌連接方式的改進(jìn)優(yōu)化

通過對(duì)采用傳統(tǒng)連接方式對(duì)軌道衡鋼軌與引軌進(jìn)行連接的具體分析，初步認(rèn)為造成軌道衡與引軌連接接頭處鋼軌斷裂的主要原因歸納起來有以下幾個(gè)方面。

（1） 根據(jù)傳統(tǒng)連接方式將鋼軌切割一部分后，其軌底與軌枕或軌道衡基礎(chǔ)的接觸面減少，使鋼軌受力增加1.84 倍，加快了鋼軌的疲勞進(jìn)程。

（2） 鐵路線路中鋼軌接頭只能保持鐵路線路的連續(xù)性，無法保證鋼軌的完整性，鐵路機(jī)車車輛通過時(shí)，接頭部分會(huì)受到很大的沖擊，鋼軌接頭受到的附加沖擊力為正常輪載的2 ～3 倍，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)4 ～5 倍。

（3） 為保證軌道衡的檢斤精確度，軌道衡鋼軌與引軌之間不能進(jìn)行剛性連接，鐵路車輛通過軌道衡時(shí)，軌道衡整體會(huì)有一定的下降使接頭產(chǎn)生錯(cuò)牙，鋼軌錯(cuò)牙越大其引起的輪軌沖擊力越大，鋼軌錯(cuò)牙高度每增加0.5mm，輪軌沖擊力最大峰值就會(huì)增大約60 ～90kN。

（4）采用傳統(tǒng)連接方式將軌道衡鋼軌和引軌切除一部分，并鉆孔加工用于安裝連接塊，導(dǎo)致鋼軌原有的應(yīng)力結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)在切割面出現(xiàn)碳富集區(qū)使其表面產(chǎn)生脆而硬的非正常組織，加工后的鋼軌易出現(xiàn)斷裂。

考慮到鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)實(shí)際，針對(duì)初步確認(rèn)的以上幾點(diǎn)問題，在確保行車安全和滿足軌道衡計(jì)量技術(shù)要求的前提下，于2015 年初選擇1 號(hào)軌道衡進(jìn)行試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，并從以下幾個(gè)方面對(duì)鋼軌連接方式進(jìn)行改進(jìn)。

（1） 改進(jìn)鋼軌加工方式，將原鋼軌軌端加工方式由L 型多方向切割改為橫向切割，取消原加工方式在軌道衡鋼軌上的鉆孔，引軌取消臨近軌端55mm 處的第1 處鉆孔，按照通用鋼軌接頭的安裝位置在其它2 個(gè)固定安裝孔安裝夾板，確保鋼軌連接部位的軌面強(qiáng)度和軌腰強(qiáng)度不受破壞。

（2） 改變軌道衡鋼軌與引軌連接方式，取消原連接軌道衡鋼軌和引軌的固定連接塊，利用鋼軌普通接頭夾板設(shè)計(jì)制作新型內(nèi)外夾板，將鉸接式連接改為非接觸式連接。

考慮到軌道衡鋼軌與引軌接頭處的輪軌接觸及受力集中在垂向，橫向沖擊很小，外夾板長度保持普通夾板原長度510mm 不變，為確保行車安全，外夾板同時(shí)起固定及防止軌道衡鋼軌外移的作用，為保證軌道衡檢斤過程中衡器下降時(shí)外夾板不會(huì)與軌道衡鋼軌發(fā)生干涉影響檢斤數(shù)據(jù)將臨近軌道衡鋼軌處夾板上下接觸面分別切除10mm，內(nèi)夾板保留長度390mm 只起內(nèi)外夾板固定作用（見圖13）。

圖13 新設(shè)計(jì)夾板加工效果圖

（3） 新型夾板安裝在軌道衡鋼軌與鐵路軌道鋼軌相連接的鐵路軌道鋼軌一端，外夾板處于軌道衡鋼軌端軌腰部位部分與鋼軌軌腰貼面保持有3mm游動(dòng)間隙，使動(dòng)態(tài)連接符合軌道衡鋼軌安裝技術(shù)規(guī)范（見圖14）。

圖14 改進(jìn)后的軌道衡與引軌連接效果圖

6 結(jié)語

自對(duì)1 號(hào)軌道衡采用新改進(jìn)連接方式以來，鋼軌接頭狀態(tài)持續(xù)保持穩(wěn)定，在連續(xù)使用4 年多的時(shí)間后，衡軌和引軌均未出現(xiàn)較大損傷和病害，遠(yuǎn)優(yōu)于采用傳統(tǒng)方式連接軌道衡鋼軌接頭連接狀態(tài)。由此可見，采用新的連接方式，與以往傳統(tǒng)方式軌道衡鋼軌和引軌的壽命至少可提高4 倍以上。不僅降低了檢修維護(hù)成本，提高了運(yùn)輸效率，還為鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全提供了可靠保障。