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      高速鐵路鋼軌隱傷的特性及現(xiàn)場(chǎng)檢查監(jiān)測(cè)方法

      2019-04-03 05:19:06韓清強(qiáng)陳大磊楊懷志
      鐵道建筑 2019年3期
      關(guān)鍵詞:傷損踏面正線

      韓清強(qiáng),陳大磊,楊懷志

      (1.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 蚌埠工務(wù)段,安徽 蚌埠 233000;2.京滬高速鐵路股份有限公司,北京 100089)

      輪軌接觸疲勞是鋼軌在接觸應(yīng)力和摩擦力作用下形成的塑性流動(dòng)變形、疲勞磨耗、疲勞裂紋三者共存、相互影響或制約,發(fā)生于輪軌接觸面表層和次表層的傷損現(xiàn)象[1]。高速鐵路鋼軌踏面隱傷已成為國(guó)內(nèi)外鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞((Rolling Contact Fatigue,RCF)中的主要傷損形式之一,容易出現(xiàn)在列車運(yùn)行速度較高、鋼軌強(qiáng)度等級(jí)較高及列車加減速區(qū)段。隱傷又稱為鋼軌踏面裂紋或踏面壓潰,裂紋開(kāi)口朝著軌頭內(nèi)頂角方向,當(dāng)輪軌接觸應(yīng)力與鋼軌殘余應(yīng)力的疊加超出安定極限值時(shí),因鋼軌表層產(chǎn)生塑性流動(dòng),萌生表面微裂紋[2]。鋼軌踏面隱傷是初始微裂紋在某種特定影響因素作用下擴(kuò)展形成的,鋼軌踏面隱傷一旦形成,在輪軌力作用下會(huì)產(chǎn)生踏面橢圓形凹陷,同時(shí)伴有V形裂紋,且裂紋隨著輪軌作用力的疊加不斷擴(kuò)展,對(duì)軌道平順性、高速列車運(yùn)行平穩(wěn)性造成不利影響,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鋼軌斷裂,從而危及行車安全[3-4]。

      1 現(xiàn)場(chǎng)鋼軌隱傷特性分析

      京滬高速鐵路蚌埠工務(wù)段管轄正線鋼軌均采用U71Mn鋼,正線道岔鋼軌均采用新鐵德奧CN道岔,道岔鋼軌除導(dǎo)軌外均采用R350HT德國(guó)進(jìn)口鋼軌(鋼軌強(qiáng)度較高)。線路采用鋼軌高速打磨車進(jìn)行鋼軌打磨,平均每年至少打磨1遍鋼軌表面硬化層,而道岔只在2016年度和2017年度開(kāi)展過(guò)廓形修理性打磨,對(duì)鋼軌踏面硬化層未進(jìn)行過(guò)專項(xiàng)打磨。正線線路、道岔通過(guò)允許速度Vmax=350 km /h。管內(nèi)宿州東站至蚌埠南站區(qū)間暨先導(dǎo)段最大列車通過(guò)總重約為43.5萬(wàn)t。自2011年京滬高速鐵路開(kāi)通以來(lái),管內(nèi)共計(jì)更換正線線路鋼軌28根,其中26根為鋼軌擦傷,2根是受到更換軌道板的影響,鋼軌隱傷發(fā)生率為0。更換正線CN道岔結(jié)構(gòu)件10組,其中受鋼軌隱傷影響而更換的道岔鋼軌件9組,鋁熱焊接頭傷損1組,鋼軌隱傷更換率達(dá)到90%。具體傷損統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

      表1 京滬高速鐵路蚌埠工務(wù)段管內(nèi)鋼軌隱傷統(tǒng)計(jì)

      1.1 現(xiàn)場(chǎng)隱傷分布規(guī)律

      根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的鋼軌傷損情況看,隱傷不同于鋼軌表面擦傷,屬非左右股對(duì)稱出現(xiàn)。有的出現(xiàn)在直基本軌岔前接頭附近,有的出現(xiàn)在曲基本軌岔前接頭附近,有的在岔心位置,有的在直尖軌跟端,有的左右股非同時(shí)出現(xiàn)。表面上看現(xiàn)場(chǎng)難以尋找其產(chǎn)生規(guī)律,但通過(guò)觀察對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律:①鋼軌隱傷發(fā)生率正線道岔鋼軌占比為100%,正線線路鋼軌占比為0,正線道岔鋼軌傷損位置均為鋼軌強(qiáng)度較高區(qū)域,而國(guó)產(chǎn)U71Mn導(dǎo)軌區(qū)段未出現(xiàn)過(guò)傷損;②預(yù)防性或周期性打磨硬化層后的區(qū)間線路未發(fā)生隱傷,沒(méi)有打磨的站內(nèi)正線道岔隱傷出現(xiàn)較多;③傷損均存在于正線通過(guò)位置,而非道岔側(cè)向通過(guò)位置;④傷損多出現(xiàn)在正向通過(guò)區(qū)段且多為進(jìn)出站道岔加減速區(qū)位置。

      1.2 鋼軌隱傷表現(xiàn)特征

      從現(xiàn)場(chǎng)觀察到的鋼軌踏面隱傷(圖1)的表現(xiàn)特征來(lái)看,鋼軌發(fā)生隱傷往往伴隨著軌頭裂紋,尤其是V形裂紋(圖2)萌生后,在軌面上沿垂直于切向力方向擴(kuò)展,在軌頭內(nèi)部裂紋初始產(chǎn)生時(shí)沿變形流線方向以較小角度向深處發(fā)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至8~10 mm深度時(shí)便轉(zhuǎn)化成水平裂紋,由于V形裂紋在軌頭內(nèi)部的發(fā)展,使得裂紋擴(kuò)展(圖3)涉及區(qū)域在輪軌力作用下產(chǎn)生了橢圓形凹陷[5],說(shuō)明V形裂紋的萌生是鋼軌踏面隱傷形成的重要前兆。

      圖1 蚌埠南站N7岔叉心位置隱傷

      圖2 蚌埠南站N7岔叉心V形裂紋

      圖3 蚌埠南站N7岔隱傷剖面(裂紋擴(kuò)展)

      1.3 鋼軌隱傷的發(fā)展趨勢(shì)

      以蚌埠南站N5岔以例,傷損發(fā)現(xiàn)時(shí)間為2018年1月9日,更換時(shí)間為2018年7月3日。從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析來(lái)看(圖4),傷損在表現(xiàn)出來(lái)以后的一個(gè)月內(nèi)基本趨于穩(wěn)定,深度為6.2~6.4 mm。第2個(gè)月、第3個(gè)月內(nèi)發(fā)展較快,平均每月發(fā)展0.5 mm左右,達(dá)到7.2 mm時(shí)再次趨于穩(wěn)定。期間在4月23日便出現(xiàn)了表面掉塊現(xiàn)象,如果不及時(shí)進(jìn)行更換,將會(huì)產(chǎn)生水平方向裂紋,存在嚴(yán)重的斷軌安全隱患。

      圖4 蚌埠南N5岔叉隱傷發(fā)展趨勢(shì)示意

      2 現(xiàn)場(chǎng)檢查監(jiān)測(cè)方法

      目前國(guó)內(nèi)外主要采用超聲縱波與橫波來(lái)監(jiān)測(cè)鋼軌在使用中出現(xiàn)的各種疲勞傷損[6]。采用的主要探傷設(shè)備有鋼軌探傷車、人工探傷小車等,基本配備的是70°,45°(或37°~45°間其他角度),0° 3種探頭(探頭頻率均為2~5 MHz),分別用于監(jiān)測(cè)軌頭核傷、鋼軌內(nèi)部的斜裂紋以及鋼軌內(nèi)部的水平裂紋,而對(duì)鋼軌表面的缺陷沒(méi)有監(jiān)測(cè)能力。加之由于軌頭表面裂紋存在,嚴(yán)重阻礙了聲波進(jìn)入鋼軌內(nèi)部,反而影響了內(nèi)部缺陷的有效監(jiān)測(cè)。因此,目前通過(guò)探傷車、人工探傷小車很難發(fā)現(xiàn)鋼軌隱傷,即使采用人工探傷也很難發(fā)現(xiàn)。

      目前國(guó)內(nèi)很少使用低頻超聲波探傷小車(200~400 kHz)作為隱傷裂紋的探傷手段[7]。近年來(lái),京滬高速鐵路蚌埠工務(wù)段管內(nèi)鋼軌產(chǎn)生的隱傷均采用人工目視法檢查,主要根據(jù)是鋼軌隱傷會(huì)在鋼軌表面產(chǎn)生凹陷并伴有裂紋。因裂紋初期較為細(xì)小難以查看,現(xiàn)場(chǎng)采用目視法檢查時(shí)重點(diǎn)查看鋼軌光帶變化有無(wú)異常(接頭除外,但又類似于接頭壓潰情況),如發(fā)現(xiàn)存在鋼軌光帶異常(或變寬),多數(shù)為隱傷等RCF傷損所致(早期新鐵德奧道岔尖軌跟端變截面處因鋼軌軋制工藝問(wèn)題導(dǎo)致的壓潰情況等除外)。同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)綜合巡檢系統(tǒng)的使用與判別,高度重視鋼軌光帶異常區(qū)域的復(fù)核工作,人工檢查或復(fù)核巡查系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼軌隱傷等RCF傷損,現(xiàn)場(chǎng)采用無(wú)損加固臨時(shí)處理,同步采用小型測(cè)厚儀進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。一般監(jiān)測(cè)周期為每周1次,監(jiān)測(cè)傷損發(fā)展變化情況,確?,F(xiàn)場(chǎng)做到搶前抓早,在隱傷裂紋深度達(dá)到8 mm前建議及時(shí)更換,防止演變成水平裂紋傷損,從而有效防止斷軌事件發(fā)生。

      3 結(jié)語(yǔ)

      國(guó)內(nèi)高速鐵路網(wǎng)目前正處于快速發(fā)展期,鋼軌是行車安全的主要影響因素。針對(duì)鋼軌隱傷等RCF傷損,一方面要高度重視鋼軌表層的預(yù)防性打磨工作,包括有針對(duì)性地對(duì)加速區(qū)段、鋼軌強(qiáng)度較大區(qū)段等實(shí)施硬化層預(yù)防性打磨,同時(shí)根據(jù)隱傷發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度制定合理的打磨周期,現(xiàn)場(chǎng)可采用大機(jī)打磨與手工小車打磨相結(jié)合的方式;另一方面應(yīng)對(duì)高速鐵路鋼軌隱傷等RCF傷損開(kāi)展進(jìn)一步研究,開(kāi)發(fā)以輪軌接觸產(chǎn)生的頻率或振幅等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的鋼軌防斷監(jiān)測(cè)裝置,通過(guò)分析鋼軌傷損變化特點(diǎn),指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展針對(duì)性鋼軌防斷工作。同時(shí)也可開(kāi)發(fā)更多有關(guān)鋼軌裂紋的低頻表面波監(jiān)測(cè)技術(shù),同時(shí)進(jìn)一步修訂完善鋼軌傷損管理辦法,避免由于鋼軌的滾動(dòng)接觸疲勞傷損威脅行車安全。

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