由于机车车辆的动力作用、自然环境和钢轨本身的质量等原因,钢轨经常发生裂纹、折断和磨耗等现象。钢轨伤损严重影响行车的安全。我国根据钢轨的伤损种类、伤损位置及伤损原因进行分类,共分为 9 类 54 种伤损,并用 5 位数编号,见下表。第一位数字表示伤损在钢轨长度上的位置,第二位数字表示伤损在钢轨横截面上的位置,第三位数字表示伤损状态,第四位数字表示伤损状态的细化,第五位数字表示伤损的程度。
钢轨损伤类型
1.钢轨接头螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹
在普通线路上,钢轨接头无法避免。一般在轨腰中和轴附近钻孔,以便安装接头螺栓。由于轨腰钻孔,强度被削弱,钢轨在应力传递过程中,在螺栓孔周围产生应力集中,同时由于车轮通过接头时产生冲击,螺栓孔周围应力集中现象更为严重。
研究结果表明,车轮通过接头时产生的轮轨高频冲击荷载 P1 和低频冲击荷载 P2 决定轨端第一螺栓孔的应力水平,P2 力决定第二螺栓孔的应力水平。在轮轨冲击荷载作用下,螺栓孔周围先产生肉眼看不见的 45°斜向(与主应力垂直方向)细微裂纹,也称裂纹萌生期,在列车荷载的进一步作用下,裂纹进一步扩展并产生断裂,如图 1 所示。
钢轨焊接接头的轨面平顺性较普通螺栓接头好得多,但由于焊缝(主要是铝热焊接头)材料与钢轨母材不一致,造成焊缝处钢轨的磨损与母材不一致而产生轨面不平顺,增大了轮轨冲击荷载,从而造成焊接接头钢轨的断裂,如图 2 所示。
2.轨头核伤
轨头核伤是对行车威胁最大的一种钢轨伤损。在列车荷载的反复作用下,在轨头内部出现极为复杂的应力分布和应力状态,使细小裂纹横向扩展成核伤,直至核伤周围的钢材强度不足以抵抗轮载作用下的应力,钢轨发生淬断,如图 3 所示。
3.轨头滚动接触疲劳
轨头滚动接触疲劳裂纹是铁路运输中经常出现的一种钢轨伤损。这种疲劳裂纹常常发生在轨头表面,发生在轨头内侧圆角处的疲劳裂纹称为斜裂纹、鱼鳞纹或者轨头龟裂(HeadChecks),发生在轨顶面的疲劳裂纹叫压陷(Squats、Studs),两者都会导致轨面剥离掉块或者核伤和断轨,其发生的主要原因是此处的轮轨接触应力、剪切应力较大,远远超过钢材的屈服强度,使得钢轨表面及其以下几毫米处的材料发生疲劳。裂纹产生后,向下、向内部扩展容易引起核伤和断轨,向上、向横向彼此串联就引起钢轨表面剥离掉块。
轨距角受到车轮作用时,容易引起应力集中,极端时轮轨接触的应力达到 2～3GPa,使得轨头表面或者亚表面的材料发生塑性变形而疲劳,形成与钢轨纵向呈一定角度的斜裂纹(这个角度与曲线半径有关),斜裂纹的开口方向与行车方向相反,与作用其上的轮轨切向力方向垂直,如图 4 所示。斜裂纹向表面两侧和轨头内部扩展,当裂纹向钢轨表面以下发展几毫米后,呈现浅层水平裂纹形态,当裂纹面积达到一定程度后,裂纹彼此相连,轻则被车轮连带下来,形成疲劳性的钢轨磨耗,重则整块断裂,轨面出现凹坑,形成剥离掉块,如图 5 所示。若裂纹进一步朝轨头内部扩展,还会引起断轨。
轨顶面的压陷伤损是另外一种滚动接触疲劳伤损,如图 6 所示。严重的压陷表现在轨顶面产生塑形压陷,进而产生沿钢轨纵向前后分别扩展的裂纹、导致轨面光带颜色变暗。当裂纹从表面向亚表面扩展至 3～6mm 后,转向为水平方向,使得轨面由于裂纹扩展而进一步低陷,并引起轨顶剥离掉块,如图 7 所示。同时,轨顶面由于材料塑性变形和疲劳而被压宽,轮轨接触光带加宽,引起轮轨动力冲击进一步加速了裂纹的扩展,压陷裂纹的扩展同样会引起断轨。
钢轨表面的剥离掉块还会引起轮轨滚动的振动和噪声,干扰超声波探伤的信号。减缓和控制滚动接触疲劳伤损的措施有:提高钢轨材质;采用轨顶摩擦控制,延长裂纹萌生时间;轮轨接触几何关系改善,减少轮轨接触应力集中,移动轮轨接触点至轨头大圆弧区域,加宽轮轨接触带宽度,如高速铁路光带宽度保持在 20～30mm;尽量减少曲线轨道数量和增大曲线轨道的半径;钢轨打磨等。
4.钢轨磨耗
钢轨磨耗分为轨顶垂直磨耗、轨头侧面磨耗和轨面波浪形磨耗。不管在直线还是在曲线轨道上,都存在垂直磨耗。垂直磨耗与轮轨之间的垂直力和轮轨之间的蠕滑、摩擦等因素有关,随着线路通过总质量的增大,垂直磨耗也相应增大。当垂直磨耗量达到一定值时,就得更换钢轨。在正常情况下决定钢轨使用寿命的依据是:钢轨强度下降和车轮轮缘不与接头夹板上缘碰撞。
钢轨侧面磨耗主要发生在曲线轨道的外股钢轨。随着电力、内燃机车的应用和机车牵引功率的增大,钢轨侧磨的情况更加严重。钢轨侧磨直接影响曲线钢轨的使用寿命,特别是在半径 800m 以下的曲线,这一情况更加严重,例如在半径 600m 的曲线上,运量达到 1 亿 t 就要更换,仅为其使用寿命的七分之一。钢轨侧磨使得轨头宽度变窄,如图 8 所示。钢轨在侧磨过程中,轨头下侧钢材产生塑性变形和裂纹,严重时形成核伤等病害,如图 9 所示。
钢轨波浪形磨耗(Corrugation,简称波磨)是指钢轨投入运行后在钢轨表面上出现的有一定规律的周期性磨损和塑性变形,如图 10 所示。钢轨的波磨发生和发展规律的机理相当复杂,至今仍未被人们所掌握。
根据波长可将波磨分两大类:波长在 30～80mm,波深 0.1～0.5mm,波峰亮、波谷暗,规律明显,此类波磨称为波纹磨耗;波长为 150～600mm 及以上,波深 0.5～5mm,波峰、波谷都发亮,波浪界线不规则,此类波磨称为长波磨耗。
来源：《轨道工程》
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