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摘要:
滬昆高鐵在運營過程中發現了多處鋼軌擦傷,對全面排查發現的33處擦傷進行分析,發現鋼軌是由施工建設過程中的工程車輛在長大坡道上造成的制動擦傷,經過一年多的列車運行,擦傷處會出現裂紋乃至掉塊等病害,嚴重影響線路運行品質,更有甚者危及高鐵行車安全。針對此情況探討鋼軌擦傷的預防及鋼軌擦傷后的處理措施,以便類似情況可以借鑒。
關鍵詞:
1概況
滬昆高鐵浙江段于2009年開始建設,2013年10月開始鋪軌,2014年11月開通運營,全線為一次性完成鋪設的跨區間無縫線路,鋼軌為武鋼2012年產U71MG百米定尺軌。線路開通一年后,工務車間于2015月12月在鋼軌外觀檢查過程中,發現鋼軌頂面存在擦傷現象,經過全線排查一共發現了不同程度的擦傷33處。滬昆高鐵是設計運營時速350km/h,后調整為時速300km/h的高速鐵路,而鋼軌出現大量擦傷現象將直接影響到高鐵的線路質量及運營安全。所以擺在面前的是要找到造成鋼軌擦傷的原因,并及時采取處置措施,確保高鐵運營萬無一失。
2鋼軌擦傷原因分析
滬昆高鐵開通一年多,怎么會出現這么多的擦傷呢?這些擦傷又是怎樣產生的呢?下面從擦傷發生的時間、擦傷類型、線路特征、鋼軌材質等方面進行分析:
2.1擦傷發生時間分析
滬昆高鐵開通后,在運營過程中,除了動車組、鋼軌探傷車、打磨列車和維修軌道車外,從未有其它列車在線路上運營。期間,也陸續接到動車組緊急制動的報告,在接到緊急制動的報告后,工務段按規定對發生緊急制動地點前后一公里線路鋼軌進行重點檢查。據統計,2016年,滬昆高鐵上海局管內一年發生動車組緊急制動共25次。經檢查,都未造成鋼軌擦傷。鋼軌探傷車、打磨列車和維修軌道車在運行和作業過程中,未出現打飛輪或緊急制動照成鋼軌擦傷,從而排除了開通運營后鋼軌擦傷的可能性。即鋼軌擦傷發生在開通運行之前。
2.2擦傷類型分析
輪軌擦傷的主要類型可以分為兩種,一是長大坡道制動擦傷,其形狀通常呈連續的長條形,擦傷深度不定,可以發生在一股或兩股鋼軌上;二是列車啟動時輪對空轉造成的擦傷其形狀多為橢圓形,也有呈長條形,一般擦傷深度較深,可達0.5mm~2mm,長度為20mm~100mm,寬度為30mm~50mm,通常左右股成對出現。根據現場33處輪軌擦傷的情況看,基本上都是呈連續的長條形(如圖1),發生在單雙股、深淺都有,且其擦傷點分布具有一定規律,根據滬昆高鐵上行K224+178處擦傷情況,繪制其擦傷位置分布示意圖(如圖2)。以DF4D機車為例,其輪對間距為1.8m,且其他東風系列機車輪對間距基本相同。據此分析其擦傷位置間距與東風內燃機車輪對間距基本吻合,即可以確定現場擦傷多為東風內燃機車造成的制動擦傷。
2.3擦傷地段線路特征分析
鋼軌發生擦傷的地點并不是偶然的,也存在一定的規律,對照所發現的33處鋼軌擦傷地點的平縱斷面特點進行分析。如表1、圖3、圖4。由上可知,鋼軌擦傷多發生在長大坡道上。因為,建設初期工程列車運輸組織多為單線正反運行,空出另一線施工,所以長大坡道上下坡都會出現制動擦傷。而鋼軌擦傷多為左右股同時對稱出現在曲線上居多。
2.4擦傷鋼軌材質原因分析
滬昆高鐵浙江段所采用的鋼軌為U71MnG強度等級為880MPa,其布氏硬度在260HB-300HB。該鋼軌中含碳量較低,采用Mn元素來提高強度,有較好的韌、塑性,焊接性優良。而建設過程中在線路上運行的機車多為東風系列機車,輪對硬度參數:265HB-320HB間,輪與軌硬度比在1.05~1.15之間,即輪比軌硬度大。現在所發現的所有擦傷,從其本質都是輪軌接觸面相對摩擦產生高溫,導致軌頭頂面金屬組織產生相變,由珠光體組織轉變成硬而脆的馬氏體組織,簡稱“白層”(如圖5)。它們有兩個主要特性:一是硬度遠遠大于鋼軌母材的硬度,根據現場測量其布氏硬度值達600HB~700HB,而正常鋼軌母材在260HB-300HB間;二是仔細觀察會發現它的顏色跟鋼軌母材顏色有區別,更白更亮,固得名白亮層。鑒于以上原因分析,可以知道,高鐵鋼軌擦傷一般發生在建設初期,由建設過程中的工程列車(多為東風內燃機車)造成的制動擦傷,而非在高鐵建成運營后動車制動造成的。鋼軌擦傷發生地段長大坡道的概率遠遠大于平坡,且多為左右股對稱出現,曲線上多于直線。鋼軌擦傷發生后,一般情況下難于被發現。未及時發現和處理的鋼軌擦傷,開通運營后白亮層更明顯,而運營一年到一年半后白亮層上會出現橫向裂紋,最終會出現軌面上剝離掉塊(如圖6),嚴重影響線路的平順性,并危及行車安全,必須及時處理。
3鋼軌擦傷預防及處理措施
根據高速鐵路鋼軌擦傷的原因來看,首先要重視預防,特別是在建設過程中怎么預防工程車輛運行給鋼軌造成的傷害是我們急需解決的問題。鋼軌擦傷一旦出現,只能通過換軌或打磨(銑磨)的處理方式來解決。
3.1鋼軌擦傷的預防
由于機車啟動和制動擦傷多數發生在高鐵建設過程中,監理和路局工務提前介入人員應對鋪軌過程,或驗收中仔細檢查鋼軌軌面情況,重點檢查長大坡道上鋼軌是否出現擦傷或出現白亮層,可以通過鋼軌頂面布氏硬度測量來確定是否擦傷。一經發現,應盡快在建設過程中盡早處理,否則將其遺留到開通運營后再處理將增加難度,并威脅行車安全。高鐵建設過程中應建立工程列車調度指揮機制,合理組織運輸,減少鋼軌擦傷的發生,并建立工程列車緊急制動及列車輪對空轉臺賬,便于準確找到鋼軌擦傷地點,盡早采取措施。
3.2換軌焊接處理
鋼軌擦傷達到重傷或無法通過打磨處理的情況下,只能通過鋼軌更換處理。首先是在建設初期就發現鋼軌擦傷時,應根據擦傷情況制定具體的更換方案。但應遵循區間不得使用鋁熱焊且要盡可能減少焊縫,盡量避免焊縫相錯的現象發生。其次是在運營之后,再發現嚴重擦傷,根據擦傷分布情況,若單一處采用插入不少于20m短軌用鋁熱焊焊接;若是多處集中擦傷可采用長軌更換,減少插入焊縫數量。
3.3打磨處理
鋼軌擦傷較輕的可以通過打磨處理,其中打磨可分為人工打磨和大機打磨。對于個別出現的輕微擦傷可以通過人工小機打磨,打磨時應兼顧鋼軌原有廓形,打磨時前后應順接好。人工打磨可以采用廓形卡尺(如圖7)對鋼軌廓形進行控制。對于區間內多處出現的輕微擦傷可采用大機進行打磨,打磨前對鋼軌進行全面調查,包括鋼軌光帶及廓形情況等。根據調查情況,制定專項打磨技術方案及設計廓形(如圖8)。一般大機打磨能處理深度0.5mm左右的鋼軌擦傷。
4結束語
高速鐵路鋼軌擦傷現象并非只在滬昆高鐵出現,在已建成的高鐵多有發生,且有多次因鋼軌擦傷嚴重而更換鋼軌。高速鐵路鋼軌擦傷嚴重影響軌道的平順性、列車運行的穩定性及旅客乘車的舒適性,同時經過長時間運行碾壓會引起鋼軌的剝離掉塊或橫向疲勞裂紋,導致鋼軌折斷,嚴重威脅行車安全。而鋼軌擦傷后,在無法通過打磨處理的情況下,只能更換鋼軌,存在施工風險及成本浪費。希望通過本文引起大家對鋼軌擦傷的重視,能更好地幫助大家預防和處理高速鐵路鋼軌擦傷。
參考文獻
[1]徐偉昌.高速鐵路無砟軌道運營初期鋼軌傷損分析及對策措施,上海鐵道科技,2014年第3期.
[2]魏堂建.客運專線鋼軌擦傷原因分析,鐵道科學與工程學報,2015年,第12卷第3期.
作者:寧國平 單位:上海鐵路局杭州工務段