摘要：对不同通过总重下的重载铁路小半径曲线(3)
2013-05-10 18:04
导读：根据图 1 和表2 的数据，计算得到的平均裂纹理论扩展深度hQ0 如图3 所示，其符合对数分布的规律。 4.3 最佳磨耗率和打磨参数 根据裂纹-磨耗消长平衡机制
根据图 1 和表2 的数据，计算得到的平均裂纹理论扩展深度hQ0 如图3 所示，其符合对数分布的规律。
4.3 最佳磨耗率和打磨参数
根据裂纹-磨耗消长平衡机制，在预防性打磨周期内，最佳磨耗率可以从以下两方面考虑：
（1）从磨耗角度考虑，最佳磨耗率应包括轮轨垂磨速率和单位通过总重下的打磨量；（2）从裂纹理论深度考虑，最佳磨耗率应正好磨耗掉理论裂纹。
这样，以打磨量、打磨周期和最佳磨耗率分别为x、y、z 为坐标，建立三维坐标系。根据由测量数据经曲线拟合后内插得到的垂磨发展率和理论裂纹深度数据。由表2 可知，通过总重到达约58MGT 时，上股钢轨平均侧磨已经达到1.274mm，这时钢轨型面已经发生变化，预防性钢轨打磨将钢轨型面恢复到标准型面较困难，打磨量会很大，因此，预防性打磨应该在钢轨型面未发生明显变化之前，即通过总重约60MGT 之前实施。
假设打磨周期在5MGT~60MGT 通过总重、打磨量在0.1mm~1.0mm 变化时，公式（2）、（3）得到的最佳磨耗率是两公式所代表的曲面的交线，上股钢轨的最佳磨耗率如图4 所示。图 4 中，网格曲面由公式（2）结合磨耗发展率数据得到，为从磨耗和打磨角度考虑的最佳磨耗率；光滑曲面由公式（3）结合平均理论裂纹深度数据得到，为从裂纹深度角度考虑的最佳磨耗率。当前者大于后者时，说明不仅裂纹被磨耗掉，而且不存在裂纹的轨头金属也被过度磨耗掉；反之，则说明裂纹没完全被磨耗掉，轨头内仍然存在裂纹。当两者计算得到的最佳磨耗率相等时（图4 中的黑实线），则说明裂纹恰好被磨耗掉。俯视图4，即将打磨量和打磨周期分别作为横、纵坐标，就形成图5。可以发现，在两曲面的交线处，当打磨参数取最小时（图5 的A 点），即打磨量为0.33mm、打磨周期为1000 万吨，对应的最佳磨耗率为0.061mm/MGT。考虑到轨头垂直磨耗限值为12mm（75kg/m 钢轨重伤标准），这种情况下钢轨的寿命大约为1.97 亿吨通过总重，钢轨寿命因初期较高的轮轨磨耗（与新钢轨型面与车轮型面匹配而发生较高的磨耗有关）和频繁的打磨而缩短，因此，这种打磨参数及对应的最佳磨耗率对钢轨寿命不利。当最佳磨耗率取最小时（图5 的B 点），即最佳磨耗率为0.026mm/MGT，这时对应的打磨周期为5500 万吨通过总重，打磨量为1.0mm，在这样的通过总重下，钢轨轨头轮廓被磨耗成与车轮外形匹配的外形，因而轮轨磨耗率降低，但是裂纹深度已经较大，需要大量的、多遍的打磨才能消除裂纹，增加了实际作业的难度。所以要使打磨参数和最佳磨耗率两者最佳匹配，如图5中的C 点，最佳磨耗率为0.032mm/MGT，对应的打磨周期为2000 万吨、打磨量为0.45mm，可以打磨掉表面流变层的厚度，预计的钢轨寿命大约为3.7 亿吨通过总重。
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同理，分析下股钢轨的最佳磨耗率和打磨参数发现，最佳磨耗率为0.034mm/MGT 时，对应打磨周期为2000 万吨、打磨量为0.3mm，这时预计的钢轨寿命为3.5 亿吨通过总重。
考虑到打磨车的作业效率，一条曲线通常是两股钢轨同时进行打磨作业，则该小半径曲线的预防性钢轨打磨可以考虑每隔1700~2000 万吨通过总重时进行，打磨量约为0.40~0.45mm（上股钢轨）和0.25~0.30mm（下股钢轨），这时对应的最佳磨耗率约为0.032~0.034mm/MGT。
5 结论
本文建立了钢轨裂纹-磨耗消长平衡机制，提出了最佳磨耗率和打磨参数的计算方法，得到如下结论：
（1）试验段现有条件下，钢轨上道初期的轮轨磨耗无法消除或控制裂纹的扩展，必须利用裂纹-磨耗消长平衡机制，引入预防性钢轨打磨，在钢轨表面伤损如裂纹和磨耗尚未严重时，选择适当时机，以较小的打磨量，平衡裂纹和磨耗的发展，从而达到控制钢轨表面伤损和磨耗、延长钢轨寿命的目的；（2）设计合理的预防性钢轨打磨周期和打磨量，要根据运行状况、轨道结构参数等条件，掌握钢轨磨耗状态和裂纹萌生扩展状态；（3）在一定的线路运输条件、轨道结构和轮轨几何关系的情况下，钢轨的最佳磨耗率与打磨参数，即打磨周期和打磨量密切相关、相互影响，只有将打磨参数和最佳磨耗率综合考虑，才能充分发挥预防性打磨的优势、有效地延长钢轨使用寿命；（4）在考虑磨耗和疲劳裂纹发展的情况下，试验线路的钢轨最佳磨耗率约为0.032~0.034mm/MGT，预防性钢轨打磨周期为1700~2000 万吨通过总重，每次打磨的打磨量约为上股钢轨0.40~0.45mm、下股钢轨0.25~0.30mm；（5）一次打磨作业的打磨量应该超过该打磨周期内轨头表面流变层的厚度；（6）在进行预防性钢轨打磨时，除实施设置的打磨量以消除和控制轨面裂纹外，还应通过打磨恢复标准钢轨型面或为减缓钢轨侧磨而设计的特殊钢轨型面（如非对称钢轨型面），从而改善轮轨几何关系和接触关系，改善车轮通过曲线的状态，减缓钢轨侧磨。
