鐵路小半徑曲線鋼軌病害成因及整治研究——以昆明工務(wù)段南昆線為例.pdf

1、既有線山區(qū)鐵路由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、使用年限較長(zhǎng)、所處的地質(zhì)氣候環(huán)境惡劣，且隨著列車運(yùn)行速度提高、軸重增加、行車密度加大以及強(qiáng)度高、耐磨性好軌鋼的廣泛應(yīng)用，鋼軌軌頭的剝離掉塊和水平裂紋成為小半徑曲線軌道傷損的主要形式。列車以較高速度經(jīng)過(guò)小半徑曲線軌道時(shí)，曲線上股鋼軌軌頭容易出現(xiàn)偏心受壓，軌頭內(nèi)側(cè)亞表面容易屈服，導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，使軌頭內(nèi)側(cè)出現(xiàn)剝離掉塊，引起車輪滾動(dòng)不平順，輪軌的沖擊作用進(jìn)一步加速病害的擴(kuò)展，甚至引起斷軌的重大事故。因

2、此，本論文以昆明工務(wù)段管內(nèi)的南昆線、成昆線小半徑曲線為例，研究輪軌滾動(dòng)接觸產(chǎn)生的軌道病害及其解決辦法，對(duì)增強(qiáng)我國(guó)山區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)安全具有重大意義。
　　本文以南昆線ZHK707+732.4的400m小半徑曲線為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和分析工務(wù)段內(nèi)日常養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)資料，總結(jié)曲線段鋼軌軌頭病害的產(chǎn)生、發(fā)展規(guī)律。在現(xiàn)場(chǎng)獲取小半徑曲線參數(shù)后，運(yùn)用SIMPACK軟件對(duì)車輛-軌道進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并優(yōu)化曲線軌道的幾何參數(shù)。再結(jié)合力學(xué)數(shù)據(jù)，運(yùn)用ABA

3、QUS/XFEM擴(kuò)展有限元模塊對(duì)水平裂紋萌生及發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析。本文主要結(jié)論如下:
　　(1)鋼軌軌頭出現(xiàn)的水平裂紋與剝離掉塊存在因果關(guān)系:軌頭剝離掉塊由水平裂紋發(fā)展而成。因此，研究水平裂紋是研究剝離掉塊的基礎(chǔ)。
　　(2)軌頭內(nèi)側(cè)水平裂紋由多個(gè)疲勞裂紋組成。而疲勞裂紋由曲線段內(nèi)過(guò)大的輪軌力及偏心壓力導(dǎo)致。
　　(3)在南昆線ZHK707+732.4的400m小半徑曲線軌道上，總重為93t的貨車以限制速度80km/h運(yùn)

4、行時(shí)，計(jì)算得到輪軌最大橫向力為57.42KN，最大垂向力為137.96KN，脫軌系數(shù)為0.416。優(yōu)化軌底坡和外軌超高后，輪軌力、摩擦功率及蠕滑率等指標(biāo)值均出現(xiàn)下降，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。
　　(4)輪軌力作用在軌頭頂面中心線時(shí)，只在接觸面附近區(qū)域產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，軌頭內(nèi)側(cè)應(yīng)力很小。當(dāng)輪軌力向軌頭內(nèi)側(cè)偏心受壓時(shí)，軌頭內(nèi)側(cè)亞表面6mm～12mm區(qū)域應(yīng)力及應(yīng)變達(dá)到峰值，與產(chǎn)生疲勞裂紋的區(qū)域重合。當(dāng)存在水平裂紋時(shí)，裂紋尖端處應(yīng)力集中現(xiàn)象明

5、顯，容易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。
　　(5)輪軌力對(duì)裂紋尖端的作用受水平裂紋位置的影響。水平裂紋距離軌頭頂面距離越小，裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，裂紋越容易擴(kuò)展。
　　(6)裂紋尖端應(yīng)力及應(yīng)變受水平裂紋深度的影響。裂紋向軌頭中心擴(kuò)展，裂紋尖端最大有效Mises應(yīng)力及應(yīng)變反而減小，所以裂紋擴(kuò)展到一定深度后擴(kuò)展速度會(huì)降低，但由于有效截面的減小，軌頭內(nèi)部將產(chǎn)生更大的應(yīng)力。
　　(7)給軌頭施加足夠大的垂向和橫向輪軌力，當(dāng)輪軌接觸面邊

6、緣處于裂紋尖端正上方且接觸面位于未開(kāi)裂一側(cè)時(shí)，水平裂紋向斜上方擴(kuò)展，最后發(fā)展成為剝離掉塊。而當(dāng)其處于開(kāi)裂一側(cè)時(shí)，水平裂紋朝軌頭中心且略微向下方發(fā)展，進(jìn)一步擴(kuò)展成為斜裂紋，甚至出現(xiàn)核傷和斷軌。研究結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果一致。
　　(8)水平裂紋尺寸較小時(shí)，除了裂紋尖端應(yīng)力及應(yīng)變較大外，軌頭其他部位應(yīng)力、應(yīng)變變化不大。只有當(dāng)裂紋發(fā)展到較大尺寸或向縱深發(fā)展時(shí)，改變軌頭有效截面大小，才有可能發(fā)生斷軌。因此，軌頭出現(xiàn)小尺寸的水平裂紋時(shí)，鋼軌仍然