铁轨磨耗

我们先从钢轨磨耗的种类开始。一般有三种，侧面磨耗、垂直磨耗、波浪形磨耗。还有一种磨耗是马鞍形磨耗，由于不典型，现在也少了，本文就不讲了。—侧面磨耗。一般简称钢轨侧磨，顾名思义，就是钢轨侧面因为与车轮的相互作用产生的磨耗导致廓型发生变化。看看下面的图：上面这两张图，一个是换下来之前的，一个是换下来之后的。有人要问了，卧槽，都磨成这样了，你们干什么吃的？看了这样的图片我还能安心坐地铁么？这个不用担心，标准后面我会讲的，你们只要记住，标准的制定都是严格把住安全底线的，我们是一定会严格按照标准来的。所以，欢迎大家愉快的坐地铁啊。—垂直磨耗。我们这些搞轨的人一般简称为钢轨垂磨或者顶面磨耗。垂直磨耗就是钢轨垂直方向的磨耗，就是钢轨顶面被磨掉了的意思。看图：没找到图，后补吧，蛤蛤侧面磨耗和垂直磨耗的叠加称为钢轨的总磨耗，有一个计算公式：总磨耗=垂直磨耗+侧面磨耗*0.5—波浪形磨耗。简称波磨，是指钢轨顶面（部分位置可能在顶面和侧面的交接位置，我们称为轨距角）出现的有规律的不均匀的波浪形磨耗，一般分为长波波磨和短波波磨。看图：下面我们谈一谈各类型磨耗的成因。—侧面磨耗。侧面磨耗的产生和发展主要要曲线半径、超高设置等几个因素有关，下面咱们一个一个来解释。——曲线半径。侧磨几乎都只在曲线上特别是小半径曲线上出现，直线上的侧磨几乎可以忽略。车辆是在钢轨上运行的，钢轨的主要作用是承重和导向，在曲线上导向作用更加明显，车轮轮缘会紧贴着轨道曲线外轨（专业术语叫上股）运动，形成车轮和钢轨的两点接触，加剧对钢轨的磨耗。说白一点，就是车轮通过曲线时，轮子和钢轨紧贴在一起，在互相“啃”，钢轨有磨耗、车轮也有磨耗，看看图大家就明白了。另外，车辆在钢轨上运行的时候不是严格意义上的直线或者曲线运动，而是一种蛇形运动。蛇形运动是由于两根钢轨之间的距离（轨距）大于两轮缘间的距离造成的，在一定的幅度之内是有益的，太大了就有害了，这个问题复杂，不展开说。蛇形运动会导致车轮和钢轨接触是有一定的冲击角，在曲线上，这个冲击角也是侧磨的原因之一，曲线半径越小，冲击角越大，这也是前面说的车轮、钢轨互相“啃”的体现。——曲线的不圆顺。对于曲线钢轨来说，圆顺是最重要的，圆顺就代表着车轮能够更加顺利的通过曲线，反之，不圆顺就会出现更多的不顺利、更大的磨耗。这点非常易于理解，咱们用图来说明：这个是圆顺的曲线，那么不圆顺的……，大家自己想吧，我是不会把我不圆顺的图拿出来的。蛤蛤——车速和曲线超高的不匹配。列车在曲线上运行时，产生向外的离心力，以F表示：由公式可知，离心力的大小决定于列车运行的速度和曲线半径。速度越高半径越小离心力越大。离心力使曲线外轨受到很大的挤压力，不仅加速外轨的磨耗，严重时会造成机车车辆脱轨或倾覆。为了平衡离心力，应在曲线外轨上设置超高，借助车辆重力的水平分力来抵消离心力，以达到曲线里外两股钢轨所受的垂直压力大致相等，钢轨磨耗均匀，增加旅客的舒适度。超高的计算公式：从公式可以看出，一个超高值对应着一个唯一的速度值。曲线一旦建成，超高值也就确定了，但是每列通过这个曲线的车的速度不可能完全等于超高对应的速度值，当偏离比较大的时候，对一侧钢轨的冲击就会变大。而这个偏离，是不可消除了，很多时候还很大。——轨距变化的控制不好。在跌路运营过程中，钢轨轨距是会产生变化的，这个变化一个是来源于车轮的冲击，还有一个就是来源于钢轨的侧磨（都磨掉了能不变化么）。轨距变大了，第一个影响的就是前面我们说的冲击角，还有就是会影响曲线的圆顺，这两个因素都是侧磨的成因，所以轨距变化的控制也是一个重要的影响因素。——车辆转向架的因素。这个一句话说不清楚，简言之就是轴距（同一个转向架上两根车轴的距离）越大、车轮啃钢轨越厉害、磨耗也就越厉害。一图抵千言：所以，钢轨的侧磨几乎都是在曲线的外轨（上股）出现，曲线半径越小、曲线不圆顺、轨距越控制不好、车速偏离越大、转向架轴距越大，侧磨就会越大。—垂直磨耗。垂直磨耗的产生原因是相对明确的，主要是轨道的通过总重过大造成，也有一些特殊的原因。——通过总重过大。钢轨投入运营之后上面就不停的有列车的碾压，通过列车的总重量之和叫做通过总重。车辆经过时是对钢轨顶面有机械加工作用的，这个作用一个是向下的碾压、一个是纵向的磨损，两个作用的加和造成了垂直磨耗。当通过总重达到一定限度的时候，碾压作用开始显现，特征就是钢轨顶面被压平、磨损。通过总重大的线路无外乎两个特点，一个是车少但是车重，另一个是车多但是车轻。现在看来，重载列车的破坏作用更大，打个比方来说，我能顶住我老婆的100拳，但是泰森一拳就弄死我了。这也是我们看到运煤、运钢专用线的列车虽然不多但是垂直磨耗很大，地铁三五分钟就一列车但是垂直磨耗很小的原因。用比较专业的说法是，在重载作用下，刚才更容易达到屈服强度，在达到屈服强度后钢材的塑性变形占主要地位，造成了垂直磨耗的显著增加。——特殊地段的小半径曲线内轨（下股）。前面我们说过，小半径曲线是设置超高的，但是如果设置了超过的曲线上频繁的停车或者车速很低，整个车的重量就会都压在下股上，那样下股的磨耗就会显著的增加。为啥？因为设置超高不是为了停车的而是为了通过的，也就是说列车经过时处于平衡状态，停车时就处于不平衡状态（这里指的是水平力），这个不平衡的力就会施加在钢轨上。那为啥不取消超高，让它平衡？一般这种曲线是有的车会停，有的车不停直接通过的。取消了超高，会对通过的车的安全造成影响，一个是加大磨耗，一个事关安全，只能两害相权取其轻了。真有这样的线路？我们这就有一个，半径100米（这是一个小到不能再小的半径了），超高125mm，我会乱说？想看图片？这是公司机密，想都不要想了。—波浪形磨耗。波磨在轨道专业里是一个世界性难题，不光是说难以消除，而且是产生的具体原因也是众说纷纭，现在比较成熟的有两个，一个我称之为“蠕滑说”，一个我称之为“振动说”。下面咱们一个一个来看：——蠕滑说。这个说法是建立在曲线特别是小半径曲线上（曲线表示很受伤，为啥磨耗总要找上我），意思是指列车同一个轴的两个轮子位置是相对固定的，在通过曲线时会造成两个轮子实际经过的路径长度不同，但是两个轮子是连在一个轴上的，转动圈数又是相同的。这样就会产生一个矛盾，从实际路径上来说长度不同，从转数来说长度又相同（轮子的直径是一样的），那不是见了鬼？为了协调这一矛盾，人们认为在通过曲线时车轮会进入一种“蠕滑状态”，是介于滑动和滚动之间的状态，属于弹性滑动。这个理论的计算过程非常复杂，我也搞不懂，就不细说，结论就是正是“蠕滑状态”导致了波磨的出现。——振动说。但是波磨不仅仅在曲线上出现，在直线上也有，这是蠕滑说解释不了的。人们同时又发现直线上的波磨大都出现在减震扣件地段。（这里体外说一下减震扣件，主要使用在地铁上，地铁由于建造在城市中，震动和噪音成了公害了，所以很多地方使用了减震扣件，原理是降低扣件的刚度（就是对钢轨的竖向约束变小，使得钢轨可能更大幅度的上下震动），去的了一定效果）。简单的说，振动说的核心就是认为由于轨下刚度的降低使得钢轨振幅加大，使得钢轨和车轮之间的接触力有了周期性的变化，进而产生了波磨。同时，车辆运行速度若和轨枕间距造成某方面的契合行车谐振，也会产生波磨。这两个因素里，刚度是主要的。下面咱们看一个表吧：上面两种不同的说法构成了现在波磨产生理论的主题，蠕滑说解决了曲线波磨成因问题，振动说解决了减震扣件地段波磨的成因问题。同时，蠕滑说里的波磨主要是长波波磨，振动说里的波磨主要是短波波磨。长波和短波的划分没有一定的标准，特别是在国家铁路和地铁中更是如此，总体来说，大铁路的波磨以长波为主，地铁由于减震扣件多，波磨以短波为主。下面咱们再来说一说磨耗的控制和管理，还是一样一样来。—侧面磨耗。——磨耗的测量。这等于是废话，但是我觉得还是要仔细说一说的。磨耗不能光靠眼睛看，要测量来掌握准确的数字，测量主要有两个目的，一个是知道当前的磨耗数值，另一个是磨耗发展的速率。我个人觉得后者更重要，速率可以作为以后预测磨耗发展的依据。因为侧磨是不可消除的，达到一定数值就要换轨，这个预测就是给换轨在做准备的。上面这个图，单个点是在某个时刻的磨耗数值，曲线的斜率是磨耗发展速率。另一个问题是磨耗的测量手段，有这样测的也有这样测的怎么来，看钱袋子了，精度都可以保证。——整正曲线。这个也不用多说，曲线不圆顺会造成磨耗增加，整正就是把它整顺了。——合理设置超高/车速。超高是早已经设置好的，剩下的就是要求每列车经过时的速度一样，这个在地铁比较容易实现，现在地铁都是ATO（列车自动驾驶）模式运行，在信号系统设置就是了，但是不匹配的情况还是很多。——轮轨间润滑。润滑是目前已知的最有效的减缓磨耗的方法，原理是在车轮和钢轨之间形成一层油膜，减少机械接触，降低磨耗。涂油有车载的（设备安装在车辆上，向车轮喷油）、有轨旁的（设备安装在轨旁，向钢轨涂油）、有人工的（人工给钢轨涂油，基本已经不使用）。车载的图片找不到了，看看轨旁的吧。——钢轨更换。钢轨磨耗达到限度了，那就只有换了，这个我的其他回答里有比较详细的说明，这里就不细说了，不然展开又是长篇大论。——采用耐磨钢轨。要是某些地方需要频繁换轨，那我就建议换轨的时候直接采用全长热处理耐磨钢轨，原理就是把普通钢轨进行淬火处理，使其表面硬度增加，进而增加耐磨性。我可以负责任的说，效果真的很好，谁用谁知道。两个红圈，一个是非耐磨轨，一个是耐磨轨，两根钢轨在同一个曲线上相邻位置，磨耗发展差异极大。图片有点模糊，凑活看看吧。—垂直磨耗。——磨耗测量。这个和前面说的一样，不多讲。测量方式也是一样的。——打磨肥边。垂直磨耗一个重要的特点就是会产生肥边，就是钢轨顶部被压溃之后向两边延伸，超过了钢轨侧面的位置，你就想想一下被拍扁了那感觉。肥边出现后，不及时打磨会带来很多的问题，会对车辆运行的平稳性带来影响，必须打磨掉。——合理的设置停车位置/车速。尽量不要安排在设置有超高的曲线上停车，特别是这个曲线还在大坡道上的时候，会在下股产生很严重的垂直磨耗，说多了都是眼泪……——钢轨更换。这个也不多讲，和前面的一样。——采用耐磨轨。谁用谁知道。—波浪形磨耗。——磨耗测量。首先肯定也是测量啊，波磨的测量方式很多，只要能够测量那个波谷的深度就可以，方法真是多种多样、多姿多彩，几百块到几十万的设备都有，我就不推销了。——设置合适的轨下刚度。这点在地铁里真是非常重要的，现在是没有减震扣件的位置基本没有啥波磨，设置了减震的地段那是肯定有波磨，所以，从一个搞轨的人角度出发，刚度那是大点好。——设置合适的车速，避免共振/谐振。车的速度不合适，可能会和车辆出现谐振，那酸爽……所以发现某些地方波磨发展速度加快、轨道扣件破坏明显增多、车上也开始断东西的时候，调整速度试试。——选择合适的转向架。采用柔性转向架或者径向转向架能够显著的降低曲线波磨，同时也能降低侧磨。开通接近10年的线路，半径300米的小半径曲线，侧磨不到4mm我会乱讲？上两个转向架的图，没有找到两轴的，先看看三轴车的吧。——钢轨打磨。波磨不同于侧面磨耗和垂直磨耗，它是可以消除的，而且消除的越早危害就越小，消除的办法就是钢轨打磨。由于波磨深度一般都比较小，0.2—0.4mm的时候打磨是合适的，这样对钢轨也不会有太大的伤害。看看酷炫的打磨车吧。最后，我们来说一下钢轨何时更换的问题。可能各地方的要求不一样，我们这里是要求钢轨在磨耗达到重伤之前必须更换，至于何时换，还是接近重伤的时候吧，这样省钱啊。