大秦重载列车通道钢轨使用寿命问题研究

买验研冤・　大秦重载列车通道钢轨使用寿命问题研究　李淑婧（大秦铁路股份有限公司茶坞工务段，北京怀柔１０１４０２）　摘　要：大秦重载铁路运量增加及速度的提高、钢轨焊接工艺不良、线路维修周期得不到满足等都是造成钢轨使用寿命降低的主要原因。　通过对伤损钢轨原因进行分析，采用高强度钢轨、对钢轨进行科学的打磨、采用加铺弹性垫层提高轨道板弹性、加强轨道结构强度、对轮　轨进行润滑、固化道床等方法，并提出加强管理、提高设备维修养护质量、及故障应急处理能力来延长钢轨使用寿命的措施和建议。　关键词：大秦线；重载铁路；钢轨；寿命；问题研究　何为重载铁路？专供行驶重载货物列车路。国际重载协　钢轨的屈服强度，导致轨面剥离、掉块，加剧轨头磨耗和压溃　会１９９４年修改的定义规定，需满足下列三条标准中的至少两　等表面伤损的形成，在车轮的重复作用下，迅速发展为轨头横　条：（１）经常、定期开行或准备开行总重至少为５０００吨的单元列　向疲劳裂纹和横向断裂。其次钢轨内部存在的各类较小缺陷，　车或组合列车：（２）在长度至少为１５００千米的线路区段上年计费　在重载状态下，由于应力传递不均匀，形成应力集中，加速伤损　货运量至少达２０００万吨：（３）经常、正常开行或准备开行轴重２５　吨以上（含２５吨）的列车。而大秦铁路为我国第一条重载铁路。　２００７年ｌ２月２７日，采用世界先进重载技术装备的现代化运输大　通道一一大秦铁路，成功实现煤炭运量４．４亿吨后，更成功依靠　自主创新，各大系统奋力功关，踏上了更高一层的里程碑，创下　了铁路重载运营密度、运输效率、干线年运量等多项世界之最。　然而在这庞大运量的之最的背后，钢轨重伤也随之成为一大关　键问题。　１大秦重载铁路现状　大秦铁路是我国第一条单元电气化的现代化运煤专线，全　长６５３ｋｍ，２００３年大秦线首次开行万吨列车，２００８年大秦线年　运量达到３．５亿吨，２０１１年底大秦线年运量完成了４．４亿吨。大秦　重车线为７５ｋｇ／ｍ钢轨跨区间无缝线路，轻车线为６０ｋｇ／ｍ钢轨标　轨线路：北同蒲线上下行为６０ｋｇ／ｍ钢轨无缝线路。年设计运量　为ｌ亿吨的大秦铁路，不仅早就突破设计运量，而且大大突破了　世界重载铁路的理论极限，随着运量的迅猛增长，列车密度不　断加大，列车牵引重量大幅提高，运量、轴重、密度的增加，造　成钢轨伤损日趋严重，甚至造成断裂，伤损发展速度的加快，　给行车安全带来严重隐患。　２影响重载钢轨寿命的原因及状态分析　钢轨寿命主要与运量、线路条件、钢轨材质、钢轨伤损和　养护维修有关。而大秦线近几年来的钢轨伤损主要是由于运量　的增加和道床的板结造成的。　２．１重载大运量　重载大运量加速了钢轨伤损的形成和发展，继而缩短了钢　轨使用寿命。由于运量和轴重的增加，引发重伤钢轨大幅度上　升。一是运量增加。２０１０年日均１１７万吨，２０１１年日均１２３万吨，　￣］２０１２年日均达１２７万吨，由于运量的急剧增加，轨面接触疲劳　发展迅速，一般规律是：先产生鱼鳞裂纹，然后剥离、掉块。大　秦直线地段也表现十分明显，鱼鳞损伤增加了钢轨伤损的发展　源，也严重影响了钢轨的探伤，增大了断轨的几率。总体上看，　疲劳性伤损随运量的增加成跳跃增长，钢轨核伤大量增加，鱼　鳞伤损更是覆盖大秦重车线。二是轴重增加。目前开行的Ｃ８０车　辆的轴重都是２５ｔ，对钢轨的冲击力加大，车轮接触压应力超过　作者简介：李淑婧（１９８２．１２－），女，汉族，山西省大同人，学士，　助理工程师，研究方向：铁道工程。　发展，致使内力迅速小于外力，造成钢轨断裂。　２．２钢轨焊接工艺不良直接导致焊缝拉开　从部分焊缝拉开的情况来看，断面存在光斑、过烧和未焊　透等焊接缺陷，特别是７５ｋｇ／ｍ钢轨，轨头面积大，轨头中心或　轨头三角区部位往往存在未焊透缺陷。这些缺陷部位是一个应　力集中区，其承载力远小于其他部位，在重载大运量的重复载　荷作用下，缺陷迅速发展，直至断裂。产生这些缺陷的主要原　因：一是钢轨材质的可焊性差，二是焊接工艺还存在问题：三是　焊接条件有时不能满足实际需要。　２．３线路道床板结　线路道床板结的长大坡道地段是钢轨伤损的多发区。大秦　线为石灰岩道床。石灰岩道床存在如下缺陷。一是石灰岩道碴　硬度小，易风化粉碎，粉碎后极易与水融合，在列车的作用下形　成泥浆。二是机车牵引重量大，频繁喷砂，以及煤粉散落及风　沙的自然条件，使线路板结非常严重。三是大秦线大部分隧道　底碴不足，最低的只有ｌＯＯｍｍ，底碴不足使道床失去弹性。由于　道床板结，翻浆严重，造成线路空吊、轨枕压断、联接零件损　坏等问题十分严重，尤其是雨中、雨后，加大了列车对钢轨的冲　击，钢轨的附加力大大增加，加剧了钢轨掉块、剥离的形成。加　上风沙和煤的污染，造成道床板结、翻浆冒泥严重，加大了列车　对钢轨的附加力，加剧了钢轨病害的发展。其次，钢轨病害在列　车载荷作用下，加速了道床的恶化，两者互为影响。因此，钢轨　伤损大多发生在道床板结、翻浆冒泥地段以及长大坡道地段。　２．４钢轨材质不良　钢轨材质不良、韧性差导致钢轨脆断。大秦线稀土轨地段，　钢轨伤损主要表现为轨面中央有明显的划痕（压痕），这说明钢　轨制造整体成型不好：其次是断面尺寸误差较大，翘曲变形较　严重，造成焊接时对轨困难，严重影响焊接质量。　２．５设备病害得不到及时整修　设备病害得不到及时有效整修加速了钢轨的疲劳。从调查　的结果看，线路设备存在的问题与维修养护有直接关系，从主　观上看有安排不及时，病害整修不彻底的现象，但从客观上存　在以下几个方面的原因。一是作业能力和作业手段与运量存在　极大差距。目前设备修理主要依靠手工作业方法维持，不能满　足重载运输设备质量需求。二是作业时间与运输的矛盾十分突　出。随着列车密度的增加，由于频繁的下道避车，利用列车间隔　时间作业很少。　（下转第１５５页）　口圜目豳１４７　买＿啦　冤・　ｓｉｚｅｔ　ｒｅｔｖａｌ＝０：　ｉｎｔｌ　ｃｏｍｅ＝０：　ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ（ｉｎｔｌｃｏｍｅｑｃｏｍｅ＝＝１）：　∥等待数据准备好外部中断　ｗａｉｔｅｖｅｎｔ，ｉｎｔｌｕｐ＿＿ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ（＆ｉｎｔ４ｃｏｍｅｑ）：∥外部中断到来　则唤醒阻塞的进程－－－ｒｅａｄ　ｅｎａｂｌｅ　ｉｒｑ（ＩＲＱ　ＥＩＮＴ４）：　ｗａｋｅ　ｒｅｔｕｒｎ　ＩＲＱＨＡＮＤＬＥＤ；　ｄｍａｆｉｎｉｓｈ＝０：—……．．／／省略ＤＭＡ控制器相关寄存器初始化　ｄｍａ—ｒｅｇｓ－）ｄｍａｓｋｔｒｉｇ＝（１　１）【（１）：∥启动ＤＭＡ传输　ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ（ｄｍａｗａｉｔｑ　，ｄｍａｆｉｎｉｓｈ＝＝１）；／／等待ＤＭＡ４￣输结束　）　ｉｆ（ｃｏｐｙ　ｔｏ　ｕｓｅｒ（ｂｕｆ，ｐ，ｃｏｕｎｔ））／／复制到用户空　间　６测试结果及结论　∥省略掉部分无关紧要的代码　样机参数：ＣＣＤ器件采用３２０＊２４０面阵的ＵＬＳ探测器，ＦＰＧＡ　｝　采用Ｘｉｎｌ　ｉｘ的ｓｐａｒｔａｎ３Ａ，，￥３Ｃ２４４０Ａ处理器，主频２００ＭＨｚ，　／／／／ＤＭＡ传输完成中断响应函数　ｗａｉｔｅｖｅｎｔ／／／用户空间的读取函数　Ｗｈｉｌｅ（１）　｛　ｒｅａｄ（ｆｄｆｐｇａ，（ｃｈａｒ术）ｂｕｆ，ｎＴｏＲｅａｄ）：／／ｒｅａｄ　……ｓｔａｔｉｃ　ｉｒｑｒｅｔｕｒｎｔ　ｄｍａｆｉｎｉｓｈ　操作系统为ａｒｍｌｉｎｕｘ，内核版本　２．６．３０，交叉工具链为ａｒｍ—ｌ　ｉｎｕｘ—ｇｃｃ　３．４．１。数据采集后保存为ＢＭＰ文件，通　ｖｏｉｄ＊ｄｅｖｉｄ）　１：　｛　ｄｍａｆｉｎｉｓｈ　ｕｐ—ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ（＆ｄｍａｗａｉｔｑ）；／ＤＭＡ传输完成则　过样机验证，能准确实时传输图像数　唤醒阻塞的进程一ｒｅａｄ　据，未出现错位及错帧现象，说明该　ＣｌｅａｒＰｅｎｄｉｎｇ（ＤＭＡ３ＢＩＴ）：　同步传输方法是有效且可靠的。效果　图３传输显示效果　　ｒｅｔｕｒｎ　ＩＲＱＨＡＮＤＬＥＤ；ｗａｋｅ）　／／／数据准备好中断处理函数　ｓｔａｔｉｃ　ｉｒｑｒｅｔｕｒｎｔ　ｉｒｑｉｎｔ４如图４所示。　ｈａｎｄｌｅｒ（ｉｎｔ　ｉｒｑ，ｖｏｉｄ　［参考文献］　［１］（美）科波特．ＬＩＮＵＸ设备驱动程序［Ｍ］．第三版．中国电力出版社，２００６．　［２］三星公司．￥３Ｃ２４４０Ａ数据手册［Ｍ］．第一版．韩国：三星公司，２００４：８．１　８．１４．　＊ｄｅｖ　ｉｄ）　｛　ｄｉｓａｂｌｅｉｒｑｎｏｓｙｎｃ（ＩＲＱＥＩＮＴ４）：　＊ｒＥＩＮＴＰＮＤ＝１　４：　Ｃ１ｅａｒＰｅｎｄｉｎｇ（ＥＩＮＴ４ＢＩＴ）：　［３］宋字．基于ＵＳＢ的ＤＭＡ方式实现ＣＣＤ高速数据采集［Ｊ］．光电子＿激光　２００４，（１０）：３７－４０．　［４］王俊．基于ＤＭＡ的并行数字信号高速采集系统［Ｊ］．电子技术应用　２０１０．（３）：４２—４４．　ｉｎｔ４　ｃｏｍｅ　】：　（上接第１４７页）　３提高重载铁路钢轨使用寿命措施　加强轨道结构强度的主要目的就是减少轨道变形和减轻　根据大秦线近几年的运输现状，采用高强度钢轨、对钢轨　轨道各部件所承受的应力，增强线路的稳定性，从而减少钢轨　　进行科学的打磨、加铺弹性垫层提高轨道板弹性、加强轨道结　磨损。５对轮轨进行润滑　构强度、对轮轨进行润滑、固化道床等方法来延长重载钢轨的　３．使用寿命。　３．６固化道床　３．１采用高强度钢轨　通过研究钢轨的伤损特点，认为提高钢轨的抗疲劳性能、　４针对大秦重载铁路钢轨延长寿命建议　（１）采用新型钢轨，提高钢轨材质性能，包括钢轨纯净度、　耐磨性能和焊接接头的使用性能可增加钢轨的使用寿命。试　表面质量、平直度等；（２）建立重载线路设备修理标准。加强线　验表明合金元素ｃｒ的加入，提高了钢轨的强度和钢轨的淬火性　路中修，改善轨道弹性。线路中修是介于大修和维修之间，恢　能，使钢轨更易进行热处理，这一特性不仅保证了热处理的钢　复轨道弹性的一个重要修程，对保持轨道几何状态稳定、提高　轨硬度高，而且提高了接头焊接后自硬化能力，使焊接接头的　线路质量有着十分重要的作用。也可借鉴外国经验，重载线路　硬度易与母材硬度相匹配，可有效抑制轨面剥离掉块的产生和　按提速线路进行管理（３）研究重载轨道合理的线路养护维修技　发展，提高钢轨的使用寿命。　术，以适应重载运输的需求（４）提高钢轨伤损探测质量，加强钢　轨伤损状态跟踪，确保行车安全（５）进行重载线路钢轨的疲劳　３。２对钢轨进行科学的打磨　磨，达到延长使用寿命的效果。　针对大秦线钢轨表面伤损发展的特点，通过合理的科学打　试验，特别要使焊缝得到有效的修理和控制。　［参考文献］　［１］郝世亮．《大秦万吨列车通道钢轨伤损发展分析及对策》．中国铁路　２００４年．　３．３加铺弹性垫层提高轨道板弹性　热塑性弹性材料在力学性能及刚度变化方面具有明显的　铁路钢轨损伤机理研究［Ｊ］．中国机械工程，　优势，其垫板刚度、硬度、拉伸强度、扯断伸长率变化很小，可　［２］刘启跃，张波，周仲荣．　以改善钢轨的受力状态，大幅度提高垫板的使用寿命，从而延　２００２，１３（１８）：１５９６—１５９９．长大修周期，对提高钢轨的使用寿命具有积极的意义。　［３］中华人民共和国铁道部．铁运［２００６］１４６号铁路线路修理规则＿Ｓ］．北京：　３．４加强轨道结构强度　中国铁道出版社，２０１１．