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钢轨是铁路轨道的主要组成部件。它的功用在于引导机车车辆的车轮前进,承受车轮的巨大压力,并传递到轨枕上。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力小的滚动表面。在电气化铁道或自动闭塞区段,钢轨还可兼做轨道电路之用。钢轨分类国内我国钢轨以每米大致重量的公斤数,可分为起重机轨(吊车轨)、重轨与轻轨三种:①起重机轨分为 QU120,QU100,QU80,QU70四种,材质一般为锰钢,单重大的是QU120可达118kg/m。②重轨。按所用钢材钢种分为:普通含锰钢轨、含铜普碳钢钢轨、高硅含铜钢钢轨、铜轨、锰轨、硅轨等。主要有38、43、50kg 三种。此外还有用于少数线路上的45kg轨,已计划在运量大和车速高的线路上用的60kg轨。GB2585— 81规定了我国38~50kg/m钢轨的技术条件,其尺寸和代号等如表6—7—10所示。2007年我国颁布了新标准 GB 2585-2007,除38~50kg/m外,新增加了60kg/m的重轨和75kg/m的重机轨。
钢轨按中国和冶金工业部标准分为铁路用钢轨、轻轨、导电钢轨和起重机钢轨等。
(1)铁路用钢轨
在碳素钢轨基础上发展了低合金钢轨。高碳低合金钢轨比碳素钢轨强度高,性、耐压性、抗脆断性和抗疲劳断裂性好。铁路用钢轨品种用38、43、50、60、75kg/m等。在钢轨生产过程中应特别注意防止白点的产生。
(2)轻轨
主要用于矿业和林业,其品种有5、8、11、15、18、24kg/m。轻轨主要由碳素钢制造,少部分使用低合金钢制造。在矿山、井下以及林区等处用的轻轨要求耐腐蚀,为此钢中加入适量的铜、铬、磷、钒等合金元素。
(3)导电轨
用于地下铁路导电的钢轨,要求有良好的导电性,即15℃ 时电阻率小于0.125μΩ.m.它采用低碳铝钢制造。
(4)起重机钢轨
用于各种起重机导轨用的特种截面钢轨,其化学成分和制造工艺与铁路用钢轨相同。品种有QU70、QU80、QUl00、QUl20等。
钢轨中不同种类的夹杂物对钢轨破损程度的影响不同:
①氧化铝
在各类夹杂物中,链状氧化铝无疑为有害。大量检验分析结果表明,链状氧化铝夹杂是形成条状疲劳裂纹源进而导致核伤的主要原因,因而国外钢轨标准对氧化铝夹杂物数量有严格要求。
②硅酸盐
硅酸盐的危害性也较大,除诱发核伤外,还是造成钢轨局部深层剥离的主要原因,国外钢轨标准对硅酸盐数量也有限制。
③硫化物
相比之下,钢轨疲劳损伤对硫化物的敏感程度不及上述两类氧化物。因此,就提高钢轨疲劳性能而言,改善氧化物夹杂的纯净度比改善硫化物的纯净度为有效。
④低倍夹杂和白点等低倍缺陷
钢轨中的低倍夹杂、白点等低倍缺陷,是形成内部横向疲劳裂纹的主要原因,严重危及行车安全,须严格加以限制。
(3)夹杂物尺寸或数量的影响
关于夹杂物导致内疲劳缺陷的临界尺寸,目前还无定论,但普遍认为,随着轴重提高或速度提高(即动载荷),引起钢轨疲劳损伤的夹杂物临界尺寸将减小。
结合现代钢轨生产技术和高速铁路发展制订的EN 钢轨标准中,对氧化物夹杂提出了严格要求,规定钢中氧化铝夹杂物里小于10 μm 的为95 %以上,而大于10 μm 小于20 μm 的不得过5 %。
预防波磨的关键,一是消除曲线地段轮对的粘滑振动;二是消除由粘滑振动引起的钢轨不均匀磨损的累加效应。
为了减缓波磨,常采用如下措施:
①减小轨道不平顺。减小轨道不平顺对减缓波磨及其他轮轨病害均十分有利。减小轨道不平顺可减少粘滑振动的发生的概率及钢轨不均匀磨损的累加效应,从而有效地控制波磨发展速率。减小轨道不平顺主要是指减少诸如钢轨接头、轨面剥离、擦伤及钢轨死弯等脉冲不平顺。脉冲不平顺导致轮轨冲击,引对粘滑振动,是对波磨形成和发展影响的轨道不平顺。计算表明,在完全平顺的轨道上,货车在半径600 m 以上的曲线地段几乎不会发生轮对粘滑振动,但因接头不平顺的作用,在半径2 000 m 的曲线上也可能发生轮对粘滑振动。多数波磨从接头附近始发的现象说明了这一点。
②加大轨道弹性、提高轨道阻尼。轨道增弹减振对减少轮轨其他病害也是有利的。增加轨道弹性可有效地减小轮对粘滑振动发生的概率;而提高轨道阻尼则可明显降低波磨的发展速率。
③适当降低曲线地段外轨高。过高加大轮对粘滑振动,而欠高抑制甚至消除轮对粘滑振动。车速较低且轴重较大的货车对波磨形成和发展的影响。因此,在主要运行货车的线路上,外轨且主要出现磨损型波磨的曲线地段铺设淬火轨,可采用尽量降低外轨高的办法减缓波磨。
④钢轨倒换。轮对在曲线上可能发生粘滑振动从而形成波磨,但在直线上,发生粘滑振动的概率却很小,说明直线地段波磨形成和发展的条件不充分。如将曲线地段的波磨轨倒换至直线上,因粘滑振动消失,磨耗功显著降低,波磨的发展将得到明显抑制。
⑤钢轨打磨。钢轨打磨是减缓波磨措施之一。波磨一旦出现,又反过来激化和加剧轮对粘滑振动,促进波磨进一步发展,波深越大则波磨发展越快,构成恶性循环。钢轨打磨中断了这种恶性循环的发展过程,减缓了波磨发展速率。
⑥提高钢轨材质强度及性能。提高钢轨性能,是主要的减缓措施之一。轮对粘滑振动是波磨的成因,但波磨的形成和发展却表现为钢轨不均匀磨损或不均匀塑性变形的逐步累积。能够减缓轨头磨损和塑性变形的措施就能减缓波磨,钢轨性能的提高,无疑会延缓波磨的形成与发展过程。
⑦轮对轴的刚度。轮对轴的刚度偏小是易于激对粘滑振动的因素之一,如采用空心车轴,并增加轴径,使轴刚度提高1 倍,可有效地抑制钢轨波磨。
⑧一系悬挂阻尼。设置一系悬挂的机车和客车,一系无阻尼或阻尼偏小是激对粘滑振动的主要因素。因此,增设或加大一系阻尼是有效减缓波磨的措施之一。也是迅速衰减轮轨冲击振动,减缓轮轨系统中其他病害的重要技术措施。
⑨控制涂油润滑。以减缓曲线外轨侧磨为目的的轮缘或轨侧涂油润滑,对减缓波磨是不利的。同时,过量涂油对减缓钢轨剥离也不利。因此,涂油润滑绝不是越勤越好。但目前对合理的涂油工工艺还缺乏深入系统的研究。
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