钢轨的应用

为了便于钢轨损伤的统计和分析，有必要对钢轨损伤进行分类。根据钢轨断面上损伤的位置、外观和原因，将损伤分为九大类32种损伤，以两位数进行分类，十位数表示损伤的位置和状态，个位数表示损伤的原因。钢轨伤损分类的具体内容详见《铁路工程技术手册(轨道)》。

钢轨断裂是指有下列情况之一:钢轨全断面断裂成至少两部分；裂纹已经穿透整个轨头部分或轨底部分；在轨道的顶面，有一个长度超过50毫米、深度超过10毫米的坠块..断轨直接威胁行车安全，应及时更换。钢轨裂纹是指部分钢轨材料分离，形成除钢轨断裂以外的裂纹。

钢轨损伤的种类很多，如磨耗、剥落、轨头核损、轨腰螺栓孔裂纹等。以下描述了几种常见的铁轨损伤。钢轨磨耗主要是指钢轨在小半径曲线上的侧磨和波动磨耗。至于垂向磨耗，一般是正常的，随着轴重和通过总重的增加而增加。轨道几何设置不当会加速垂直磨耗率，这是要防止的，可以通过调整轨道几何来解决。

(1)侧面磨损

侧磨发生在小半径曲线外轨上，是目前曲线上的主要损坏形式之一。列车在曲线上运行时，轮轨的摩擦滑动是外轨侧磨的根本原因。当列车通过半径较小的曲线时，一般会有两个点的轮轨接触，此时的侧磨耗最大。侧磨的大小可以用导向力和冲击角的乘积来表示，即磨损系数。改善列车通过曲线的条件，如使用磨耗的车轮踏面和径向转向架，将降低侧磨耗率。

从公共工程的角度来看，应改进钢轨材料，采用耐磨钢轨。比如高硬度稀土轨的耐磨性是普通轨的2倍左右，淬火轨是1倍以上。

加强养护，设置合适的轨距、外轨超高和轨斜，增加线路的柔性，轨侧涂油，可以减少侧磨的影响。

(2)波状磨损

波浪形磨耗是指钢轨顶面不均匀的波浪形磨耗，本质上是波浪形碾压。波磨会引起高轮轨动力作用，加速机车车辆和轨道部件的损坏，增加维修费用；此外，列车的剧烈振动会使乘客感到不适，严重时甚至威胁行车安全；波磨也是噪音的来源。在我国的一些货运干线上，已经出现了严重的波浪磨耗。其发展速度比侧磨快，这是换轨的主要原因。

波磨可分为短波(或波纹)和长波(或波浪)。波纹为周期性不规则，波长约为50~100mm，振幅为0.1 ~ 0.4mm；长波是波长大于100毫米小于3000毫米，振幅小于2毫米的周期性不规则波..

波浪磨耗主要发生在重载运输线上，尤其是煤炭、矿石运输线上，在高速、高客运量的运输线上也有不同程度的发生，在城市地铁上也很常见。在列车速度高的铁路上，主要发生波纹状磨耗，且主要出现在直线和制动段。波浪磨耗主要发生在低速重载运输线上，一般发生在曲线路段。影响钢轨波磨发生和发展的因素很多，涉及钢轨材料、线路和机车车辆条件。世界各国都在致力于钢轨波磨成因的理论研究。关于波磨的理论有几十种，大致可以分为两大类:动力成因论和非动力成因论。一般来说，动力作用是钢轨波磨的外因，钢轨材料性能是钢轨波磨的内因。事实上，只分析一个方面，要概括钢轨波磨的所有原因是相当困难的，但必须把车辆和轨道作为一个系统，研究各种振动的形成，作为一个整体进行多方面、多学科的研究，才能把握钢轨波磨原因的全貌。

打磨钢轨是目前消除波浪磨耗最有效的措施。此外，还有一些减缓波磨发展的措施:通过连续焊接消除钢轨接头，提高轨道平顺性；提高钢轨材料的强度和耐磨性，改善热处理工艺质量，消除钢轨残余应力；改善轨道质量，提高轨道弹性，使纵向和横向弹性连续均匀；保持曲线方向平顺，超高设置合理，工作时外轨涂油；轮轨系统要有足够的阻力等。

(3)钢轨磨损的容许极限

轨头的允许磨损极限主要由强度和结构条件决定。即当钢轨磨耗达到允许极限时，一是能保证钢轨有足够的强度和抗弯刚度；第二，要保证在最不利的情况下，轮缘不与关节夹板发生碰撞。根据轨头磨损程度的不同，铁路线路维修规则可分为轻伤和重伤两类。波磨轨谷深超过0.5mm时，为轻伤轨。接触疲劳损伤的形成大致可以分为三个阶段:第一个阶段是钢轨踏面形状的变化，如钢轨踏面的不平顺和焊缝处的鞍形磨耗，会增加车轮对钢轨的冲击；第二阶段是轨头表面金属的破坏。由于轨头踏面上金属的冷加工硬化，轨头工作面的硬度不断增加。总质量为150~200Mt时，硬度可达HB360。从那以后，硬化层没有改变。对于碳轨，当总质量为200~250Mt时，轨头表面形成微裂纹。对于弹性不等的线路，当车轮和钢轨明显不规则时，钢轨顶面的拉压力几乎相等。如果有微线，弯曲应力和残余应力相同，钢轨的强度会大大降低。第三阶段是轨头接触疲劳的形成。由于金属接触疲劳强度不足和重载车轮的反复作用，当最大剪应力超过剪切屈服极限时，该点将成为塑性区，车轮每次都不可避免地从金属微观结构中滑脱。运行一段时间后，这种滑移会累积和聚集，最终导致疲劳裂纹的形成。随着轴重的增加，大运量运输条件、钢轨材料和钢轨类型的不适应性，接触疲劳裂纹的萌生和发展将会加快。

轨头工作边缘圆角附近的剥离主要由以下三个原因引起:夹杂物引起的纵向疲劳裂纹或接触剪应力导致剥离；导向轮在弯曲外轨上产生的交变剪应力促进了外轨头的疲劳，导致剥离；车轮和履带保养不良加速了剥离的发展。通常剥离会造成缺口区域应力集中，影响乘坐舒适性，增加动态冲击，促进缺口区域裂纹的产生和发展。缺口区的存在还会阻碍金属塑性变形的发展，降低钢轨塑性指数。

轨头核损伤是最危险的损伤形式，在列车作用下会突然断裂，严重影响行车安全。轨头核损的主要原因是轨头内部存在微小裂纹或缺陷(如非金属夹杂物和白点)。在反复动荷载作用下，钢轨运行面以下的轨头内部出现极其复杂的应力组合，使微小裂纹先成核，然后在轨头周围发展，直至核损周围的钢材不足以提供足够的阻力，钢轨在毫元的警告下突然断裂。因此，钢轨内部材料的缺陷是核损伤的内因，而外部载荷是外因，促进了核损伤的发展。核损的发展与交通量、轴重、运行速度、线路平面状态有关。为了保证行车安全，钢轨应定期检查。

减缓钢轨接触疲劳损伤的措施有:净化钢轨钢，控制碎屑形态；采用淬火钢轨，开发优质重轨，提高钢轨钢的力学性能；改革旧钢轨再利用系统，合理使用钢轨；钢轨打磨；轨道铺设按钢轨钢材材料等分类。