钢轨损伤检测技术论文

铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗 摘要:阐述了铁道机车车辆轮轨摩擦磨损的现状;研究了内燃机车车轮、闸瓦和钢轨的消耗数 量及相应的维修费用;指出了采用适当的新技术之后,在节能降耗方面会产生显著的经济效益。 关键词:车轮;轮缘;钢轨;摩擦磨损;铁道机车车辆;节能;降耗 众所周知,铁路运输是基于轮轨相互作用产生 的黏着牵引力和黏着制动力以实现列车运行的,轮 轨间因摩擦磨损在铁路运输中消耗的能量和能源 很多,耗资也很大。 随着铁路运输向高速、重载发展,因摩擦磨损 所致的事故风险也在增加。轮轨接触面形成的各 种损伤,不但缩短了轮轨的使用寿命,在严重磨损 后还会导致轮对和钢轨失效,危及行车安全。在这 方面,即使在高速铁路成功应用的国家,也曾付出 过惨重代价。例如:1998年,由于轮轴的疲劳断裂 而导致德国ICE高速列车脱轨,造成101人死亡, 84人重伤,直接经济损失约2亿马克。 与此同时,合理利用资源,实行节能降耗,是我 国的一项基本战略决策。为了节约能源,降低铁路 运输成本和机车车辆的制造与修理费用,对机车车 辆轮轨的摩擦磨损状况,需引起高度的重视。应当 采取相应的技术措施,努力将这种磨损造成的损失 降低到最小程度,以达到降耗增效的目的。 1 铁路钢轨的磨耗 据铁路工务部门统计,我国铁路有20%~30% 的路段钢轨磨损率大于国外严重磨损率指标,有 60%的曲线段钢轨因波磨造成严重损伤。摩擦磨 损带来的损失很大。 1.1 钢轨损伤的形态 铁路轮轨作用关系复杂,钢轨磨耗损伤的形态 主要有钢轨的压溃、侧磨、波磨、剥离等,这些占钢 轨总损伤量的80%以上。随着铁路机车车辆的重 载与高速化,轮轨间的摩擦磨损也日趋严重,如钢 轨的压溃与波磨迅速增长,且发生较为普遍(参见 图1)。 1.2 钢轨的年消耗量 据资料记载:“十五”期间,我国铁路钢轨用材 每年基本维持在110万t左右,除新线建设之外,其 中用于既有线路大修和维修消耗的钢材约为70~ 80万t/年。 据铁道部安检司调查,2003年因钢轨损伤而更 换所需的材料及人工费用约为50亿元。其中,因 钢轨压溃、侧磨、波磨等导致的损伤,占钢轨总损伤 量的80%以上,即40亿元左右。 2 机车车辆车轮的磨损 车轮是铁路机车车辆的重要走行部件。在列 车运行中,车轮滚动会使车轮踏面和轮缘发生磨 耗,而车轮在钢轨上滑动也会造成踏面损伤。 2.1 车轮损伤的形态 据失效分析统计,铁道机车车辆车轮损伤的主 要类型有轮缘磨耗、轮辋疲劳裂纹、热损伤、车轮踏 面剥离和崩裂等(参见表1和图2)。因磨耗造成车 轮部件失效的主要原因是轮轨接触应力集中、制动 热应力疲劳、累积塑性流动变形、夹杂物应力集中、 内部缺陷应力集中等。 2.2 车轮的消耗 目前,我国铁路机车、客车和货车约有500万 个车轮在运营中。这里所讲的车轮消耗,主要是指 磨损后车轮的维修和更换 以2006年为例,全路的机车、客车和货车就消 耗新轮63·1万只,平均以0·5万元/只计算,所需费 用约为31·55亿元。 在为完成中国工程院下达的“摩擦磨损与工程 应用咨询项目”时,笔者曾于2006年11月赴北京 铁路局丰台机务段进行过“铁路机车车辆关键零部 件摩擦磨损”的现场调研。从丰台机务段调查了解 到:以DF4型机车为例,由于车轮维修或全部更换, 该段平均每台机车每年所需人工费和材料费分别 为3·3万元和42·4万元,这尚不包括因修理或更换 时机车的停运损失。有关该段DF4型机车的旋轮 与换轮费用参见表2和表3;若按2005年全路机车 保有量17 500台推算,仅机车车轮的维修费用就近 5·8亿元。 2.3 制动闸瓦的消耗 在机车车辆制动系统的摩擦制动中,主要有踏 面闸瓦制动和盘形制动。我国目前除新造的提速 客车和厂修改造的25型客车采用盘形制动外,其 他的机车车辆都是采用踏面制动,这对车轮的磨耗 是比较严重的。铸铁闸瓦相比合成闸瓦,可以获得 较高的黏着系数且摩擦系数稳定,但是磨耗快,成 本较高。以丰台机务段DF4、DF4D型机车为例,在1 个大修期内,每台DF4型机车需更换闸瓦8次, DF4D型机车需更换闸瓦10次。因此,每台机车的 换瓦费用分别为1·2万元和1·5万元。按该段现 有DF4型机车35台和DF4D型机车23台计算,这些 机车在1个大修期内换瓦的总费用为76·5万 3 降低轮轨磨耗的技术措施 我国《铁路节能技术政策》第11·1条指出:“应 注意抗磨减阻材料的推广使用。在全世界生产的 能量中,约有30%~40%的能量是消耗在与摩擦有 关的场合;我国与摩擦有关的能源消耗约占1/3 ~ 1/2。任何减轻摩擦、降低磨损的措施,都会直接或 间接地节约能源。” 针对目前机车车辆轮轨摩擦磨损严重、修理费 用高的现象,如果进一步推广应用淬火钢轨、轨面 打磨、磨耗型车轮、径向转向架和安装轮轨润滑装 置等现有的成熟技术,不但可以明显改善轮轨摩擦 磨损的现状,而且可以节约能源和原材料,大大降 低消耗,取得显著的经济效益。 3.1 采用淬火钢轨与维护 钢轨波磨问题是轮轨相互作用过程中极其复 杂的系统问题,根据不同的线路或区段,合理地选 择钢轨,有助于预防钢轨的波磨。例如:淬火钢轨 就很少发生波磨,因为它有较高的强度和硬度。因 此,建议在轨道波磨区段采用屈服强度较高的钢 轨。此外,轨面打磨也是主要防护手段,轨面打磨 可减小车体的振动和车轮对钢轨冲击力所造成的 磨损。实践表明,它可延长波磨轨寿命50%以上。 从调查得知,若采用淬火钢轨、侧面涂油和适时的 钢轨打磨等技术,仅钢轨材料一项每年就可节约费 用20亿元左右,因减磨而节约的能耗费用也是很 大的。 3.2 采用磨耗型车轮踏面 车轮磨损失效的形式主要有踏面磨耗到限和 轮缘磨耗到限。铁道部对机车车辆车轮踏面的使 用与维修都有相应的标准,如《DF4型内燃机车段 修规程》第3·11·6·8条中规定:踏面磨耗深度不大 于7 mm;而采用轮缘高度为25 mm的磨耗型踏面 时,踏面磨耗深度不大于10 mm。磨耗达到或超过 这些标准,就会危及行车安全。 早期的车轮踏面为锥型踏面。锥型踏面在使 用初期磨损很快,当磨损到一定程度后,磨损速率 开始减缓,踏面形状趋于稳定。通过长期观察和试 验发现,如果在车轮踏面设计时就采用磨耗型的车 轮踏面廓形,可有效地减轻轮轨接触应力,迅速降 低轮轨磨耗,有效延长轮轨使用寿命。 四方车辆研究所在对北京、广州、济南等铁路 局的机车车轮外形轮廓实测的基础上,设计了小半 径曲线区段使用的JM磨耗型车轮踏面。长期的运 用结果表明,应用该外形设计后,与原锥型踏面车 轮相比,轮缘减磨可达30%~70%. 一些铁路局根据各自所管辖线路的特点,也分 别研制了多种形式的车轮踏面。如上海铁路局研 发的ST系列磨耗型踏面,就取得了很好的减磨效 果(参见表5)。 表5 上海铁路局DF11型0072号机车车轮磨耗数据对比 由表5可知,采用ST-2型踏面后,机车每万公 里的轮缘磨耗率从0·304 mm降至0·190 mm,降低 了38%,车轮踏面剥离的故障也明显减少。 据有关资料分析:机车车辆若采用磨耗型车轮 踏面,每台机车每年可节约费用1·5万元。 3.3 采用径向转向架 传统的机车转向架,因传递牵引力和保证直线 上走行性能的需要,各轴基本上是被约束成相互平 行的。在通过曲线时,这种刚性定位的轮对与钢轨 之间会形成明显的冲角,从而使轮、轨都产生严重 的磨耗。曲线半径越小,磨耗越严重。为降低轮、 轨的磨耗,近年来国内外开展了机车径向转向架研 究,并取得了很好的效果。两种不同转向架通过曲 线时的运行示意图见图3。 再举几个例子,以说明装用径向转向架后轮缘 的磨耗情况。 戚墅堰机车有限公司生产的首台装用径向转 向架的DF8B型7001号机车,在上海铁路局进行的 线路运用考核结果表明:与同轴重、装有传统转向 架且带轮轨润滑装置的DF8B型机车相比,前者的轮 缘磨耗仅为16%。【下转第8页】 【上接第4页】 资阳机车有限公司对径向转向架机车与传统 转向架机车在曲线上的冲角也进行了对比测试。 测试结果表明:仅就径向转向架冲角减少的程度而 言,轮缘磨耗至少降低了45%。 大连机车车辆有限公司生产的DF4D型径向转 向架机车,在柳州至怀化区段的客、货运牵引数据 表明,与装用传统转向架相比,机车车轮的轮缘磨 耗下降了74%。 据有关资料分析:若采用径向转向架技术,每 台机车每年可节约费用5·8万元。 3.4 安装轮轨润滑装置 润滑对减磨起着十分重要的作用。我国《铁路 节能技术政策》第3·6条强调指出:“内燃机车和电 力机车要加装新型轮轨自动润滑装置,减少磨耗和 阻力,降低机车能耗。” 以丰台机务段为例,安装轮轨自动润滑装置取 得了较好的效果。该段有118台机车在安装了铁 道科学研究院研制的华宝2号轮轨润滑装置后,使 每台机车的旋轮公里数由10万km延长至18万 km,车轮寿命由30万km延长至80万km。 除机车因车轮寿命延长产生的巨大社会效益 和经济效益之外,每台机车每年可节省旋轮(或换 轮)费用1万元。丰台机务段的118台机车,每年 可直接节省旋轮(或换轮)费用118万元。按全路 17 500台机车推算,每年可直接节省旋轮(或换轮) 费用1·75亿元。其投入产出比为1∶20。事实说 明:通过安装轮轨自动润滑装置,对轮轨进行润滑 后,不但可以减缓轮缘的磨耗,而且经济效益十分 可观。 4 结语 综上所述,在铁路运输中,机车车辆轮轨的摩 擦磨损已成为相当严重的问题。大量的钢轨与车 轮磨损,不但增加了材料的消耗,提高了修理成本 而且降低了运输的效率,增加了能源的消耗。为此 提出以下建议。 (1)从设计、制造到运输、修理,所有与此相关 的人员,对机车车辆轮轨的摩擦磨损状况,都应当 高度重视,并采取相应的对策。 (2)对目前已被证实具有良好减磨效果的措 施,应进一步加大推广应用力度。例如:对钢轨进 行适当的热处理和打磨,开发新型闸瓦,扩大磨耗 型踏面车轮、径向转向架和轮轨润滑装置的装车应 用等。 (3)在今后的技术引进或产品自主创新的研 发中,应更加重视对产品的摩擦副及磨损件标准的 研究。与此同时,应寻求和开发更适应轮轨摩擦副 的新材料、新技术、新工艺,以延长关键摩擦磨损件 的使用寿命,进而达到节能、降耗和增效的目的。

需要酬劳的啊，你看怎么样？

铁路工程无砟轨道施工测量技术分析论文

摘要：无砟轨道在平顺性以及线路中心线几何线性的准确性方面具有较高的要求，而且无砟轨道的敷设工艺较为复杂，必须要将误差控制在毫米级以内，但想要对无砟轨道施工的各项要求进行有效的满足，需要对相关测量技术进行有效的落实，并做好精度控制工作。只有如此，才能使无砟轨道施工质量得到保证，不仅能够提升工程的使用寿命，还能对铁路工程建设事业的发展产生一定的推动作用。因此，本文针对铁路工程当中的无砟轨道施工测量技术及精度控制进行讨论，对相关测量技术加以了解，并探讨实现精度控制的具体措施，意在提升铁路工程的建设水平。

关键词：铁路工程；无砟轨道施工；测量技术；精度控制

传统形式的有砟轨道，在受到列车荷载作用影响下，会导致道床出现道砟粉化及磨损的问题，从而导致结构变形，使轨道使用寿命受到严重影响。在列车高速行驶的情况下，还可能造成道砟飞溅，容易引发安全事故问题，无砟轨道不仅具有较高的稳定性和平顺性，而且几何变形不高、便于维护，具有较长的使用寿命。也正是受到这些特点的影响，无砟轨道的施工具有较高的要求，需要通过准确的测量来确保施工的质量，所以有必要针对无砟轨道施工过程中的测量技术以及精度控制进行深入的研究。

1铁路工程中的无砟轨道施工测量技术

1.1轨道测量控制网

在铁路工程当中，测量控制网分为高程控制网和平面控制网，而根据施测阶段、功能以及目的，又可以分为施工控制网、勘测控制网以及运维控制网。为了确保控制测量质量能够对勘测、施工以及运维等阶段的要求加以满足，确保铁路工程建设及运营管理等工作的顺利进行，需要保证各阶段中的高程、平面控制测量能够具有统一的标准，即在平面控制方面应统一采用CPI作为标准，而高程控制则可以将二等水准基点作为标准，在铁路工程中的平面测量控制网主要是由线路平面控制网、基础平面控制网以及轨道控制网组成。高程测量控制网包括轨道控制网和线路水准基点控制网，其中前者主要作为运营维护、轨道精调以及铺设调整等工作的高程控制基准，而后者主要用于铁路施工、勘测工作的高程基准。

1.2板式无砟轨道板精调技术

当前阶段，我国在客运专线当中应用的无砟轨道形式主要有以下几种：CRTSⅠ型、Ⅱ型、Ⅲ型无砟轨道，其中CRTSⅡ型无砟轨道又分为板式和双板式。而CRTSⅠ型无砟轨道主要是在钢筋混凝土底座上利用水泥沥青砂浆铺设调整层。其中设置了凸形挡台限位，在确保轨道板铺设能够满足相关精度需求的基础上，通常会通过调整扣件的方式对钢轨最终的几何状态进行控制，其系统构成包括混凝土底座、GA砂浆层、轨道板、凸形挡台、钢轨以及扣件系统等。即便隧道、路桥在线下基础方面存在差异，但CRTSⅠ型板式无砟轨道的构成并不会发生改变，而我国首条应用无砟轨道结构形式的铁路，已经对相关技术进行了有效的消化，并对制造Ⅱ型板的工艺进行研究和实验，经过不断的摸索和总结，已经开发出了独具特色的Ⅱ型板制造工艺，而这种轨道结构形式即为CRTSⅡ型板无砟轨道形式。

1.3无砟轨道平顺性检测技术

在完成轨道板精调以后，需要使用CA砂浆进行浇筑，而铺设精度在通过验收以后，就可以进行铺轨和扣件安装，完成轨道铺设需要使用轨检小车来测量轨道的几何状态，并利用扣件进行轨道的调整，使其进度能够达到设计要求。从理论上来讲，要求线路中心轴为轨距中心，在直线段当中要与两根铁轨平行，在曲线段当中要与曲线切线平行，我国标准轨距是1435mm，轨距变化率要保持在1mm/1.5m，以±1mm作为验收标准，在活动端设有复位弹簧，确保在轨检小车运行过程中能够与轨道内侧紧密相连，而具体测量范围在-35～35mm。在铁路工程中，轨面高程以及轨道中线是工程质量的直观反映，通过将线路高程、坐标与设计值进行对比得出其中的偏差，可以对轨道自身的几何状态进行全面的反映，在测量轨道高程和坐标的过程中，需要通过高精度全站仪对轨检小车当中的'棱镜中心三维坐标进行实测。根据标定好的轨面情况、线路中心线以及小车几何参数，将对应里程中的轨面高程及中心线位置换算出来，并与设计参数进行对比，从而得出设计和实测的差值，利用相关技术规范完成评价。水平轨向就是轨道里程方向上的内线状态，而高低轨向则是轨道顶面部分的线形状态，如果横向轨道不良，会导致列车在横下加速度过程中缺乏稳定性，而高低轨向不良则会对列车垂向加速度造成影响，对于高低轨向和水平轨向的平顺检测，可以对德国长、短波不平顺检测法加以借鉴，并使用300m弦或30m弦的轨道平顺性核检。走行轨、支脚以及模板的安装，需要通过支脚对无砟轨道进行测量精度控制，这种测量方法主要是将加密基桩和控制基桩作为依据，根据线形设计资料将各模板及支脚的位置计算出来，然后在施工现场进行放样，并完成定点和划线。在对走行轨、支脚以及模板进行固定时，需要保证左右支脚的中轴线位置位于线路中心线的法线上，而支脚前后间距即为轨枕间距，对于曲线路段，外侧两支脚间距要大于内侧两支脚间距，因此在安装支脚的过程中，要将外侧作为基准。

1.4全站仪自由设站程序设计

在对轨道的几何状态进行测量时，应该针对测区钢轨中的8个CPⅢ控制点运用边角后方交会的办法完成全站仪的自由设站，利用无线控制端，实现全站仪的有效控制，从而达到自动观测的目的。在对全站仪进行换站处理时，相邻站之间需要对4个CPⅢ控制点进行搭接，使数据之间能够具有较强的关联性，下述内容为相关设计流程。第一，利用全站仪对2个CPⅢ控制点进行手动瞄准，结合后方交会原理对近似的全站仪位置进行确定；第二，根据待测点坐标以及近似全站仪坐标，对待测控制点自身的棱镜方向值进行计算，并通过相关指令，使全站仪将剩余控制点的自动观测完成；第三，针对CPⅢ观测值对数据稳定性进行检测，查看观测值是否存在超限问题，并将其中不合格的点剔除在外。

2控制无砟轨道施工测量精度的具体措施

2.1做好测量仪器设备的配置工作

第一，要对高精度全站仪加以准备，要求其具有ATR自动照准功能；第二，准备精密水准仪，要求该仪器能够对数据进行显示和存储，且误差要小于0.3mm/km；第三，对电子轨道尺加以配置，要求具有数码显示功能，且精度误差在0.5mm以内。

2.2线路基标测设

对于无砟轨道施工而言，线路基标是其实现精度控制的基础，具体测设内容包括加密基标记控制基标，基标方面的测设精度不但会对无砟轨道施工精度造成影响，同时还会影响到施工的效率，具体测定方法为：第一，选定CPⅢ控制点，并以此为基础，采用精密水准测量以及设站极坐标法对施工高程和平面进行测设；第二，在直线段中以100m为一个间距进行控制基标的设置，而曲线段则每间隔60m就要设置一个控制基标；第三，对特殊路段需要进行控制基标的加密设置，结合轨排长度，在直线段中应以12.5m为一个间隔进行设置，而曲线段要以6.25m为一个间隔进行设置；第四，在混凝土地板强度达到一定水平以后，对控制基标以及加密基标进行布设，并做好标识，在完成基标布设以后，要在道床板顶面使用墨线标记中心线位置。

2.3轨排架精确调整

为了确保测量数据的准确性，在借助轨道检测小车完成测量时，应该严格按照测量规定要求进行，通常在测站20～80m的范围内测量准确度较高，所以顺接段以及搭接段的测量长度应控制在62.5～20m，具体长度需要结合两次测量数据对比以及测量距离来确定。在此过程中，需要对测站位置、数据的收集和分析保持重视，在精调过程中，需要将小车静置在待测轨道当中，利用全站仪进行小车棱镜点的测量，从而对设计位置、轨道位置、位置偏差以及调轨方向进行实时的显示，使现场调轨作业能够获得相应的指导。

2.4测量控制网复测

第一，在进行复测以前，需要对线路测量的相关资料进行检查，并与设计单位针对现场桩橛进行交接，包括控制点、水准点、导线点以及GPS点等；第二，针对水准点高程、GPS点坐标以及导线点间距和右角进行展开复测，如果复测结果和设计单位的勘测结果存在差异，应在此进行复测，如果是设计单位的勘测资料存在误差，要通过协商之后进行及时的更正；第三，完成复测以后需要对复测报告加以编制，并反馈给设计和监理单位，在完成批复以后才能进行后续测量。

2.5测量精度控制中的注意事项

第一，不管是粗调还是精调，在对棱镜进行移动的过程中，都要一直面向全站仪，且棱镜与全站仪之间不能有阻碍物；第二，在精调轨排架时，工作区域当中严禁无关人员的进入，且在测量过程中要保证轨排架轨面具有较高的清洁性；第三，由于在精调过程中，轨排架和鱼尾夹板相连，所以在调整时要对连续2～3榀轨排架展开联测，就是要求每榀排架调整以后，都要对与之相连并完成调整的轨排架进行复测，确认是否存在影响，如果受到影响需要进行适当的调整。

3结束语

综上所述，在铁路工程中，针对无砟轨道施工落实相关测量技术，并做好精度控制工作能够使无砟轨道施工质量得到有效的保证，因此相关部门在进行铁路施工的过程中，一定要将各项工作做好，以此来推动铁路建设事业的发展。

参考文献：

[1]范群述,张建锋.高速铁路无砟轨道施工技术难点分析[J].建材与装饰,2018(2):282-283.

[2]夏冰.高铁测量控制网及无砟轨道精调施工研究[D].江苏科技大学,2014.

[3]宫海鹏.无砟轨道施工精测技术及其运用[D].西南交通大学,2013.

[4]杭芬.无砟轨道基桩控制网测量技术研究[D].西南交通大学,2014.

[5]耿振峰.高速铁路无砟轨道CPIII控制网测量技术[J].建筑工程技术与设计,2017,5(18):3483-3483+671.

[6]刘佳男.高速铁路桥梁及无砟轨道工程施工测量实践[J].商品与质量,2017,3(40):276.