钢轨伤损及预防课件.ppt

1、钢轨的伤损及预防2023年6月4日第2页 共 页本章主要内容1 钢轨伤损的分类2 制造缺陷导致的伤损类型3 既有铁路钢轨重伤类型4 减少钢轨焊接接头伤损5 减少钢轨侧磨6 减少钢轨滚动接触疲劳伤损7 减少钢轨的疲劳核伤2023年6月4日第3页 共 页钢轨伤损概 况 钢轨伤损出现的数量随着时间的推移，早期出现较多，随后进入一个稳定期，再后进入较快发展阶段，即符合所谓的浴盆曲线。2023年6月4日第4页 共 页 早期伤损主要是由于钢轨制造或焊接、热处理等工艺不当造成的缺陷漏检或轮轨磨合不良造成的钢轨轨距角鱼鳞裂纹甚至剥离掉块以及一些其它原因造成的缺陷所致。2023年6月4日第5页 共 页 近年来，

2、随着钢轨生产技术水平的不断提高，因钢轨母材制造缺陷造成的早期伤损呈大幅下降趋势。而随着列车运行速度、轴重和行车密度的不断提高，钢轨使用后期出现的伤损呈严重之势。2023年6月4日第6页 共 页 调查资料显示，近年来在普通铁路上钢轨的重伤主要表现为焊接接头伤损、螺孔裂纹以及疲劳核伤等方面。在一个大修周期内，钢轨的重伤率基本可控制在小于2根/公里的水平上。2023年6月4日第7页 共 页 在曲线上，由于铺用了热处理钢轨，并采用了固体润滑等减磨措施，钢轨侧磨得到了有限控制，但轨距角（对60kg/m钢轨大致在轨头R13部位）剥离掉块或轨顶面斜裂纹（对60kg/m钢轨大致在轨头R80部位）等滚动接触疲劳

3、伤损发展严重。2023年6月4日第8页 共 页1 钢轨伤损按机理分类 缺陷类 疲劳类轨面剥离和掉块 轨头核伤螺栓孔裂纹 磨损类轨头侧磨 轨头波磨 变形类轨面压溃和辗边 波浪弯曲 腐蚀类锈蚀2023年6月4日第9页 共 页2 制造缺陷导致的伤损类型 钢轨在生产制造中存在的超标缺陷以及在钢轨焊接和热处理过程中出现的影响使用的缺陷，导致钢轨使用中出现伤损和失效。2023年6月4日第10页 共 页钢轨轨腰裂纹2023年6月4日第11页 共 页钢轨轨腰裂纹2023年6月4日第12页 共 页见图7条状偏析的放大形貌测点5测点6轨头、轨腰轨底横断面低倍组织形貌及局部放大形貌，显微硬度测点位置及测量结果。显微

4、硬度测量结果：测点5：HV270、299、279；测点6暗区：324、337、376；测点6亮区：324、310、312。2023年6月4日第13页 共 页铝热焊接头气孔缺陷2023年6月4日第14页 共 页闪光焊接头因打磨不当造成的轨头裂纹 2023年6月4日第15页 共 页轨腰纵向裂纹焊接接头轨腰裂纹及横向断裂宏观照片人工锯切口轨腰斜向裂纹焊接接头轨腰裂纹宏观照片焊瘤推突区2023年6月4日第16页 共 页3 既有铁路钢轨重伤类型 铁科院金化所对北京局、广铁集团、上海局、郑州局、沈阳局和太原局管辖的，1992年1994年间铺设上道，2002年2004年间下道的，有代表性的提速线路区段钢轨伤

5、损情况进行了调查，直线钢轨重伤类型及所占百分比情况如下：2023年6月4日第17页 共 页 京包线上行K288-K338直线区段 不同伤损类型及其所占百分比 2023年6月4日第18页 共 页京包线上行K226-K276直线区段不同伤损类型及其所占百分比 2023年6月4日第19页 共 页 京广线下行无缝线路K2035-K2131不同伤损类型及其所占百分比伤损类型核伤闪光焊气压焊 铝热焊其它断轨所占百分比33.326.14.40.031.94.42023年6月4日第20页 共 页京广线上行无缝线路K2035-K2131不同伤损类型及其所占百分比伤损类型核伤气压焊闪光焊铝热焊其它断轨所占百分比2

6、0.835.44.22.133.34.22023年6月4日第21页 共 页京广线下行K708.600-K762.600直线区段钢轨伤损类型及所占百分比伤损类型焊接伤损孔裂核伤其它断轨所占百分比421633282023年6月4日第22页 共 页20002002年上海局无缝线路发生伤损类型及所占百分比伤损类型焊接伤损轨头垂直或水平裂纹孔裂擦伤剥离掉块及鱼鳞纹轨腰圆弧纵裂核伤所占百分比/%30.419.814.89.37.54.03.32023年6月4日第23页 共 页沈阳局长大线K507-K577区段无缝线路伤损所占百分比伤损类型核伤接触焊铝热焊气压焊断轨所占百分比（上行）47.212.019.4

7、19.41.9所占百分比（下行）40.04.022.032.02.0平均38.53.921.230.81.92023年6月4日第24页 共 页大秦铁路钢轨重伤类型排序：焊接伤损（依次为气压焊、铝热焊和闪光焊）；母材核伤 剥离掉块；侧磨等。2023年6月4日第25页 共 页 综合以上北京、广铁集团、上海、郑州、沈阳和太原等6个铁路局有代表性直线区段钢轨伤损的调查结果，在各种伤损类型中，无一例外地焊接接头伤损均稳居第一，北京局和郑州局孔裂位居第二，广铁集团和沈阳局排在第二位的是核伤，只有上海局轨头垂直与水平裂纹位居第二。可见提速线路钢轨伤损的主要类型是无缝线路焊接接头伤损，其次是螺栓孔裂纹和核伤。

8、2023年6月4日第26页 共 页既有线路曲线段钢轨重伤类型：上股钢轨侧磨；上股钢轨滚动接触疲劳伤损（斜裂纹、剥离掉块、隐伤）下股压溃或剥离掉块；上股核伤；2023年6月4日第27页 共 页 随着在小半径曲线上铺设质量优良的热处理钢轨以及固体润滑技术的使用，钢轨的侧磨得到较好的控制；但随之而来的，钢轨的疲劳伤损变得十分严重。2023年6月4日第28页 共 页 大秦重载铁路曲线钢轨剥离掉块伤损2023年6月4日第29页 共 页 柳州局R1000m半径曲线上股钢轨无侧磨、出现剥离掉块近年来，在兰州、柳州、成都、昆明等铁路局，在小半径曲线（R300m及以上）的上股，无论铺设何种强度等级的钢轨，均没有

9、侧磨，轮缘不接触轨头侧面，造成钢轨的剥离掉块和核伤大面积爆发，与以往以侧磨为主有极大的不同。2023年6月4日第30页 共 页兰州局小半径曲线上股剥离掉块、无侧磨2023年6月4日第31页 共 页4 减少焊接接头伤损 焊接接头伤损为既有铁路的最主要伤损。显然，减少焊接接头重伤，可以大幅度提高和延长钢轨的使用寿命。减少伤损的主要技术措施有：2023年6月4日第32页 共 页 1）采用长定尺钢轨、减少焊接接头；目前，60kg/m 百米钢轨已基本形成配套技术；下一步应研究75kg/m百米 钢轨以及百米热处理钢轨成套技术。2023年6月4日第33页 共 页2）采用质量稳定的焊接方式：能用基地闪光焊，则

10、不用移动闪光焊；能用移动闪光焊，则不用气压焊；能用气压焊，则不用铝热焊；尽量减少使用铝热焊，尤其在重载铁路上。2023年6月4日第34页 共 页3）采用稳定的焊接工艺：按规定进行型式检验，确定合理的钢轨焊接工艺；重视焊接接头的周期性生产检验（5个落锤，2个硬度），稳定钢轨焊接工艺。2023年6月4日第35页 共 页4）严格工艺操作 认真检查母材，避免不合格母材焊接出厂铺设上道；避免焊接过程中出现钳口打火；避免焊接过程中推凸不当伤及钢轨；2023年6月4日第36页 共 页 5）采用良好的焊后热处理技术；焊后热处理技术包括焊后全断面加热正火，提高焊接接头的韧性和塑性；采用轨头喷风冷却，提高焊接接头

11、轨面硬度，使之与钢轨母材的硬度匹配，减少使用中生产低接头；2023年6月4日第37页 共 页 为保证正火效果，应在焊接后500C温度以下进行重新加热；保证加热正火温度达到工艺要求：在轨头部位应达到900 C左右，在轨底角应大于800 C以上；2023年6月4日第38页 共 页 采用轨头喷风冷却，保证焊接接头轨头硬度与母材匹配；对热处理钢轨应采用较高的喷风冷却强度（喷风压力0.2MPa）对热轧钢轨应采用较低的喷风冷却强度（喷风压力0.1MPa）2023年6月4日第39页 共 页焊后正火，焊后喷风冷却2023年6月4日第40页 共 页5 减少轨头侧磨1）设置欠超高 通过对钢轨侧磨及其对应的曲线超高

12、测量结果表明，相同曲线半径条件下，随着超高的减少，钢轨的侧磨总的呈下降趋势。这主要是随着超高的增加，列车通过曲线时的冲角变大，从而增加上股的侧磨。为此，对发生严重侧磨的曲线，在坚持准确测速确定平衡超高的基础上，应设置10%15%的欠超高。2023年6月4日第41页 共 页2）进行科学润滑 高强钢轨的铺设使用表明，采用固体润滑后，在R300400m的曲线上股，在通过总重0.5亿吨以前钢轨基本无侧磨和剥离，以后钢轨的侧磨以0.02mm/Mt的速度进行，钢轨基本无剥离。但使用车载喷脂润滑的情况下，在通过总重0.5亿吨以前，钢轨基本无侧磨，但剥离严重。2023年6月4日第42页 共 页 由此可知，采用

13、固体润滑，不仅可以大幅度减少钢轨的磨耗，同时不会促进钢轨剥离掉块的产生，对提高曲线上股钢轨的使用寿命具有明显的作用。2023年6月4日第43页 共 页 因此，在重载铁路上当铺设高强耐磨钢轨后如仍磨耗严重，应采用固体润滑，以进一步控制钢轨的磨耗速率，同时还可以抑制剥离掉块的发生和发展。2023年6月4日第44页 共 页3）提高钢轨硬度 世界各国钢轨使用的经验表明，随着钢轨硬度的提高，钢轨的耐磨性能增加。因此研制具有强度等级为1280MPa，轨面硬度大于370HB的热处理钢轨，对延长曲线钢轨使用寿命具有十分重要的意义。2023年6月4日第45页 共 页 在大秦等重载铁路上铺设新研制的轨面硬度370

14、HB以上的U77MnCr和PG4高强钢轨，具有优良的耐磨寿命。2023年6月4日第46页 共 页 1）滚动接触疲劳伤损（RCF）的主要类型 在上世纪90年代中期，欧洲及日本由于列车提速后普遍出现一种由于滚动接触疲劳产生的新的钢轨伤损形式。这种伤损又可以细分为轨头裂纹（head checks）、隐伤（squats，又称dark spot）、剥离掉块（shelling）等。其中剥离掉块为传统的伤损类型。6 减少钢轨的减少钢轨的RCF2023年6月4日第47页 共 页钢轨轨头裂纹（head checks）、2023年6月4日第48页 共 页钢轨轨头的隐伤squats，又称dark spot 2023

15、年6月4日第49页 共 页钢轨轨头的剥离掉块（shelling）2023年6月4日第50页 共 页 2）RCF的危害 直到90年代中期，普遍认为轨头斜裂纹（head checks）很少导致钢轨在垂直方向断裂，但是后来使用发现，轨头斜裂纹产生断裂的可能性要比想像的大的多。由轨头裂纹引起的钢轨横向断裂2023年6月4日第51页 共 页广深线出现的轨头裂纹和隐伤 2023年6月4日第52页 共 页广深线上行k130+690曲线上股横向断口（U75V钢轨）2023年6月4日第53页 共 页 轨头裂纹和隐伤不像传统的剥离，不会产生掉块，而是裂纹在钢轨踏面斜向向下扩展到一定深度后转向向内发展。轨头裂纹和隐

16、伤的发展模式对钢轨安全使用构成的威胁比剥离掉块更大。2023年6月4日第54页 共 页 2000年10月，英国高速列车在Hatifield以185km/h通过R1460m曲线时出现脱轨，造成4人死亡、70人受伤的严重事故，并由此导致英国铁路的限速和混乱。不久查明脱轨事故是由于曲线外股钢轨的断裂引起的，裂纹萌生于滚动接触疲劳的“轨头裂纹”，是钢轨接触疲劳裂纹的发展模式。这则事例生动地说明了高速运输条件下钢轨接触疲劳失效的危险性。2023年6月4日第55页 共 页 3）RCF的治理措施 滚动接触疲劳伤损的治理措施有：根据运行条件合理铺设相应强度等级的钢轨使之具有合理的磨耗；采用打磨列车进行预防性打

17、磨；进行良好的维修养护，增加轨道弹性、改善轨道平顺性、减少车轮的冲击、改善轮轨接触、提高钢轨本身抵抗接触疲劳的性能、等均对减少钢轨的剥离掉块有利。2023年6月4日第56页 共 页 4）广深线RCF处理效果 针对广深线出现的钢轨伤损，采取以下措施进行治理，取得良好的效果：2023年6月4日第57页 共 页（1）铺用U71Mn钢轨 2003年后，广深线将出现滚动接触疲劳伤损、半径小于等于2200m的100多个曲线的上股钢轨全部更换为U71Mn，至今使用良好。而2003年前更换的上股U75V钢轨，使用至2006年底，钢轨斜裂纹严重。事实证明，采用U71Mn钢轨由于轮轨可以较早和较好的磨合，有利于延

18、缓滚动接触疲劳伤损的出现。2023年6月4日第58页 共 页（2）及时采用大机打磨 在2003年以前，广深铁路于1994年、1998年和2001年共进行了3次大机打磨。这样的打磨周期难以抑制铺设在曲线上的U75V和U71Mn钢轨RCF 的产生和发展。2003年后，广深线每年对钢轨打磨一次，这样的打磨周期对抑制U71Mn钢轨出现RCF具有显著的作用，但仍难以抑制曲线上铺设的U75V钢轨出现RCF。2023年6月4日第59页 共 页 另外，研究具有与车轮廓面匹配的新的钢轨廓面，也是有效预防RCF的有效措施。2023年6月4日第60页 共 页7 减少钢轨的疲劳核伤减少钢轨的疲劳核伤 钢轨的疲劳核伤是

19、重载铁路钢轨最主要的伤损类型之一。研究表明，轨钢的强韧性和纯净性等指标是影响其疲劳性能的主要因素。从疲劳核伤产生的机理来看，当承受的外力超过钢轨钢的疲劳极限时钢轨就会产生疲劳。而疲劳裂纹容易在诸如内部夹杂物等薄弱部位萌生。2023年6月4日第61页 共 页1）提高轨钢的纯净性夹杂物：要求B类和C类夹杂物1.01.5级；有害元素及气体含量：S、P0.020%；Al0.005%；O2010-4%；N6010-4%；熔炼H2.510-4%；成品 H2.010-4%。2023年6月4日第62页 共 页2）减少钢坯低倍缺陷要求用于重载铁路钢轨生产的连铸坯硫印检验小于2.0级，钢轨成品低倍组织满足有关技术条件的要求。2023年6月4日第63页 共 页3）提高热处理硬化层度钢轨轨头应具有足够深度和均匀的淬火硬化层。2023年6月4日第64页 共 页4）加强轨道的维修养护在增加钢轨本身的抗疲劳能力外，增加和保持轨道弹性、改善钢轨受力状态，也是减少钢轨疲劳伤损的重要措施之一。采用优质高性能轨下垫板，及时对道床进行清筛，定期打磨钢轨，减少轨面剥离伤损，对减少钢轨疲劳伤损均具有重要的作用。2023年6月4日第65页 共 页8 减少钢轨孔裂 1）采用跨区间无缝线路，减少使用孔轨；2）做好螺栓孔倒棱，包括现场钻孔；3）做好接头区段的维修养护，减少动应力。