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研究生課程考試答題紙石家莊鐵道大學(xué)研究生課程考試答題紙培養(yǎng)單位 材料科學(xué)與工程學(xué)院_ 學(xué)科專業(yè)_材料工程專業(yè)_ 課程名稱_科技寫作_ _ 任課教師_楊繼承_ 考試日期_2012.4.10_ 學(xué)生姓名_ 張豪_ 學(xué) 號_ 120117506_ _研究生學(xué)院無縫線路鋼軌在線修復(fù)技術(shù)張豪（石家莊鐵道大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊，050043）摘要：為了保證鐵路系統(tǒng)的正常通行，對無縫線路的損傷鋼軌應(yīng)盡量進(jìn)行在線修復(fù)。文通過對目前我國采用較多的在線修復(fù)技術(shù)，如輪軌潤滑技術(shù)、鋼軌整修技術(shù)、原位換軌技術(shù)、熱噴涂（熱噴焊）技術(shù)和鋼軌在線堆焊技術(shù)的工藝方法、焊后組織性能及工程優(yōu)缺點進(jìn)行了分析探討，并指出了以上五種技術(shù)各自存在的局限性，為我國的鋼軌在線修復(fù)技術(shù)的發(fā)展提出了新的方向。關(guān)鍵詞：鋼軌磨損；鋼軌整修潤滑；原位修復(fù)；熱噴涂；堆焊修復(fù) 中圖分類號：U213.42, TG44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A引言：高速、重載及無縫線路已成為鐵路發(fā)展的必然趨勢。與普通線路相比，無縫線路至少能節(jié)省15%的經(jīng)常維修費用，延長25%的鋼軌使用壽命。此外，無縫線路還具有減少行車阻力、降低行車振動及噪聲等優(yōu)點。根據(jù)對我國在線無縫鋼軌的損傷部件材料物相分析發(fā)現(xiàn)，鋼軌的損傷原因有兩種：一種是鋼軌的自身質(zhì)量引起的損傷，此類損傷不僅嚴(yán)重危及行車安全，而且不能更新修復(fù)，只能更換新軌；另外一部分損傷是鋼軌在正常運行中產(chǎn)生的，列車高速通過時的巨大沖擊載荷促使傷損部位的裂紋一直發(fā)展形成軌頭橫向疲勞裂紋。主要表現(xiàn)為軌面剝離，波浪形磨損，軌頭壓潰，裂紋和軌面斷裂等1。根據(jù)無縫鋼軌磨損形式及損傷程度的不同，可以采用不同的修復(fù)方式。1 目前采用的鋼軌修復(fù)方法對于磨損不太嚴(yán)重的鋼軌，可以采取鋼軌潤滑的方式對鋼軌進(jìn)行在線維護，改善列車曲線通過性、穩(wěn)定性和安全性。對磨損嚴(yán)重達(dá)不到重傷的鋼軌，可以直接在線上對其修復(fù)，主要的在線修復(fù)技術(shù)：鋼軌打磨修復(fù)技術(shù)、原位修復(fù)技術(shù)、熱噴涂(噴焊)技術(shù)、鋼軌表面焊補修復(fù)技作者簡介：張豪（1987-），男，在讀研究生，研究方向：金屬材料加工，電子郵箱：631278768術(shù)四類。1.1 輪軌潤滑技術(shù)輪軌潤滑作為一種投資少、見效快的鋼軌養(yǎng)護方法，因其巨大的經(jīng)濟效益在現(xiàn)場實踐中得到了廣泛應(yīng)用。目前輪軌潤滑技術(shù)大致分為車載輪緣潤滑系統(tǒng)、車載鋼軌潤滑系統(tǒng)、地面鋼軌潤滑系統(tǒng)和車載輪緣固體潤滑技術(shù)。按潤滑劑分為潤滑油、潤滑脂、油性潤滑劑、固體潤滑劑。潤滑技術(shù)可以有效地減小輪緣及軌側(cè)的磨損，因此，輪軌潤滑技術(shù)通常與曲線鋼軌的非對稱打磨相結(jié)合來減輕重載曲線鋼軌的側(cè)磨問題，延長重載曲線鋼軌的使用壽命2。但是由于高速鐵路失效的主要原因是鋼軌接觸疲勞及鋼軌斜裂紋導(dǎo)致的鋼軌斷裂，大量研究表明鋼軌潤滑會加速鋼軌疲勞裂紋的擴展，造成鋼軌斷裂和脫軌事件的發(fā)生3，由此可知鋼軌的潤滑技術(shù)并不是鋼軌修復(fù)的萬能方式，必須處理好潤滑、打磨和疲勞擴展之間的關(guān)系，才能夠減低經(jīng)營成本和風(fēng)險。為了解決這個問題，美國阿貢物理實驗室的研究人員提出利用激光對鋼軌表面進(jìn)行“涂釉”處理的方法。試驗結(jié)果表明，大功率激光在鋼軌表面掠過時，會使鋼軌表面極薄一層熔化，同時又很快凝固硬結(jié)。這樣就可使鋼軌表面變得更加平滑堅固，車輪對鋼軌的摩擦系數(shù)便可降低40%左右，而鋼軌本身的摩擦損耗則可降低75%。1.2 在線鋼軌表面?zhèn)麚p整修技術(shù)目前我國的鋼軌表面?zhèn)麚p的整修多采用在線鋼軌整修技術(shù)來實現(xiàn)，主要包括鋼軌打磨和鋼軌銑磨兩種技術(shù)。鋼軌打磨有機械化的打磨列車和手工打磨機具兩種。鋼軌銑磨目前主要是機械化的銑磨列車。1.2.1鋼軌打磨技術(shù)在高速鐵路運營過程中，由于疲勞傷損的增加，鋼軌打磨技術(shù)作為鐵路工務(wù)部門在線路養(yǎng)護維修中的一種重要方法在國外發(fā)展很快并得到廣泛的應(yīng)用。在線鋼軌的整修要求為：不影響龜頭強度，消除傷損，恢復(fù)良好的縱向平順度和橫向輪廓。鋼軌打磨正是一種通過研磨材料的旋轉(zhuǎn)、平移或滾動等來磨耗掉相應(yīng)部位的表面金屬，以恢復(fù)鋼軌縱、橫斷面輪廓的方法。根據(jù)鋼軌打磨的目的和所希望的效果不同，主要可劃分為矯正性打磨、維護打磨、預(yù)防性打磨、鋼軌預(yù)打磨與鋼軌不對稱打磨五種類型。經(jīng)過同濟大學(xué)的周宇等人的研究發(fā)現(xiàn)，在消除磨損方面：可較好的消除頂面?zhèn)麚p，特別是波磨及頂面裂紋和剝離掉塊。傷損嚴(yán)重時需要多次打磨，作業(yè)效率低。在恢復(fù)軌頭型面方面：可較好的恢復(fù)鋼軌的縱向平順度，橫向多角度布置電機以實現(xiàn)鋼軌橫斷面輪廓修復(fù)。同時結(jié)合輪軌潤滑技術(shù)實現(xiàn)減緩鋼軌表面缺陷的發(fā)展，提高鋼軌表面平滑度，進(jìn)一步達(dá)到改善旅客乘車舒適度，降低輪軌噪音，延長鋼軌的使用壽命的目的。缺點是：對軌距角或外側(cè)角的小半徑圓弧的打磨量不宜控制，作業(yè)時易產(chǎn)生飛濺的火花，金屬粉塵和噪聲，會影響空氣，惡化作業(yè)環(huán)境，作業(yè)的準(zhǔn)備時間長4。西南大學(xué)的金學(xué)松等人通過大量的研究論述了鋼軌打磨技術(shù)與輪軌接觸疲勞、磨耗、噪聲、潤滑之間的關(guān)系和相互作用模型。提出了針對不同的打磨方式采用不同的打磨參數(shù)和開展打磨鋼軌型面模型研究，綜合考慮打磨策略、打磨限值、打磨參數(shù)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌打磨效益的分析研究方向5。1.2.2鋼軌銑磨技術(shù)鋼軌銑磨技術(shù)首先是利用刀盤圓周面上的銑刀對鋼軌頂面、規(guī)矩圓角和工作邊同時進(jìn)行銑削加工，消除鋼軌表面損傷，然后經(jīng)過銑削刀盤后面的打磨盤對鋼軌表面進(jìn)行打磨，消除鋼軌表面的棱角的。它概括性的可分為銑削和打磨兩套程序。銑磨技術(shù)適合消除鋼軌頂面波磨、裂紋和剝離掉塊，傷損嚴(yán)重時可通過增加切削量一次銑磨，進(jìn)而得到平順度更好的鋼軌表層。由于通過預(yù)先設(shè)計好的刀粒排列方式，作業(yè)前無需進(jìn)行刀盤調(diào)整，無需拆除軌旁設(shè)備，準(zhǔn)備工作時間短，效率較高同時作業(yè)對空氣、噪聲的污染小。但是需要指出的是，打磨車的適應(yīng)性更強，能適合不同的鋼軌輪廓。在作業(yè)速度方面，以SF03-FFS銑磨車為例，它的作業(yè)速度是025 m/s，合1.2km/h；以PGM-45打磨列車為例，它的作業(yè)速度是1.616 km/h ，大于10km/h 時，金屬的切削量大幅下降，國外一般設(shè)為68km/h ，單邊作業(yè)速度為銑磨車的6倍左右。我們需要根據(jù)根據(jù)軌道的需要打磨次數(shù)確定哪種方法的實際效率更高。根據(jù)對比表明，雖然鋼軌傷損的在線整修技術(shù)可以消除鋼軌表面較嚴(yán)重的損傷，如肥邊、疲勞裂紋等，但銑磨量的增大也會較多的消耗軌頭金屬，對較深的焊接接頭的改善效果不太理想。在作業(yè)前，要注意做好鋼軌橫、縱向斷面的測量工作，以及傷損與不平順的分析。1.3 鋼軌原位修復(fù)技術(shù)所謂原位修復(fù)是將傷損鋼軌進(jìn)行永久性修復(fù)的一種新方法。當(dāng)軌溫低于實際鎖定軌溫,將重傷或折斷的傷損鋼軌鋸切, 插入短軌或不插入短軌, 用液壓鋼軌拉伸器張拉已經(jīng)收縮的鋼軌,進(jìn)行重焊。鋼軌原位修復(fù)技術(shù)可以分為插入和不插入短軌兩種修復(fù)方法。對鋼軌折斷原位修復(fù)的最基本要求是保證無縫線路鎖定軌溫不改變。鋼軌折斷原位修復(fù)與傳統(tǒng)修復(fù)方法相比, 節(jié)省人力 80%、節(jié)省器材70%、封鎖時間縮短40%。這種鋼軌折斷的修復(fù)方法已在英、德、日等國家得到應(yīng)用。自1993年以來,鐵建所與鄭州鐵路局工務(wù)處、許昌工務(wù)段合作進(jìn)行多次不插入短軌原位修復(fù)試驗,也取得了很好的效果6。1.4 熱噴涂表面修復(fù)技術(shù)熱噴涂是利用某種熱源將涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，同時借助于焰流或高速氣體將其霧化，并推動這些霧化后的粒子噴射到基體表面，沉積成具有某種功能的涂層技術(shù)。根據(jù)根據(jù)熱源不同，可分為氧乙炔火焰噴涂和等離子噴涂，前者利用火焰為熱源，后者利用等離子射流作為熱源。熱噴涂技術(shù)的基本特點是它具有真正的疊加效果，被噴涂的零件表面受熱影響小，不易變形且工藝操作程序簡單效率高。等離子噴涂的熱源溫度高，能用于難熔金屬的噴涂，但是它的噪聲很大使其在鋼軌修復(fù)中受到了限制。天津紡織工學(xué)院唐英等采用鐵鎳基自熔性合金粉末，通過氧乙炔火焰噴焊工藝對運行中的磨損鋼軌進(jìn)行表面修復(fù)取得了很好的效果7。熱噴涂對鋼軌表面要求比較高，且需要進(jìn)行鋼軌熱處理。一般情況下列車的間隙時間較短，使其表面清潔和熱處理時間不充足，雖然鋼軌表面的硬度和耐磨性得到了提高，但容易出現(xiàn)噴涂層熱應(yīng)力大、易開裂的現(xiàn)象。此外現(xiàn)場施工時粉末利用率低且無法回收，造成材料浪費嚴(yán)重。郭俊玲和武御卿指出在大秦線上熱噴涂修復(fù)鋼軌折損現(xiàn)象嚴(yán)重8。他們認(rèn)為雖然噴焊鋼軌在一定時期內(nèi)延長了鋼軌的使用壽命，節(jié)約了維修成本，但無限期延長使用時間會造成疲勞加劇，產(chǎn)生核傷，造成鋼軌橫裂甚至折斷，威脅行車安全。1.5 鋼軌堆焊修復(fù)技術(shù)堆焊是指為增大或恢復(fù)焊件尺寸，或使焊件表面獲得具有特殊性能的熔敷金屬而進(jìn)行的一種焊補技術(shù)。鋼軌傷損中相當(dāng)一部分是鋼軌在正常運行中產(chǎn)生的，如鋼軌局部的磨耗，機車輪空轉(zhuǎn)打滑所產(chǎn)生的踏面擦傷、軌端淬火層的剝落等。這些傷損通?？梢酝ㄟ^堆焊修復(fù)以改善路況，延長鋼軌的使用壽命。根據(jù)堆焊方法的不同，鋼軌焊接修復(fù)可分為手工電弧焊補修復(fù)、埋弧焊自動修復(fù)和自保護藥芯焊絲修復(fù)三大類。1.5.1 手工電弧焊補修復(fù)傳統(tǒng)的鋼軌焊接修復(fù)多采用靈活、方便、成本低的焊條手工電弧焊進(jìn)行焊補，根據(jù)是否需要焊前預(yù)熱和焊后緩冷，大致可分為熱焊和冷焊兩大類。TY320焊補作業(yè)屬于“熱焊”，即焊前須對基體進(jìn)行預(yù)熱，且在焊接過程中要求清渣干凈，否則容易引起冷裂等焊接缺陷；而KD286焊補屬于“冷焊”，即焊前無須對基體預(yù)熱。目前我國鋼軌修復(fù)冷焊多采用高錳鋼焊條9，焊層組織經(jīng)車輪碾壓易生成脆硬馬氏體，會降低焊補層的沖擊韌性，容易開裂、剝離；正常條件下熱焊的焊補層無馬氏體組織，滿足TB/T177993要求。鐵道部鋼軌電弧焊補技術(shù)條件（TB/T 1631-2002）推薦采用的堆焊焊條為D14710。但是，由于電弧焊能量密度低導(dǎo)致焊接時間長，加上鋼軌預(yù)熱和焊后緩冷的時間，熱焊工藝作業(yè)時間長，不利于正常行車要求。此外，必須指出的是，手工電弧焊雖然靈活方便，但修復(fù)速度慢，難以實現(xiàn)自動化操作，受人為因素干擾較大。1.5.2 埋弧焊自動修復(fù)與手工電弧焊相比，埋弧焊一方面焊接電流大，具有生產(chǎn)效率高、焊縫質(zhì)量好、節(jié)約焊接材料和電能、改善勞動條件等優(yōu)點，但是另一方面熔池金屬高溫停留時間長，冷卻速度慢，導(dǎo)致組織粗化，韌性降低，易產(chǎn)生裂紋。針對這種矛盾情況，大量研究人員研究發(fā)現(xiàn)采用雙絲埋弧焊補可以較好的彌補兩者的不足。其中，西南交通大學(xué)王元良等人采用細(xì)絲雙絲填絲埋弧自動堆焊修補傷損鋼軌11，避免了采用過大焊接電流帶來的組織粗化問題，還可以改善焊補區(qū)域溫度場，有利于減少裂紋傾向和氣孔傾向，同時通過選用不同的金屬焊絲進(jìn)行焊接還可以起到摻合金作用，進(jìn)一步加強了焊補層的機械性能。金華工務(wù)段徐朝明采用雙埋弧分離自動焊進(jìn)行焊補12，雙絲雙埋弧分離焊接雖然能改善焊補組織的溫度場，但其焊前和焊后仍需預(yù)熱和回火，焊補工序繁瑣的缺點仍不能根本解決。1.5.3 自保護藥芯焊絲修復(fù)由于以上兩種方法都不能很好的解決冷焊焊層組織的馬氏體生成和熱焊過程中工序繁瑣、焊接周期長的缺點，為具有熔敷速度大、低成本、易實現(xiàn)自動化等特點自保護藥芯焊絲提供了用武之地，很多人致力于在冷焊條件下的用自保護藥芯焊絲對鋼軌進(jìn)行修復(fù)。西南交通大學(xué)陳輝等人先是采用Ni29自保護藥芯焊絲進(jìn)行了鋼軌冷焊修補試驗，經(jīng)測驗表明焊縫和熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)裂紋，證明了采用特殊的焊絲可以實現(xiàn)鋼軌的冷焊修復(fù)13。在此基礎(chǔ)上，針對先前冷焊過程中的焊層硬度稍低和耐磨性不夠的情況，先后采用JDHB-1焊材進(jìn)行多道焊、焊后緩冷14和采用雙絲串列堆焊技術(shù)15，明顯提高了堆焊的效率，焊補層和過熱區(qū)的沖擊功都滿足了滿足鐵道部標(biāo)準(zhǔn)(TB T16312002)對焊補層沖擊性能的要求。采用自保護藥芯焊絲堆焊的焊層組織、綜合機械性能和焊補的效率都得到了很大的提高，具有巨大的工程價值和經(jīng)濟效益。采用堆焊的方式進(jìn)行鋼軌修復(fù)在我國的現(xiàn)場實際中已經(jīng)得到了廣泛的使用，且工藝技術(shù)也已經(jīng)日趨完善，但是提高它抵抗環(huán)境和人為因素影響、提高自動化程度、加強與計算機技術(shù)結(jié)合的還仍是以后研究的重點。1.5.4激光熔覆焊補技術(shù)激光熔覆技術(shù)是隨著激光技術(shù)發(fā)展起來的一種新工藝，它具有熱影響區(qū)小、表面質(zhì)量好、冶金結(jié)合強度高等優(yōu)點，能夠有效地提高金屬零部件的表面耐磨性，延長服役時間。鐵基合金材料的激光熔覆與基體具有較好的相容性，且成本低廉，具有重要的研究意義和經(jīng)濟價值。北京工業(yè)大學(xué)的楊膠溪和劉華東等人通過利用激光寬帶覆熔技術(shù)，同步送自熔性Fe 基粉末的方式對U71Mn 鋼軌表面進(jìn)行強化實驗16，獲得了與鋼軌冶金結(jié)合的1mm左右無裂紋、氣孔等缺陷的高性能熔覆層。涂層的靜載荷承受能力較高，但在激光熔覆層與基本的熔合區(qū)存在硬度拐點且出現(xiàn)了脆硬的馬氏體組織，是由于激光快速加熱及快速冷卻造成的。2 各種鋼軌修復(fù)技術(shù)的對比表1為以上五種無縫鋼軌在線修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點對比表1 各種鋼軌在線修復(fù)技術(shù)的優(yōu)缺點對比優(yōu)點缺點輪軌潤滑技術(shù)投資少、見效快、有效地減小輪緣及軌側(cè)的磨損加速鋼軌疲勞裂紋的擴展，使用范圍受限制鋼軌打磨技術(shù)能有效的消除表面不平順，軌頭表面缺陷，恢復(fù)鋼軌輪廓，可以與潤滑技術(shù)結(jié)合使用不能從根本上修復(fù)鋼軌的損傷，過度的打磨將使換軌成為必然原位修復(fù)能實現(xiàn)鋼軌的永久性修復(fù)鎖定軌溫要求高，增加了焊接接頭數(shù)目鋼軌堆焊修復(fù)工藝方法多，焊層組織性能優(yōu)異，能滿足不同線路鋼軌的修復(fù)要求受作業(yè)環(huán)境和人為因素影響較大，不易實現(xiàn)與計算機技術(shù)的相結(jié)合3 結(jié)論通過對我國損傷鋼軌的修復(fù)工藝的研究，得出：1. 對于損傷程度低或是對鋼軌的日常性維護，我們可以采用簡便、經(jīng)濟的鋼軌潤滑技術(shù)和激光上釉的方法提高鋼軌的表面清潔度，減小相對摩擦起到延長鋼軌的服役壽命的作用；2. 對于鋼軌出現(xiàn)了一些輕微的損傷，可以采取鋼軌表面整修技術(shù)對鋼軌實現(xiàn)在線的表面損傷修復(fù)。針對在重載無縫線路中側(cè)磨較嚴(yán)重的情況適宜用鋼軌打磨列車對鋼軌進(jìn)行表面打磨，使其保持良好的鋼軌輪廓；對于高速無縫鋼軌的疲勞損傷多采用銑磨列車作業(yè)修復(fù)。3. 那些服役時間較長、損傷較嚴(yán)重的鋼軌，我們有必要采用堆焊修復(fù)的方法對鋼軌表面裂紋、缺陷進(jìn)行焊補修復(fù)，提高鋼軌表面焊補層的機械性能，延長鋼軌的壽命，但是應(yīng)注意焊補層的組織成分，避免大量的馬氏體組織出現(xiàn)；4. 對于鋼軌表面損傷非常嚴(yán)重的情況，以上方法對鋼軌的修復(fù)就不合適宜了，我們應(yīng)利用鋼軌原位修復(fù)技術(shù)對其進(jìn)行永久性的修復(fù)，這種方法已經(jīng)在國外得到了很好的利用，取得了很顯著的效果。 但是現(xiàn)有的修復(fù)技術(shù)仍存在一些明顯的不足，例如隨著我國鐵路高密度運輸量和快速運輸?shù)囊?，加強與計算機技術(shù)相結(jié)合進(jìn)而進(jìn)一步提高修復(fù)的自動化和效率成為我們研究的重點。參考文獻(xiàn)1 盧觀健,楊克.鋼軌損傷的形態(tài)特征及其失效機理J.鐵道學(xué)報,1996,18(3):120-124.2 張念.我國鐵路輪軌潤滑技術(shù)的發(fā)展J.中國鐵路,2009(9):38-43.3 劉啟躍,王文健,周仲榮.高速與重載鐵路鋼軌損傷及預(yù)防技術(shù)差異研究J.潤滑與密封,2007,32(11):11-14