耐腐蚀钢轨

国内外已有多种技术可以解决这一问题，但是，通过这些方法实现目标大多生产工艺复杂，成本也较高，且生产的钢轨耐腐蚀的目标时间也与我公司需要解决的钢轨防腐时间有所不同。

铁路用钢轨在钢铁企业生产出厂后，需经过铁路运输(或海运)到达用户，用户还需要焊接成250m～500m长轨条后堆放，再用长轨车运输到铁路线路上进行铺轨，铺轨后到铁路正式运营，这一过程的周期一般在1年的时间以内，个别的超过1年。普通的钢轨一般在钢铁企业出厂后铁路运输过程中，特别是海洋环境条件下的远洋船运，因自然条件下日晒雨淋，达到铁路用户后其表面就已经开始锈蚀发黄，以至在钢轨铺轨后到铁路正式运营的期间内，由于大气锈蚀作用致使钢轨表面发生锈蚀或锈层剥落，锈水污染铁路道床和环境。铁路用户都希望在略微增加生产成本的条件下采取措施改变现状。在一般线路钢轨(潮湿隧道或海洋环境条件除外)的实际使用中，钢轨在铺轨正式运营后，由于列车运行中油污滴漏、线路维护等因素，钢轨轨头踏面因磨耗而光亮，轨腰和轨底被油污、尘埃等附着，其锈蚀程度反而减轻。所以，铁路需要一种增加生产成本较低，且在出厂后1年的时间(长途运输、焊轨堆放和铺轨过程中)内钢轨踏面不完全锈蚀，轨腰和轨底无锈蚀，达到在生产出厂后至铺轨正式运营的时间内耐锈蚀为短期目标的钢轨新产品。

采用自动喷涂方式生产耐大气防锈钢轨应注意的几个关键问题:一是供油应选择柱塞泵，选择柱塞泵时应充分考虑几个因素，柱塞泵要具备防爆性能，由于工件运行速度一般在2m/s左右，喷涂厚度为(30-50)±5μm，因此，排量需满足喷涂流量要求，响应速度快，寿命长、噪声低、控制精度高及排量能够手动调节等性能要求；二是喷枪的选择要充分考虑喷嘴的喷出量满足喷涂量要求，由于生产是连续作业，为了减少更换频数，喷枪(包括喷嘴)使用寿命要长，喷枪开/关能自动控制，便于实现喷涂自动化，单个喷枪喷出量需具备手动调节功能；三是为了得到喷涂均匀的防锈钢轨，喷枪应在钢轨的上下各布置一支，钢轨的左右各布置两只，具体位置可通过试验确定合理位置；四是为了保证喷涂系统正常运行而不至于影响正常生产，柱塞泵的设置可设计为一用一备，喷枪设置可设计为六用一备；五是喷涂需采取在相对密闭的空间里(油雾喷雾器)进行，与之相连的油雾回收机的设计需充分考虑其油雾回收能力，油雾回收机中的风机功率选择过小，油雾回收能力不够，而运动的钢轨不断从油雾喷雾器中穿行，油雾喷雾器要达到完全密封状态难以实现，如果油雾回收能力不够，喷涂过程中就会造成油雾扩散，不利于环保，影响职工身体健康，还可能造成爆炸或火灾事故；六是可设置一个压力储气罐，以便给柱塞泵提供压力相对稳定的气源。

通过上述工艺流程介绍可知，采用本方法生产耐锈蚀铁路用钢轨，生产工艺简单，可以保留热轧钢轨表面的氧化铁皮，不影响钢轨的外观和使用性能；生产成本低，涂装生产工艺工程符合环保要求；不需要在钢中添加合金元素，可保持原有铁路钢轨的化学成分不变，不会改变原有铁路钢轨的理化性能等使用性能；在钢轨上不附加任何电源，不会影响和干扰铁路信号；涂装钢轨专用防锈油后的钢轨直接可采用堆垛方式自然干燥；不改变钢铁企业原有钢轨的生产工艺流程,只在原有钢轨的生产工艺流程中添加装备的费用不超过200万元便可实现耐腐蚀钢轨的生产。因此，采用自动喷涂解决生产防腐钢轨的方法具有一定的推广价值。

耐腐蚀钢轨(corrosion-resistant rail)是指具有良好耐腐蚀性能的低合金钢轨。有的低合金钢轨，如U74Cu和U74MoSiCu等含铜耐磨钢轨，不但具有较高的耐磨性能，而且耐腐蚀性能也比普通碳素钢轨提高40%-80%。在长隧道内，由于通风条件差，空气潮湿，蒸汽机车或内燃机车排放的有害废气，对普通碳素钢轨及钢轨扣件等部件产生严重锈蚀。因此，我国铁路一般应铺设在长度大于1000m的隧道内，铁路机务段加水线上。因有废液腐蚀钢轨，也铺设这类钢轨。

对于钢轨的腐蚀问题，人们采取了多种方法。一是采用阴极保护的方法，重点是解决隧道内钢轨的锈蚀问题。通过此方法制作的耐腐蚀铁路钢轨，由于使用直流电，容易干扰铁路信号,控制操作也较复杂；二是采用有机涂料保护的方法，主要通过对钢轨涂刷有机锌涂料、焦油环树脂和硝基甲酸乙脂漆制作成的耐腐蚀铁路钢轨,由于有机涂料层与钢轨基体的结合力较低，容易脱落；三是采用电弧或火焰喷涂锌、铝或锌—铝合金的方法，由于该方法需要采用喷丸或喷砂清除表面氧化铁皮，生产方法复杂，成本较高；四是在钢轨钢材中加入Cr、Mo、Cu、Ni、P、Re等合金元素以提高钢耐腐蚀性能而得到的耐腐蚀铁路钢轨，该方法生产成本相对较高。

采用在钢轨表面(包括轨头、轨腰和轨底)自动喷涂透明的钢轨专用防锈油，油膜厚度宜控制在30～50 ±5 μm，涂装后的钢轨在野外大气环境条件下，可在1年的时间(长途运输、焊轨堆放和铺轨过程中)内钢轨踏面不完全锈蚀，轨腰和轨底无锈蚀的状态，达到钢轨在生产出厂后至铺轨正式运营的时间内耐锈蚀的短期目标。

待处理的钢轨进入预定工作位置，检测装置检测到轨头后，反馈信号给控制系统，控制系统控制喷雾系统开始工作；钢轨处理完后，钢轨尾部离开制定位置后，检测装置反馈信号给控制系统，控制系统立即关闭喷雾系统，停止喷雾；整个装置工作期间油雾回收器均处于启动状态。

钢轨桩设置时，将旧钢轨放置在事先准备好的钻孔中，放置时应使钢轨轨底正对滑坡推力方向(如图2所示)。钢轨置人钻孔以后，需用混凝土或水泥砂浆充填钢轨与孔壁间的空间，使钢轨与混凝土或砂浆以及孔壤岩石联成一体。这样可充分发挥钢轨的抗滑作用并可防止钢轨的锈蚀。钢轨桩适用于滑坡推力不大，岩体较完整的岩质边坡，它比大断面钢筋混凝土抗滑桩有轻便、灵活、便于施工等优点。因此在国内外露天矿滑坡防治工程中广泛应用。

钢轨桩钢轨桩的受力状况

随岩体结构不同，钢轨桩的受力状态也不同。坚硬岩体沿一很薄的滑面滑动时[如图3中(a)所示]，抗滑桩主要承受剪切应力；如果岩体沿一层软弱的破碎带或一弱层滑动[如图3中(b)所示]，由于在滑面处出现塑性变形，而使桩体承受弯曲产生的拉压应力；如果滑体是松散体或碎裂岩体[如图3中(c)所示]，则桩体也是承受弯曲产生的拉压应力。

总的说来，钢轨桩的受力状态还研究得很不够，如钢轨上外力的具体分布至今仍不十分清楚，有待进一步研究分析。

钢轨桩钢轨桩主要设计参数

钢轨桩抗滑力计算原则

如前所述，当岩体坚硬，滑动面很薄时，桩体受剪力较大，可考虑桩体是受剪切，但在一般情况下都是受弯曲的。在计算钢轨桩抗滑力时，一般可结合现场地质情况，有条件时进行现场桩体应力测试、模型试验等，得出桩体的应力状态，分析桩体的受力形式，进而确定按剪切或弯曲条件计算。例如，阜新海州露天煤矿的钢轨桩是按受弯曲来计算的。也有人将钢轨桩视为是弹性地基上的弹性地基梁用连杆法求解桩体内力。必须说明，钢轨桩的设计计算方法是不成熟的。在实际工程中，必须结合具体条件分析应用。

锚固深度和桩长

锚固深度即为桩埋人滑面以下稳定基岩中的深度，它应以桩体在滑坡推力作用下不被拔出以及在桩底不会产生新的滑面为条件。一般情况下，当滑床岩体较完整，强度较大时，锚固深度可取小些。阜新海州露天煤矿▽86站锚固深度取3～5m。

桩的锚固深度与桩在滑面以上的长度之和即为桩长。桩长应保证不会产生越过桩顶的滑坡。但在一般情况下为施工方便而易于钢轨定位，常使桩长能露出滑体表面。这样也为地面观测提供了方便条件。

桩距和排距

稳定一个滑体通常需没置许多桩。桩成排布置，而且常是双排或多排，排与排之间的桩位相互错开。

桩距取决于桩的总数和岩体强度。要防止软质土岩自桩间挤出，如滑坡推力较小，土岩强度又较大，则桩距可适当大些。

粘土岩易被水浸润而软化滑动，宜选用较大直径的钢轨桩或管桩。随桩径增大，柱后形成坚实的粘土岩楔(如图4所示)，它将阻止桩间岩土向桩外挤出。阻止岩体挤出的阻力为：

桩间岩体的稳定条件应满足：

由上式得：

双排或多排孔时排距一般近似取桩距。对于露天矿采场边坡，由于施工条件的限制，一般每个台阶设1～2排桩。

中间联结零件又称钢轨扣件。藉以紧固钢轨和机下部件的轨道配件。按轨枕种类分为木枕线路扣件和混凝土枕线路(其他类型混凝土机下部件线路)扣件两大类 。

钢轨钢轨伤损

钢轨伤损是指钢轨在使用过程中，发生折断、裂纹及其它影响和限制钢轨使用性能的伤损。

为便于统计和分析钢轨伤损，需对钢轨伤损进行分类。根据伤损在钢轨断面上的位置、伤损外貌及伤损原因等分为九类32种伤损，用两位数编号分类，十位数表示伤损的部位和状态，个位数表示造成伤损的原因。钢轨伤损分类具体内容可见“铁道工务技术手册（轨道）”。

钢轨折断是指有下列情况之一者：钢轨全截面至少断成两部分；裂缝已经贯通整个轨头截面或轨底截面；钢轨顶面上有长大于50mm、深大于10mm的掉块。钢轨折断直接威胁行车安全，应及时更换。钢轨裂纹是指除钢轨折断之外，钢轨部分材料发生分离，形成裂纹。

钢轨伤损种类很多，常见的有磨耗、剥离及轨头核伤、轨腰螺栓孔裂纹等。下面介绍几种常见的钢轨伤损情况。

钢轨钢轨磨耗

钢轨磨耗主要是指小半径曲线上钢轨的侧面磨耗和波浪磨耗。至于垂直磨耗一般情况下是正常的，随着轴重和通过总重的增加而增大。轨道几何形位设置不当，会使垂直磨耗速率加快，这是要防止的，可通过调整轨道几何尺寸解决。

(1)侧面磨耗

侧面磨耗发生在小半径曲线的外股钢轨上，是现在曲线上伤损的主要类型之一。列车在曲线上运行时，轮轨的磨擦与滑动是造成外轨侧磨的根本原因。列车通过小半径曲线时，通常会出现轮轨两点接触的情况，这时发生的侧磨最大。侧磨的大小可用导身力与冲击角的乘积，即磨耗因子来表示。改善列车通过曲线的条件，如采用磨耗型车轮踏面，采用径向转向架等会降低侧磨的速率。

从工务角度来讲，应改善钢轨材质，采用耐磨轨，例如高硬稀土轨其耐磨性是普通轨的2倍左右，淬火轨为1倍以上。

加强养护维修，设置合适的轨距、外轨超高及轨底坡，增加线路的弹性，在钢轨侧面涂油等，都可以减小侧面磨耗的效果。

(2)波浪形磨耗

波浪形磨耗是指钢轨顶面上出现的波浪状不均匀磨耗，实质上是波浪形压溃。波磨会引起很高的轮轨动力作用，加速机车车辆及轨道部件的损坏，增加养护维修费用；此外列车的剧烈振动，会使旅客不适，严重时还会威胁到行车安全；波磨也是噪音的来源。我国一些货运干线上，出现了严重的波磨。其发展速度比侧磨还快，成为换轨的主要原因。

波磨可以其波长分为短波（或称波纹）和长波（或称波浪）两种。波纹为波长约50~100mm，波幅0.1～0.4mm的周期性不平顺；长波为波长100mm以上，3000mm以下，波幅2mm以内的周期性不平顺。

波磨主要出现在重载运输线上，尤其是运煤运矿线上特别严重，在高速高客运线上也有不同程度的发生，城市地铁上也较普遍。列车速度较高的铁路上，主要发生波纹磨耗，且主要出现在直线和制动地段。在车速较低的重载运输线上主要发波浪磨耗，且一般出现在曲线地段。影响钢轨波磨发生发展的因素很多，涉及到钢轨材质、线路及机车辆条件等多个方面。世界各国都在致力于钢轨波形磨耗成因理论研究。关于波磨成因的理论有数十种，大致可分为两类：动力类成因理论和非动力类成因理论。总的来说，动力作用是钢轨波磨形成的外因，钢轨材质性能是波磨的内因。事实上单靠某一方面的分析来概括钢轨波磨的所有成因是相当困难的，而必须把车辆和轨道作为一个系统，研究多种振动形成，从整体上进行多方面、多学科的研究，才能把握波磨成因的全貌。

打磨钢轨是现在最有效的消除波磨的措施。除此还有以下一些措施可以减缓波磨的发展：用连续焊接法消除钢轨接头，提高轨道的平顺性；改进钢轨材质采用高强耐磨钢轨，提高热处理工艺质量，消除钢轨残余应力；提高轨道质量，改善轨道弹性，并使纵横向弹性连续均匀；保持曲线方向圆顺，超高设置合理，外轨工作边涂油；轮轨系统应有足够的阻力等。

(3)钢轨磨耗的允许限度

钢轨头部允许磨耗限度主要由强度和构造条件确定。即当钢轨磨耗达到允许限度里，一是还能保证钢轨有足够的强度和抗弯刚度；二是应保证在最不利情况下车轮缘不碰撞接头夹板。《铁路线路维修规则》中按钢轨头产磨耗程度的不同，分为轻伤和重伤两类。波磨轨耗谷深超过0.5mm为轻伤轨。

钢轨接触疲劳伤损

接触疲劳伤损的形成大致可分三个阶段：第一阶段是钢轨踏面外形的变化，如钢轨踏面出现不平顺，焊缝处出现鞍形磨损，这些不平顺将增大车轮对钢轨的冲击作用；第二阶段是轨头表面金属的破坏，由于轨头踏面金属的冷作硬化，使轨头工作面的硬度不断增长，通过总质量150~200Mt时，硬度可达HB360；此后，硬化层不再发生变化，对碳素钢轨来说，通过总质量200~250Mt时，在轨头表层形成微裂纹。对于弹性非均等的线路当车轮及钢轨肯有明显不平顺时，轨顶面所受之拉压力几乎相等，若存在微型纹，同时挠曲应力与残余应力同号，会极大的降低钢轨强度。第三阶段为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多次作用，当最大剪应力作用点超过剪切屈服极限时，会使该点成为塑性区域，车轮每次通过必将产生金属显微组织的滑移，通过一段时间的运营，这种滑移产生积累和聚集，最终导致疲劳裂纹的形成。随着轴载的提高、大运量的运输条件、钢轨材质及轨型的不适应，将加速接触疲劳裂纹的萌生和发展。

轨头工作边上圆角附近的剥离主要是由以下三个原因引起的：由夹杂物或接触剪应力引起纵向疲劳裂纹而导致剥离；导向轮在曲线外轨引起剪应力交变循环促使外轨轨头疲劳，导致剥离；车轮及轨道维修不良加速剥离的发展。通常剥离会造成缺口区的应力集中并影响行车的平顺性，增大动力冲击作用，又促使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，使钢轨塑性指标降低。

轨头核伤是最危险的一种伤损形式，会在列车作用下突然断裂，严重影响行车安全。轨头核伤产一的主要原因是轨头内部存在微小裂纹或缺陷（如非金属夹杂物及白点等），在重复动荷 载作用下，在钢轨走行面以下的轨头内部出现极为复杂的应力组合，使细不裂纹先是成核，然后向轨头四周发展，直到核伤周围的钢料不足以提供足够的抵抗，钢轨在毫元预兆的情况下猝然折断。所以钢轨内部材质的缺陷是形成核伤的内因，而外部荷载的作用是外因，促使核伤的发展。核伤的发展与运量、轴重及行车速度、线路平面状态有关。为确保行车的安全，对钢轨要定期探伤。

减缓钢轨接触疲劳伤损的措施有：净化轨钢，控制杂物的形态；采用淬火钢轨，发展优质重轨，改进轨钢力学性质；改革旧轨再用制度，合理使用钢轨；钢轨打磨；按轨钢材质分类铺轨等。