U75钢轨论文3.pdf

第 2 8 卷 第 6 期 2 0 0 7年 1 1 月 中 国 铁 道 科 学 CHI NA RAI LW AY S CI ENC E V0 1 2 8 No 6 No v e mb e r 2 0 0 7 文章编号 l O O l 一 4 6 3 2 2 0 0 7 0 6 0 0 1 9 0 6 在役 U 7 5 V和 U7 1 Mn钢轨伤损及其统计分 析方法 刘学文 田常海 邹定强 1 京沪铁路客运专线公司筹备组 北京1 0 0 0 3 8 2 铁道科学研究院 金属及化学研究所 北京1 0 0 0 8 1 摘要 利用获得的年钢轨伤损量与对应累计通过总重和每 日记录的钢轨伤损量与对应的累计通过总重的 数据 研究钢轨发生伤损的特点并进行误差分析 结果表明 在累计通过总重较大时 钢轨累计伤损量与累计 通过总重服从二次函数拟合关系 其导数表示钢轨重伤速率 是累积通过总重的一次函数 钢轨重伤量不会有 突变点 拐点 不会迅速进入到疲劳状态 但随累积通过总重的增加呈二次方增加 应用二次函数拟合累计伤 损量与累计通过总重的方法推导出钢轨伤损的拟合公式 据此可获得具体线路对应一定通过总重下的钢轨伤损 量 关键词 钢轨伤损 伤损规律 加权统计 U7 5 V U7 1 Mn 中图分类号 U2 1 6 4 2 4 文献标识码 A 影响钢轨使用寿命的因素很多 如线路通过总 重 伤损程度 钢种 轴重 机 车类 型及 运行 速 度 轨下基础类型 道床板结程度 线路平纵面以 及线路的维修和养护情况等 有些 因素可以精确计 算 但很多因素具有模糊性 很难用 1 个包含上述 因素的公式计算钢轨的合理使用期 限 而且经轧制 的钢轨并 非各 向同性 含有 夹杂物 具有初始 缺 陷 实践表明 1 钢轨伤损量与累计通过总重之 间符合一定的拟合关系 文献 1 叙述了原苏联学者提出的钢轨累计 伤损量与相应通过总重服从指数 函数 关 系 文献 2 统计了我国钢轨伤损数据 认为钢轨累计伤损 量与累计通过总重服从二次函数关系 我们利用一 些工务段提供的 日记录钢轨伤损量与相应通过总重 的数据 研究利用年钢轨累计伤损量与通过总重数 据获得伤损关系及其误差 为了比较不同钢种钢轨 的使用效果和伤损情况 必须获得相近的运输和设 备条件下及相同通过总重下钢轨伤损量数据 而这 些数据的获得是建立 在可靠统计方法之 上的 为 此 本文提出了钢轨加权伤损统计方法 并在此基 础上给出u7 5 V和 U 7 1 Mn 钢轨加权伤损数据及其 方程 1 在役钢轨累计伤损量与累计通过总 重的拟合公式 钢轨使用 1 个大修周期需经历较长时间 大多 数工务段只统计或保 留年钢轨的伤损统计数据 而 不长期保存钢轨伤损发生的具体时间 研究大修周 期内钢轨的伤损规律 必须对钢轨的伤损情况进行 统计分析 研究钢轨 的伤损量与通过总重的关系 分析利用年钢轨伤损量与累计通过总重数据和应用 日记录的钢轨伤损量与相应通过总重数据 获得钢 轨累计伤损量与累计通过总重数据的误差 北京铁 路局沧州工务段和上海铁路局蚌埠工务段提供了钢 轨大修周期内每日 钢轨伤损记录 表 1 和表 2 分别 为津浦线下行 K3 0 一K1 3 0以及津浦线上行 K8 4 3 K9 8 6直线区段 在役钢轨在指定 累计通过总重下 伤损量的指数函数和二次函数拟合值及其误差 分析表 1和表 2可以看出 在累计通过总重较 小时 指数函数拟合值 与真实值 的误差较二次函数 拟合小 在累计通过总重较大时 指数 函数拟合值 与真实值的误差较二次函数拟合大 利用年钢轨伤 损量和通过总重数据获得的拟合值与利用每 日记录 的钢轨伤损量和通过总重数据拟合值与实际伤损量 的误差基本相同 并且在二次函数拟合和累计通过 收稿 日期 2 0 0 7 0 4 0 3 修订 日期 2 0 0 7 0 8 0 8 基金项 目 国家 自然科学基 金资助项 目 5 0 2 7 1 0 4 8 铁道部科技研究开发计划项 目 2 o o 2 G o 1 9 作者简介 刘学文 1 9 6 2 一 男 辽宁阜新人 研究员 维普资讯 2 0 中国铁道科学 第 2 8卷 表 1 在役钢轨伤损量与累计通过总重指数函数拟合及其误差 表 2 在役钢轨伤损量与累计通过总重二次函数拟合及其误差 维普资讯 第 6 期 在役 U7 5 V和 U7 1 Mn钢轨伤损及其统计分析方法 2 1 总重大于 3 0 0 Mt 情况下二者之间的相对误差较小 图 1和图 2分别为北京局沧州工务段提供 的津 浦线下行 K3 0 K8 0和 K8 0 KI 3 0直线 区段伤损 量与累计通过总重及其二次函数 回归曲线 从 图 1 和图 2 看出 利用年钢轨伤损量与累计通过总重数 据点获得的回归曲线 在钢轨伤损的开始阶段 通 过总重小于 1 4 0 Mt 与数据点的误差较应用每 日 记录的伤损数据与累计通过总重数据点回归曲线 的 误差小 在累计通过 总重超过 3 0 0 Mt 后 2个 回归 曲线 在 相 同 通 过 总 重 下 的最 大 相 对 误 差 小 于 4 8 所 以可以利用年钢轨 伤损量与累计通过 总 重数据点统计分析钢轨伤损数据 互 3 o 蝈2 0 1 O O 每 日记录累计钢轨伤 员量与 对应累计通过总重数据点 每年记录累计钢轨伤损量 与累计通过总重数据点 一 每 日记录累计钢轨伤损量 与对应累计通过总重数据 点 的回归 曲线 一 每年记录累计钢轨伤损量 与对应累计通过总重数据 点的 回归曲线 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 累计通过总重 Mt 图 1 津浦线 K3 0 K8 0直线区段伤损量与累计通过总重 及其回归曲线 互 翻 2 O l O O 每 日记录累计伤损量与对 应累计通过总重数据点 每年记录累计钢轨伤损量 与累计通过总重数据点 每 日记录累计钢轨伤损量 与累计通过总 重数据点 的 回归曲线 一每年记录累计钢轨伤损量 与累计通过总重数据点的 回归 曲线 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 累计通过总量 Mr 图2 津浦线 K 8 0 K1 3 0 直线区段伤损量与累计通过总重 及其回归曲线 图 3为津浦线上行 K8 4 3 K 9 8 6 直线区段伤损 量与累计通过总重及其二次函数和指数函数 回归曲 线 由于线路及时养护维修 养护维修后线路平纵 面条件得到恢 复 使得年钢轨伤损量减少 因此 由于有时钢轨累计伤损量与累计通过总重的回归曲 线会呈抛物线开 口向下的二次函数左半支分布 所 以应用指数函数拟合累计伤损量与累计通过总重的 关系会产生较大误差 由于钢轨使用和管理部门更 希望在通过总重较大时获得钢轨伤损 量的准确数 据 所 以二次函数拟合累计伤损量与累计通过总重 的方法较指数函数拟合方法具有适用性大 拟合数 据准确和误差小 的特点 1 O 0 8 耋 一6 爨o O 2 O 7 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 累计通过总重 Mr 图 3 津浦线上行 K8 4 3 K9 8 6直线区段伤损量与累计通 过总重及其回归曲线 2 在役钢轨加权伤损统计方法及其误 差分析 对在役 6 O k g m 钢轨使用现状及伤损类型 的调查与分析主要集 中于 四大铁路 干线 和山区铁 路 调查所属的路局 里程 钢种和设备情况及线 路运输情况见文献 I 3 1 由于调查 区段铺设钢轨长度不同 统计钢轨伤 损数据又较为分散 为 了比较不 同钢种钢轨的单位 长度伤损数量 将调查区段长度作为权进行钢轨伤 损量统计分析 参照曲线超高平均速度的计算方 法 采用加权方法计算钢轨的伤损量 设调查线路 长度为 L 对应钢轨伤损量为 D 钢轨加权伤损 量为 D 则 D 对式 1 进行运算 可获得钢轨加权伤损量变化量 AD和相对误差 D D D 一 D D 1 L 2 D A D 2 L L iD Zi 1 L D D 厶 u L L D 2 1 L D A D L L L D L ID 维普资讯 2 2 中国铁道科学 第 2 8 卷 L D A D L D 3 应用表 1 表 2和式 1 一式 3 计算 出津浦线 下行 K 3 0 一K1 3 0及上行 K 8 4 3 一K9 8 6直线 区段钢 轨加权伤损量统计误 差 结果 列于表 3 由此可 见 应用年累计伤损量与通过总重二次函数回归方 法 在通过总重等于大于 3 0 0 Mt 后获得的钢轨加 权伤损量的相对误差小于 8 表3 津浦线下行 K 3 0 K1 3 0及津浦上行 K 8 4 3 K9 8 6直 线区段钢轨加权伤损量统计误差 3 在役 U7 5 V和 U7 1 Mn钢轨加权伤 损统计分析 钢轨的伤损情况主要取决于钢轨质量 使用条 件及维修养护状况 在使用条件及维修养护状况基 本相同时 钢轨的伤损情况主要取决于钢轨质量 而钢轨质量主要取决于其化学成分和生产工艺 为 了控制钢轨生产质量 铁道部制定了钢轨订货技术 条件 对钢轨的化学成分和冶金质量等提出明确 要求 标准规定的化学成分和拉伸性能指标见表 4 和表 5 从 钢 轨 化 学 成 分 和 拉 伸 性 能 指 标 看 U7 5 V钢轨 的使用效果优于 U7 1 Mn钢轨 应用二次函数拟合累计伤损量与累计通过总重 的方法 获得钢轨伤损的拟合公式 在此基础上 可以获得具体线路上指定通过总重下钢轨累计伤损 量 从而进行伤损量统计工作 按上述方法对文献 E 3 3中的一些使用条件和维修养护相近线路上的钢 轨伤损数据进行加权伤损量统计 给出上海铁路局 管内无缝线路钢轨加权伤损量与累计通过总重数据 及关系曲线 见表 6和图 4 统计结果表明 在调 查路段直线长度 或曲线半径大于 2 0 0 0 m 大于 2 0 k m后 通过总重为 7 0 0 Mt 时 U7 5 V钢轨伤 损量在 1 2 5 1 3 1 处 k m 范围内 调查区段愈 长 统计数据分布愈收敛 调查长度愈小数据愈分 散 表 4 标准规定的U T 1 Mn和 U 7 5 V钢轨化学成分 表5 标准要求规定的 U 7 1 Mn和 U 7 5 V钢轨拉伸性能 采用本文提出的统计方法获得上海铁路局管 内 线路上钢轨 累计加权伤损量与 累计通过 总重的关 系 可用式 4 和式 5 描述 无缝线路 U7 1 Mn钢轨加权伤损量与累积通过 总重拟合关系式 表 6 上海铁路局无缝线路钢轨加权伤损量与通过总重 维普资讯 第 6期 在役 U7 5 V和 U7 1 Mn钢轨伤损及其统计分析方法 交3 棚2 蟋1 嚣0 一u 衢v 伤 损数据点 穗 U7 1 Mn 伤损数据点 多项式 U 7 5 V 伤 损数据 点 U7 5 V钢轨在通过总重 8 0 0 Mt 时的伤损量为 1 6 8 处 k m 多项式 4 U 7 1 M n 结论 一 多 项 式 伤 百 匕 损数据点 40 0 8 0 0 1 2 0 0 通过总量 Mt 图4 上海铁路局无缝线路钢轨加权伤损量与通过总重 Y 一 3 1 5 2 1 0 6 T2 1 5 8 6 1 0 T 2 9 8 3 1 0 一 4 无缝线路 U7 5 V P D3 钢轨加权伤损量 与累 积通过总重拟合关系式 y一 3 5 4 1 0 6 T 2 1 0 3 2 1 O 丁 2 4 0 8 1 0 5 式 中 丁为累积通 过总重 Mt Y为 累积加权伤 损量 处 k m 或根 k m叫 尽管 u7 5 V钢轨在个别路段单位长度伤损量 大于 U7 1 Mn钢轨伤损量 但加权统计结果表 明 在相同通过总重下 U7 5 V 钢轨 的伤损量 明显少于 U7 1 Mn钢轨 这与 U7 5 V 和 U7 1 Mn钢 轨的化学 成分及其性能密切相关 对于无缝线路 在上海铁 路局 管 内线路上通 过总重 为 7 0 0 Mt时 U7 1 Mn 钢 轨 的伤 损量 为 1 9 5 处 k m 一 其 值 超 过 了 分析钢轨伤损量与通过总重的拟合关系式 提 出钢轨伤损量的加权统计方法 并推导和计算了该 方法 的 相对 误差 获 得 了上 海铁 路 局 管 内在 役 U7 5 V 和 U7 1 Mn钢轨的加权伤损量及其方程 通 过上述工作得到如下主要结论 1 钢轨累计 伤损量与累计通过总重服从二次 函数拟合关系 其导数表示钢轨重伤速率是累积通 过总重 的一次函数 钢轨重伤量不会有突变点 拐 点 不会迅速进入到疲劳状态 但随累积通过总 重的增加而以平方方式增大 2 二次函数拟合结果表 明 累计通过总重较 大情况下 拟合的相对误差较小 3 加权统计结果 表明 在相 同通过总 重下 U7 5 V钢轨的伤损量明显少于 U7 1 Mn钢轨 4 对于无缝线路 在上海铁路局管内线路上 通过 总 重 为 7 0 0 Mt时 U7 1 Mn钢 轨 伤损 量 为 1 9 5 处 k m矗 其值超过 了 U7 5 V钢轨在通过总 重 8 0 0 Mt 时的伤损量 1 6 8处 k m矗 参 考 文 献 1 颜秉善 王其昌 钢轨力学与钢轨伤损 M 成都 西南交通大学出版社 1 9 8 9 YA N B i n g s h a n WA NG Qi c h a n g R a i l Me c h a n i c s a n d F a i l u r e M C h e n g d u P r e s s o f S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y 1 9 8 9 i n Ch i n e s e 2 李 日日 沿海繁忙重载干线 5 0 k g m 钢轨线路大修周期 r j 中国铁道科学 1 9 8 9 1 0 1 5 4 6 8 L I R i y u e 5 0 k g m R a i l Tr a c k Re n e w a l C y c l e o n t h e C h i n e s e B u s y a n d He a v y Ha u l L i n e s i n C o a s t R e g i o n E J Ch i n a Ra i l wa y S c i e n c e 1 9 8 9 1 0 1 5 4 6 8 i n Ch i n e s e 3 刘学文 田常海 邹定强 等 提速线路钢轨大修周期的研究 R 北京 铁道科学研究院金属及化学研究所 20 0 4 L I U Xu e we n T I A N C h a n g h a i Z OU D i n g q i a n g e t a 1 S t u d y o n Ma j o r R e p a i r C y c l e s o f R a i l s o f S p e e d R a i s i n g Rai l wa y L i n e s F R B e ij i ng Me t a l s C h e mi s t r y Re s e a r c h I n s t i t u t e C h i n a Ac a d e my o f Rai l w a y Sci e n c e s 2 0 0 4 i n Ch i n e s e 4 中华人民共和国铁道部 TB T 2 3 4 4 2 0 0 3 4 3 7 5 k g m一 热轧钢轨订货技术条件 S 北京 中华人民共和 国铁道部 2 0 0 3 Mi n i s t r y o f Ra i l wa y s o f t h e Pe o p l e s Re p u b l i c o f C hi n a TB T 2 3 4 4 2 0 0 3 Te c h n i c a l S p e c i f i c a t i o n s f o r Th e P r o c u r e me n t o f 4 3 7 5 k g m a s R o l l e d R a i l s I s 3 B e ll i ng Mi n i s t r y o f Ra i l wa y s o f t h e P e o p l e s Re p u b l i c o f C h i n a 2 0 0 3 i n Ch i n e s e 维普资讯 中国铁道科学 第 2 8 卷 Fa i l u r e Ru l e a n d S t a t i s t i c a l An a l y s i s M e t h o d f o r U7 5 V a n d U71 M n Ra i l i n S e r v i c e LI U Xu e we n TI AN Ch a n g h a i Z OU Di n g q i a n g 1 P r e p a r a t o r y T e a m J i n g h u R a i l w a y P a s s e n g e r D e d i c a t e d L i n e C o mp a n y B e ij i ng 1 0 0 0 3 8 C h i n a 2 Me t a l s a n d Ch e mi s t r y Re s e a r c h I n s t i t u t e Ch i n a Ac a d e my o f Ra i l wa y S c i e n c e s Be i j i n g 1 0 0 0 8 1 Ch i na Ab s t r a c t Th e c h a r a c t e r i s t i c s o f r a i l f a i l u r e i s i n v e s t i g a t e d a n d e r r o r a n a l y s i s i s c a r r i e d t h r o u g h b y u s i n g t h e o b t a i n e d a n n u a l r a i l f a i l u r e c a p a c i t y a n d c o r r e s p o n d i n g a c c u mu l a t i v e p a s s i n g g r o s s we i g h t a s we l l a s d a i l y d a t a o f r a i l f a i l u r e c a p a c i t y Re s u l t s s h o w t h a t t h e r a i l a c c u mu l a t i v e f a i l u r e c a p a c i t y a n d t h e a c c u mu l a t i v e p a s s i n g g r o s s we i g h t f i t we l l wi t h s q u a r e f u n c t i o n r e l a t i o n s h i p wh e n t h e a c c u mu l a t i v e p a s s i n g g r o s s we i g h t i s g r e a t e r I t s d e r i v a t i v e r e p r e s e n t s t h e r a i l s e v e r e d e f e c t r a t e s wh i c h i s a l i n e a r f u n c t i o n o f t h e a c c u mu l a t i v e p a s s i n g g r o s s we i g h t Th e r e i s n o b r e a k i n f l e c t i o n p o i n t o n t h e r a i l s e v e r e d e f e c t c a p a c i t y c u r v e a n d wi l l n o t r a p i d l y a c h i e v e t h e f a t i g u e s t a g e Bu t i t p e r f o r ms t h e s q u a r e p o we r i n c r e a s i n g wi t h t h e i n c r e a s e o f a c c u mu l a t i v e p a s s i n g g r o s s we i g h t Th e me t h o d o f s q u a r e f u n c t i o n f i t t h e r e l a t i o n s h i p o f a c c u mu l a t i v e f a i l u r e c a p a c i t y a n d a c c u mu l a t i v e p a s s i n g g r o s s we i g h t i s a p p l i e d t o d e d u c e t h e f o r mu l a o f r a i l f a i l u r e c a p a c i t y Ba s e d o n t h e s e t h e r a i l f a i l u r e