呂玉梅　 李冬霞　 李世波

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　 河北石家莊　050043）

山區(qū)重載小半徑曲線鋼軌磨耗試驗(yàn)研究

呂玉梅 李冬霞 李世波

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北石家莊050043）

朔黃鐵路橫跨晉、冀兩省，穿越呂梁、太行兩大山區(qū)，沿滹沱河谷地向東走行，沿線地形復(fù)雜，鐵路路基高填深挖、橋隧相連、曲線多、半徑小、坡度大。以往山區(qū)的線路上大多是存在很多接頭的普通線路，接頭維修與養(yǎng)護(hù)成本很高。所以在山區(qū)鐵路中取消鋼軌接頭，鋪設(shè)無縫線路，對(duì)于節(jié)約成本，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量具有重要意義。朔黃線鐵路從2005年5月嘗試鋪設(shè)無縫線路，雖然降低了接頭的成本，但是隨之而來的小半徑曲線地段鋼軌病害發(fā)展嚴(yán)重。對(duì)朔黃鐵路無縫線路的病害進(jìn)行了觀察、檢測以及試處理實(shí)驗(yàn)研究。

無縫線路 鋼軌磨耗 小半徑曲線 試驗(yàn)分析

1　發(fā)展現(xiàn)狀

中國鐵路“十二五”規(guī)劃要求，推進(jìn)區(qū)際干線、煤運(yùn)通道、西部鐵路等建設(shè)，加強(qiáng)煤炭運(yùn)輸通道建設(shè)。在繁忙干線實(shí)現(xiàn)客貨分線基礎(chǔ)上，加快區(qū)際干線新線建設(shè)和既有線擴(kuò)能改造，強(qiáng)化煤炭運(yùn)輸?shù)戎剌d貨運(yùn)通道。堅(jiān)持新線建設(shè)與既有線改造并舉，加快建設(shè)晉、蒙、陜、甘、寧地區(qū)至華東、華中等地區(qū)煤炭運(yùn)輸通道，強(qiáng)化蒙東與東北地區(qū)煤運(yùn)通道，加快推進(jìn)新疆地區(qū)煤炭外運(yùn)通道建設(shè)。加強(qiáng)煤炭集疏運(yùn)系統(tǒng)的優(yōu)化完善。

強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備現(xiàn)代化水平。加強(qiáng)對(duì)既有線橋隧等基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的加固與改造，提高抵御災(zāi)害、保障運(yùn)輸安全能力。全面推廣跨區(qū)間無縫線路。建立完善高鐵設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修設(shè)施，實(shí)現(xiàn)大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)和檢測能力全覆蓋。加快推廣供電綜合監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集及節(jié)能降耗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化和運(yùn)行管理智能化，提升供電裝備現(xiàn)代化水平。

目前國內(nèi)外新建的高速鐵路都是無縫線路，在重載貨運(yùn)鐵路，尤其是山區(qū)小半徑曲線上跨區(qū)間無縫線路的應(yīng)用都處于剛發(fā)展階段。山區(qū)鐵路大多都是小半徑曲線，鋼軌運(yùn)營環(huán)境惡劣，坡度大，隧道多，同時(shí)由于小半徑曲線的影響，所以目前山區(qū)鐵路大多存在大量的鋼軌接頭，還是普通線路。軌道幾何形位變化快，接頭處輪軌動(dòng)力作用大，直接導(dǎo)致接頭的養(yǎng)護(hù)維修工作量大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于山區(qū)普通線路，接頭投入費(fèi)用約占維修成本的30 %，而養(yǎng)護(hù)工作量約占養(yǎng)護(hù)工作總量的40 %。

無縫線路是用焊接長軌條鋪設(shè)的軌道，因?yàn)殚L軌條沒有軌縫而得名。據(jù)有關(guān)部門方面統(tǒng)計(jì)，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(fèi)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(dòng)及噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國鐵路已焊接鋪設(shè)了4 萬多公里的無縫線路，約數(shù)千萬個(gè)接頭。1999 年初，在上海至南京間的鐵路上，焊接鋪設(shè)了1根長104.6公里的超長鋼軌，表明我國鐵路無縫線路已進(jìn)入了一個(gè)新階段。目前在我國很多山區(qū)鐵路小半徑曲線地段都已經(jīng)開始鋪設(shè)無縫線路，已經(jīng)突破了300m曲線半徑無縫線路的技術(shù)難題。無縫線路是鐵路軌道現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

朔黃鐵路西起山西省神池南站，終到河北省黃驊港口站，全長592.0 km，是我國西煤東運(yùn)的第二條主干線。橫跨晉、冀兩省，穿越呂梁、太行兩大山區(qū)，沿滹沱河谷地向東走行，沿線地形復(fù)雜，高填深挖、橋隧相連、曲線多、半徑小、坡度大是其特點(diǎn)。軌道結(jié)構(gòu)：朔黃鐵路為國家Ⅰ級(jí)干線。本線新建時(shí)為60kg/m、U71mn、25.0m標(biāo)準(zhǔn)軌（強(qiáng)度為880MPa），Ⅱ型鋼筋混凝土軌枕，配置1840根/公里；Ⅰ型彈條扣件，Ⅱ級(jí)碎石道床，厚550mm（墊層200mm、碎石面碴350 mm）、頂寬3.1m、邊坡1：1.75。后將上行重車線更換為75kg/m鋼軌區(qū)間和跨區(qū)間無縫線路。

75kg/m軌上道后，運(yùn)營半年的時(shí)間開始發(fā)現(xiàn)少部分小半徑曲線下股鋼軌踏面表層出現(xiàn)裂紋紋路（通過總重約5000萬噸·公里/公里），爾后逐漸發(fā)展出現(xiàn)輕微的魚鱗狀剝落掉塊（通過總重為6500萬噸·公里/公里）。不到3個(gè)月的時(shí)間，已發(fā)現(xiàn)有30個(gè)曲線計(jì)4.571km鋼軌出現(xiàn)大范圍的剝落掉塊，而且發(fā)展趨向嚴(yán)重，發(fā)展速度較快。因此，減少運(yùn)營鐵路對(duì)曲線鋼軌的磨耗，延長鋼軌的使用壽命，在保證安全運(yùn)營的基礎(chǔ)上降低成本支出，是急待解決的問題。

2　試驗(yàn)研究分析

2.1病害情況

（1）裂紋剝離掉塊

裂紋剝離掉塊這一病害的發(fā)生和發(fā)展主要在曲線上，先下股后上股鋼軌。只是發(fā)生的時(shí)間不同、發(fā)展的速度不同，伴隨曲線半徑不同而有差異。曲線半徑越小，發(fā)生的早、發(fā)展速度快；曲線半徑越大發(fā)生的就較晚。一旦出現(xiàn)裂紋和輕微掉塊后發(fā)展速度基本相同。直線也出現(xiàn)裂紋但未發(fā)生掉塊。其發(fā)展軌跡為：裂紋、掉塊，掉塊發(fā)展到嚴(yán)重程度時(shí)，目視裂紋較深，出現(xiàn)連續(xù)、面積較大的掉塊，有似“齜牙咧嘴”的感覺，看上去十分嚴(yán)重，這時(shí)也可以說剝離掉塊達(dá)到了高峰，從此不再繼續(xù)惡性發(fā)展。即趨向回頭，裂紋不再張合，而呈壓平、壓緊狀態(tài)，掉塊也減少或停止。在車輪的碾壓磨耗下，目視軌面無裂紋或掉塊現(xiàn)象，表面比較平整。但在此情況的掩蓋下，其實(shí)裂紋并未消失。曲線上股的發(fā)生與發(fā)展與下股等同，只是晚于下股出現(xiàn)。如下圖1。

圖1　裂紋、掉塊照片

（2）上股鋼軌輪軌接觸角掉塊

曲線上股鋼軌在輪軌接觸角發(fā)生掉塊主要在R-400m的曲線上和個(gè)別R-500 m的曲線上，這些曲線的特點(diǎn)是側(cè)磨均較少；通過總重已達(dá)3.5億噸。而側(cè)磨基本上在2～5 mm間，鋼軌接觸疲勞處未能及時(shí)被磨掉，必將向深處發(fā)展，形成掉塊。起始掉塊較少、較小，逐漸發(fā)展成大的掉塊或連續(xù)掉塊達(dá)到重傷下線。

（3）曲線鋼軌磨耗

上行重車線計(jì)有R≤1000 m的曲線137個(gè)/77659 m。均有不同程度側(cè)磨。側(cè)磨比較大的集中在R-500m、R-600m的曲線上，到目前側(cè)磨8mm及以上的曲線86個(gè)，側(cè)磨10mm及以上的曲線69個(gè)。分別為：R-。個(gè)、R-500 m28個(gè)、R-600m23個(gè)、R-650m1個(gè)、R-700m2個(gè)、R-800m8個(gè)、R-1000m6個(gè)。

側(cè)磨接近或已達(dá)重傷標(biāo)準(zhǔn)，已進(jìn)行了更換鋼軌的曲線有19個(gè)/14km。側(cè)磨普遍在16～21mm之間。通過總重平均每百萬噸側(cè)磨在0.06～0.08mm間。

小半徑曲線的側(cè)磨已成為鋼軌使用壽命的關(guān)鍵所在，就75kg/m鋼軌目前的使用情況看，在通過總重達(dá)2.7～3.5億噸時(shí)側(cè)磨即接近或達(dá)到重傷標(biāo)準(zhǔn)，需更換下線，對(duì)應(yīng)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的大修周期9億噸時(shí)，一個(gè)大修周期中間還需要進(jìn)行兩次更換鋼軌，才能與大修周期相匹配。

2.2試驗(yàn)方法

2.2.1鋼軌打磨

借鑒國內(nèi)外鋼軌打磨經(jīng)驗(yàn)，朔黃重載鐵路新軌上道后，早期預(yù)防性打磨時(shí)機(jī)已過，但采取打磨仍有必要。安排鋼軌打磨并進(jìn)行試驗(yàn)。如圖2所示。

圖2　打磨前后鋼軌磨耗對(duì)比

（1）安排管內(nèi)上行線打磨鋼軌97.7km即1+500～75+00，140+00～164+00，其中預(yù)防性打磨68.736km，修理性打磨29.164km。預(yù)防性打磨為3遍，維修性打磨為6～23遍。

（2）預(yù)防性打磨重點(diǎn)觀測地段：

R－400m

①K3+975～K4+363. L－385m l－120m h－85mm i=-9.5‰

②K4+416～K4+654. L－233ml－90m h－80mm i=-9.5‰

R－500m

③K6+700～K6+967. L－260m l－100mh－90mmi=-8.0‰

④K53+815～K54+180. L－366m l－110mh－90 mm i=-11.0‰

R－600m

⑤K69+781～K70+252. L－471ml－110mh－75mm i=-10.9‰

（3）修理性打磨重點(diǎn)觀測地段：

R－400m

①K16+774～K17+743. L－696m l－90m h－110mm i=-5.0‰

R－500m

②K38+431～K40+404. L－1973m l－100m h－90mm i=-9.4‰

③K54+314～K54+984. L－669m l－110m h－90 mm i=-10.5‰

R－600m

④K44+569～K45+320. L－751m l－140m h－75mmi=-10.0‰

（4）在一個(gè)曲線內(nèi)，1/2修理性打磨、1/2預(yù)防性打磨重點(diǎn)觀測地段：

R－500m

①K74+640～K75+059. L－419m l－100m h－90 mmi=-11.1‰

R－600m

②K70+627～K71+381. L－754m l－140mh－75mm i=-10.8‰

（5）直線不進(jìn)行鋼軌打磨試驗(yàn)觀測地段：

①大坡道地段：75km～77km .長2000m. i=-12.0‰

②小坡道地段：89km～91km.長2000m. i=0～+3.0 ‰

2.2.2使用不同強(qiáng)度鋼軌試驗(yàn)觀測

試驗(yàn)地段：K86+214～K86+827曲線。R－500m L－613m l－110mh－90mmi=-7.0‰計(jì)劃在圓曲線部分K86+433～533. 長100m，更換為U75V全長熱處理鋼軌，強(qiáng)度為1180MPa（HB-370）及k86+533-633，長100m，更換為普通U75V鋼軌，強(qiáng)度為980Mpa（U75V），其余保留現(xiàn)狀，定點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)、分析。

2.2.3對(duì)列車運(yùn)行及操作情況調(diào)查分析

從機(jī)輛分公司下載有關(guān)運(yùn)行資料，通過資料的對(duì)比、整理、分析，掌握各機(jī)車在朔黃線上運(yùn)行時(shí)的行車速度、制動(dòng)地點(diǎn)、操作狀況等，再與現(xiàn)場實(shí)際鋼軌傷損程度進(jìn)行對(duì)照分析，尋找規(guī)律。

2.2.4合理調(diào)整曲線超高的試驗(yàn)

使曲線上下股鋼軌的受力盡量達(dá)到均衡，超高的設(shè)置是關(guān)鍵，通過現(xiàn)場實(shí)測平均速度設(shè)置超高滿足需要，對(duì)下列地點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)：

R－400m

①K18+310～K18+625，L－342m，l－90m，h－110mm，i=-9.0‰，現(xiàn)設(shè)超高為110mm，經(jīng)測速之后計(jì)算應(yīng)設(shè)超高為95mm，擬調(diào)整欠超高設(shè)85mm，進(jìn)行觀測。

R－500m

②K62+172～K62+735，L－563m，l－120m，h－90mm，i=-10.0‰，現(xiàn)設(shè)超高為90mm,符合行車速度，不進(jìn)行調(diào)整繼續(xù)觀測。

R－600m

③K141+975～K142+688，L－713m，l－120m，h－150mm，i=-7.0‰，計(jì)算應(yīng)設(shè)超高為75mm，現(xiàn)設(shè)超高150 mm（寬軌枕地段），為過超高繼續(xù)觀測。

2.2.5調(diào)整軌距值，進(jìn)行對(duì)比觀測，試驗(yàn)地點(diǎn)在94km處

R－500m

K94+463～K95+025，L－562m，l－130m，h－90mm，i=+3.4‰，現(xiàn)設(shè)軌距為1435mm，擬加寬5mm，改為軌距1440mm，進(jìn)行觀測。

2.2.6進(jìn)行曲線涂油試驗(yàn)觀測

通過對(duì)曲線涂覆油脂及固體潤滑劑觀測涂與不涂、涂油脂與涂固體潤滑劑的效果對(duì)比，確定今后涂覆采用標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)地點(diǎn)如下：

R－500m

①K86+214～K86+827，L－613m，l－110m，h－90mm，i=-7‰，在曲線行車方向前半部涂覆固體潤滑劑，后半部不涂，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

R－700m

②K95+643～K96+064，L－423m，l－90m，h－70，i=-1.0‰，全曲線涂覆固體潤滑劑。

R－800m

③K95+178～K95+533，L－356m，l－120m，h－70，i=+1.0‰，在曲線行車方向前半部涂油脂，后半部不涂，進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行人工涂覆。

2.2.7對(duì)線路不同強(qiáng)度鋼軌傷損程度進(jìn)行化驗(yàn)

選定86km，R－500m的曲線下股剝離掉塊嚴(yán)重、一般、較輕，三段從線路上換下，及未上道的一段素軌、一段熱處理軌，共5根，長各為60cm短軌送到鐵科院進(jìn)行化驗(yàn)。對(duì)淬火質(zhì)量、分層硬度、化學(xué)成分、及兩種鋼軌的金相組織進(jìn)行化驗(yàn)。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

（1）對(duì)線路不同強(qiáng)度鋼軌傷損程度進(jìn)行化驗(yàn)，經(jīng)分析結(jié)論如下：

①經(jīng)檢驗(yàn)，U75V熱軋鋼軌母材組織和硬度均合格。

②所檢的由呼和浩特焊軌段進(jìn)行淬火處理的75kg/m U75V淬火鋼軌，淬火層深度以及橫斷面硬度均未滿足TB/T2635-2004規(guī)定的要求。

③下股鋼軌踏面中心裂紋深度在1.3mm左右，并顯現(xiàn)不同程度的剝離掉塊。這是在較大的外力作用下發(fā)生的一種輪面滾動(dòng)接觸疲勞傷。裂紋萌生于鋼軌軌頭表面塑性流變層內(nèi)，裂紋起始的發(fā)展與列車運(yùn)行方向成一定銳角，出流變層后基本以垂直方向朝軌頭內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致剝離掉塊。

④所檢的熱處理鋼軌在下股出現(xiàn)較為嚴(yán)重的早期剝離掉塊可能與其硬度分布特征有關(guān)。

（2）不同強(qiáng)度的鋼軌進(jìn)行試驗(yàn)

不同強(qiáng)度的鋼軌進(jìn)行試驗(yàn)，從監(jiān)測到的發(fā)展情況是：鋪設(shè)后約10天左右（通過總重約為435萬噸·公里/公里）；淬火軌開始出現(xiàn)微小裂紋，普通軌正常；約1個(gè)月左右（通過總重約為838.2萬噸·公里/公里），淬火軌裂紋發(fā)展亦較為明顯，普通軌仍使用正常；運(yùn)營50天左右（通過總重約為2250萬噸·公里/公里）淬火軌裂紋仍在發(fā)展，個(gè)別處所有小的掉塊。而普通軌也出現(xiàn)裂紋且發(fā)展較快；運(yùn)營2個(gè)月（通過總重約為2817.3萬噸·公里/公里），淬火軌、普通軌裂紋都在繼續(xù)發(fā)展，而普通軌發(fā)展的較快并向嚴(yán)重的方向發(fā)展；運(yùn)營約4個(gè)月（通過總重約為4988.7萬噸·公里/公里），其發(fā)展情況，普通軌較淬火軌稍重，而呈現(xiàn)鋼軌踏面向外推壓外出的現(xiàn)象；運(yùn)營約5個(gè)月（通過總重約為7185.5萬噸·公里/公里）淬火軌明顯發(fā)生掉塊；運(yùn)營約8個(gè)月（通過總重約為11314.3萬噸·公里/公里），淬火軌掉塊已很嚴(yán)重，達(dá)到了高峰，此后逐漸回緩；普通軌一直未發(fā)生較重的剝離掉塊，只有壓寬的現(xiàn)象。見下圖3。

（3）其它試驗(yàn)檢測

其它試驗(yàn)檢測調(diào)整超高、加寬軌距、鋼軌打磨、涂油等措施后，其裂紋、剝離掉塊的發(fā)展情況均無大的差異。

圖3　淬火鋼軌　普通鋼軌

3　總結(jié)

通過對(duì)朔黃鐵路無縫線路的病害觀察、檢測以及試處理試驗(yàn)研究，我們對(duì)影響鋼軌磨耗的主要原因進(jìn)行了分析總結(jié)。大概有以下兩點(diǎn)：一是鋼軌是否淬火問題；二是鋼軌打磨方法問題。希望這些結(jié)果對(duì)大家之后的研究有一些幫助。

[1]柳海清.山區(qū)鐵路小半徑曲線地段鋪設(shè)無縫線路探討.路橋科技,2012(2)

[2]任利平.曲線鋼軌側(cè)磨原因及預(yù)防措施.鐵道建筑,2004年第12期:47-48

[3]柳瑞元,對(duì)小半徑曲線鋼軌側(cè)面磨耗的研究.同煤科技,2005.6(2)39-40

[4]路華平,鐵路線路小半徑曲線病害成因及其整治.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2006.9(24)316-317

[5]李建強(qiáng).大溫差地區(qū)重載鐵路無縫線路設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究.鐵道建筑.2012(5)148-150

[6]田寶紅.大秦線2億噸重載擴(kuò)能改造工程線路及軌道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)淺析.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì).2005(3) 9-10

Experimental Study on Rail Wear at Heavy-Load and Small-Radius Curves in Mountainous Areas

LV Yu-mei LI Dong-xia LI Shi-bo
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology ShijiazhuangHebei050043)

Shuohuang Railway runs through two provinces---Shanxi and Hebei and two mountainous areas---Lvliang and Taihang, travels east along the Hutuohe River. Due to the geographic complexity, the railway roadbed meets the problems of high-fill and deep-cut, bridges connecting tunnels, a lot of curves with small radius and steep slopes. In the past, most of the lines in mountainous areas have a lot of common jointed railroads, which leads to high costs in repair and maintenance. So it is significant to cancel the jointed sections on railroads and use CWR, which saves costs and reduces maintenance and repair work. From June 2005, Shuohuang Railway tried building CWR. Though it saved the costs of joints, some rails with small radius developed serious problems. This paper brings investigation and testing to those problems and makes experimental study on the solutions.

CWR rail wear small-radius curves experimental analysis

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-1816(2016)03-0001-06

2016-06-18

呂玉梅（1979-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，講師，碩士，研究方向職業(yè)教育研究。

課題名稱：山區(qū)小半徑曲線重載鐵路無縫線路鋼軌病害研究。項(xiàng)目編號(hào)：15275419 1