大秦重載鐵路大修換軌周期的探討

郭戰偉

(北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

大秦鐵路是我國第一條雙線電氣化運煤專線，在重車線上采用Ⅱ型和Ⅲ型混凝土軌枕，一級道砟，75 kg/m鋼軌無縫線路。自2003年首次開行2萬t重載列車以來，鋼軌運量不斷增加，2007年、2008年和2009年年運量分別達到了300，340和400 Mt，2010年年通過總重達到500 Mt。

按現有通過總重900 Mt進行大修換軌的規定，大秦重車線鋼軌不到2年需全線更換一遍，這是難以實現的。因此，研究延長大修換軌周期，具有重大的現實意義。本文介紹了關于國內外大修換軌的有關規定，重點就影響大修換軌周期的大秦重載鐵路鋼軌重傷率進行了統計分析，并對其影響因素進行了探討，初步提出了確定大修換軌周期的鋼軌重傷率指標。

1 確定鋼軌大修換軌周期的主要因素

目前世界各國鐵路的大修換軌周期主要由以下3種方式確定:①由通過總重確定，如法國、日本高速鐵路大修換軌周期為通過總重500 Mt［1］，我國鐵路也是按通過總重確定鋼軌大修周期的，規定60 kg/m無縫線路的大修換軌周期為通過總重700 Mt，75 kg/m無縫線路為通過總重900 Mt;②按鋼軌磨耗量確定，如美國重載鐵路，規定鋼軌垂磨＞9～12 mm或側磨＞14～16 mm時進行大修換軌，在此期間出現的重傷鋼軌，采用鋁熱焊插入短軌的方式進行處理，美國重載鐵路鋼軌的使用壽命一般為1 000～2 000 Mt;③從經濟效益的角度考慮，即經過測算，在鋼軌維修養護費用大于鋼軌更換費用的情況下，進行大修換軌。

1.1 傷損鋼軌磨耗量的規定

我國鐵路規定，傷損鋼軌分輕傷和重傷兩類。當鋼軌的垂直磨耗＞11 mm，側面磨耗 ＞19 mm，為重傷鋼軌，規定重傷鋼軌應及時更換下道。實際上，在普通鐵路的直線或大半徑曲線上(半徑 ＞1 000～1 200 m)，當鋼軌按現有規定更換下道時，鋼軌的垂磨量一般均不超過5 mm。在大秦重載鐵路上，當鋼軌通過總重達到1 500 Mt以上時，鋪設的U75V未熱處理鋼軌的垂磨量也不到5 mm，如圖1所示。因此，若按鋼軌的垂磨量確定換軌大修，則鋼軌的使用壽命可以達到3 000 Mt以上。

圖1 大秦重車線K88+100直線左股，U75V未熱處理鋼軌(2011年4月測量，通過總重 1 500 Mt，垂磨 4.8 mm)

1.2 鋼軌的重傷率

以往的研究認為，當鋼軌使用一定時期后，鋼軌的疲勞傷損會出現拐點，即此后，鋼軌疲勞大幅度增加。實際上，鋼軌的傷損分布與通過總重的關系呈指數分布［2］。因此，鋼軌通過總重越大，鋼軌重傷率越高。

鋼軌磨耗量雖未達到更換鋼軌的程度，但隨著通過總重的增加，鋼軌的重傷率隨之增加。鋼軌重傷率太高，不僅會提高維修養護工作量，甚至會影響鐵路的運行安全。對出現的鋼軌重傷，得不斷通過鋁熱焊等方法插入鋼軌，增加了鋼軌的維修養護費用。所以鋼軌重傷率對大修換軌周期影響很大。

1.3 經濟因素

考慮維修養護成本，以及因安全系數下降帶來的安全成本，經過測算，在鋼軌維修養護費用大于鋼軌更換費用的情況下，進行大修換軌。

2 大秦重載鐵路鋼軌的重傷率統計

鋼軌的重傷率對確定大修換軌周期具有重要的影響。為此，對2005年和2007年鋪設上道的大秦重車線鋼軌的重傷率進行統計。為了探討不同線路條件和鋼軌狀態的影響，分別按不含焊接接頭的直線(直線鋼軌母材)、含廠焊接頭的直線(直線鋼軌母材 +廠焊)、直線鋼軌全部、含半徑 R＞800 m曲線的直線鋼軌(直線+R＞800 m)以及全部(直線 +曲線，以及全部焊接接頭)等幾種情況進行統計分析。

2.1 2005年鋪設鋼軌重傷率統計

統計了大秦重載線2005年鋪設上道鋼軌的重傷率。其中大秦 K308—K342區段鋪設 P廠生產的U75V鋼軌，K217—K308和 K360—K388區段鋪設 B廠生產的U75V鋼軌。

大秦K308—K342區段累計通過總重與累計重傷率的關系見圖2。從圖2可以看出，該區段鋼軌重傷發展較為正常，即隨著累計通過總重的增加，累計重傷率逐漸上升;在累計通過總重達到1 070 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為5.9處/km，直線鋼軌總的累計重傷率為9.3處/km，鋼軌總的累積重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為12.1處/km。

圖2 2005年鋪設P廠U75V鋼軌累計通過總重與累計重傷率關系

大秦重車線 K217—K308和 K360—K388區段累計通過總重與累計重傷率的關系見圖3。從圖3中可以看出，該區段鋼軌重傷發展較快，鋼軌累計重傷率隨著累計通過總重的增加近似呈線性增長，在累計通過總重達到1 070 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為11.7處/km，直線鋼軌總的累計重傷率為16.2處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為28.2處/km。該區段鋼軌重傷發展較之K308—K342區段的鋼軌要快很多，除了與線路條件有關外，主要與鋼廠生產鋼軌的冶金質量有關。

圖3 2005年鋪設B廠U75V鋼軌累計通過總重與累計重傷率關系

2.2 2007年鋪設鋼軌重傷率統計

大秦重車線K2+100—K117+295區段鋼軌通過總重與重傷率關系見圖4。該區段2007年7月鋪設U75V鋼軌，為國內A廠根據重載鐵路附加技術要求生產的。至2011年 2月底，已累計通過總重約1 670 Mt。可以看出，該區段鋼軌重傷發展較為穩定。在累計通過總重達到1 080 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為1.8處/km，直線鋼軌總的累計重傷率為2.9處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線，曲線及全部焊接接頭)為4.1處/km。當通過總重約1 680 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為3.8處/km，直線鋼軌總的累計重傷率為6.2處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為9.6處/km。

對重傷進行分類，見表1。

圖4 K2+100—K117+295區段鋼軌的累計通過總重與重傷率關系

表1 K2+100— K117+295區段鋼軌的重傷分布

大秦重車線 K388—K398、K398—K410區段鋼軌通過總重與重傷率關系見圖5。該區段分別鋪設PG4和U77MnCr新鋼種鋼軌，至2011年2月，累計通過總重約1 751 Mt。可以看出，該區段鋼軌的重傷率在第一年發展較慢，一年半后鋼軌重傷發展較快。在累計通過總重達到920 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為1.8處/km，直線鋼軌總的累計重傷率為2.1處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為3.3處/km。當通過總重約1 750 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為5.4處/km，直線鋼軌總的累計重傷率為9.6處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為16.2處/km。鋼軌重傷率明顯高于鋪設U75V熱軋軌的K2—K117區段。

對重傷進行分類，見表2。可見鋼軌的傷損部位主要發生在軌頭，約占95%;疲勞核傷和缺陷為其主要傷損類型，約占98.6%;焊接接頭傷損約占56.4%，尤其現場接頭傷損居多，約占40%。

由以上統計分析，可得到以下結論:

1)2005年鋪設P廠U75V鋼軌，在累計通過總重達到1 070 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為5.9處/km，直線鋼軌(包括所有焊接接頭)總的累計重傷率為9.3處/km，鋼軌總的累積重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為12.1處/km。

表2 K388—K410區段鋼軌的重傷分布

圖5 K388—K410區段鋼軌的累計通過總重與重傷率關系

2)2005年鋪設B廠U75V鋼軌，在累計通過總重達到1 070 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為11.7處/km，直線鋼軌(包括所有焊接接頭)總的累計重傷率為16.2處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為28.2處/km。該區段鋼軌重傷發展較快，除了與線路條件有關外，主要與鋼廠生產鋼軌的冶金質量有關。

3)通過對延長鋼軌使用技術的研究，2007年鋪設A廠生產的U75V鋼軌，當通過總重約1 680 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為3.8處/km，直線鋼軌(包括所有焊接接頭)總的累計重傷率為6.2處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線，曲線及全部焊接接頭)為9.6處/km。鋼軌重傷率與2005年鋪設的鋼軌相比下降明顯。

4)通過對延長鋼軌使用技術的研究，2007年鋪設的新鋼種鋼軌，在通過總重約1 750 Mt時，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計重傷率約為5.4處/km，直線鋼軌(包括所有焊接接頭)總的累計重傷率為9.6處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為16.2處/km。鋼軌重傷率明顯高于同期鋪設U75V熱軋軌的K2—K117區段。

5)鋼軌的疲勞核傷為其主要傷損類型，約占95%～99%;與鋼軌母材傷損相比，焊接接頭傷損所占比例較大，約占56%～66%，尤其現場焊接頭傷損居多，約占40%～50%。可見，減少鋼軌現場焊接頭的重傷率，是延長大修換軌周期的關鍵之一。

6)新鋼種鋼軌由于強度大、硬度高，可明顯提高小半徑曲線上股鋼軌的耐磨性能，但并沒有明顯減少鋼軌的重傷率。

3 延長鋼軌大修換軌周期的探討

對直線鐵路鋼軌而言，鋼軌的磨耗不是影響大修換軌周期的主要因素，減少鋼軌的重傷率，即減少鋼軌和焊接接頭的疲勞傷損以及焊接缺陷，是延長鋼軌大修換軌周期的關鍵。

3.1 鋼軌的疲勞核傷

鋼軌的疲勞核傷是重載鐵路鋼軌最主要的傷損類型之一，是影響鋼軌重傷率的主要因素。因此，減少鋼軌的疲勞核傷是延長大修換軌周期的關鍵之一。研究表明，鋼軌鋼的強韌性和純凈性等指標是影響其疲勞性能的主要因素。從疲勞核傷產生的機理看，當承受的外力超過鋼軌鋼的疲勞極限時鋼軌就會產生疲勞。而疲勞裂紋容易在諸如內部夾雜物等薄弱部位萌生。因此，為了提高鋼軌的抗疲勞能力，對影響鋼軌疲勞性能的指標如鋼軌鋼的純凈性和低倍組織等應嚴格控制，同時，應增加和保持軌道彈性、改善鋼軌受力狀態。采用優質高性能軌下墊板，及時對道床進行清篩，定期打磨鋼軌保持軌道的平順性，對減少鋼軌疲勞傷損均具有重要的作用［3］。

3.2 鋼軌焊接接頭的傷損

統計表明，焊接接頭重傷占鋼軌重傷的比例較高，通常達到一半以上。因此，減少鋼軌焊接接頭的傷損，尤其是現場焊接頭的傷損，對減少鋼軌整體重傷率，延長換軌大修周期至關重要。

采用長定尺鋼軌、減少焊接接頭數量;采用質量穩定的閃光焊技術焊接鋼軌;優化現場氣壓焊設備和工藝;盡量減少使用鋁熱焊;采用焊后熱處理技術提高焊接接頭的軌面硬度等技術措施均可以有效提高焊接接頭的質量，減少焊接接頭的傷損。

提高焊接接頭的平順性和軌面硬度，可以有效減少焊接接頭使用中產生低塌。對鋪設在直線上的熱軋鋼軌以及鋪設在曲線上的熱處理鋼軌，焊后均應對軌面進行噴風冷卻熱處理，以提高其硬度。對重載鐵路而言，焊接接頭軌面硬度平均值應為母材的95% ～110%，熱軋軌取上限，熱處理軌取下限［3］。

3.3 延長鋼軌使用壽命的技術措施

在直線上鋪設使用強度等級為980 MPa、軌面硬度為280～320 HB且鋼質潔凈的鋼軌;在曲線上鋪設使用強度等級為1 300 MPa、軌面硬度為370～420 HB且鋼質潔凈的高強耐磨鋼軌，并采用科學潤滑;按設計廓形及時打磨鋼軌，保持鋼軌的平順性;及時進行道床清篩，采用持久彈性墊板，保持軌道彈性;優化焊接工藝，保證焊接接頭的平順性和硬度匹配，進一步減少焊接接頭尤其是現場焊頭的缺陷和傷損，將進一步提高鋼軌的使用壽命，延長鋼軌的大修周期［4-7］。

4 結論及建議

大秦重載鐵路年通過總重＞500 Mt，按現有規定，大秦重車線不到2年需對全線進行大修換軌，這是難以實現的。因此，采取有效技術措施延長大修換軌周期，具有十分重要的現實意義。

大修換軌周期主要視直線及大半徑曲線鐵路鋼軌的使用情況來確定。半徑＜800 m的曲線鋼軌通常因磨耗超限而下道。下道時間視鋼軌磨耗情況決定，通過維修途徑，隨時將磨耗到限鋼軌更換下道。

國內外經驗表明，大修換軌周期主要由鋼軌磨耗、重傷率等因素確定。大秦重載鐵路鋼軌的使用情況表明，通過總重＞1 500 Mt時，直線及大半徑曲線鐵路鋼軌的垂磨量＜5 mm，大修換軌周期主要由鋼軌的重傷率控制。

大秦重載鐵路鋼軌的重傷率統計結果表明，鋼軌的重傷類型主要為疲勞核傷，發生在鋼軌母材及焊接接頭的軌頭部位，后者所占比例較大。焊接接頭傷損以現場焊接頭(鋁熱焊和氣壓焊)傷損為主。通過總重1 000 Mt左右時，重傷嚴重區段直線鋼軌總的累計重傷率為 16.2處/km，鋼軌總的重傷率為 28.2處/km。通過采取有效技術措施，當通過總重約1 680 Mt時，直線鋼軌總的累計重傷率為6.2處/km，鋼軌總的重傷率為9.6處/km。

針對大秦重載鐵路的實際情況，以下條件兩者居其一就應該進行大修換軌:鋼軌垂磨＞12 mm，直線鋼軌總的重傷率＞10處/km。據此，大秦重車線大修換軌周期可以初步按1 500～2 000 Mt來考慮。

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