山區重載小半徑曲線鋼軌磨耗試驗研究

呂玉梅　 李冬霞　 李世波

（石家莊鐵路職業技術學院　 河北石家莊　050043）

山區重載小半徑曲線鋼軌磨耗試驗研究

呂玉梅 李冬霞 李世波

（石家莊鐵路職業技術學院 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，沿滹沱河谷地向東走行，沿線地形復雜，鐵路路基高填深挖、橋隧相連、曲線多、半徑小、坡度大。以往山區的線路上大多是存在很多接頭的普通線路，接頭維修與養護成本很高。所以在山區鐵路中取消鋼軌接頭，鋪設無縫線路，對于節約成本，減少養護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展嚴重。對朔黃鐵路無縫線路的病害進行了觀察、檢測以及試處理實驗研究。

無縫線路 鋼軌磨耗 小半徑曲線 試驗分析

1　發展現狀

中國鐵路“十二五”規劃要求，推進區際干線、煤運通道、西部鐵路等建設，加強煤炭運輸通道建設。在繁忙干線實現客貨分線基礎上，加快區際干線新線建設和既有線擴能改造，強化煤炭運輸等重載貨運通道。堅持新線建設與既有線改造并舉，加快建設晉、蒙、陜、甘、寧地區至華東、華中等地區煤炭運輸通道，強化蒙東與東北地區煤運通道，加快推進新疆地區煤炭外運通道建設。加強煤炭集疏運系統的優化完善。

強化基礎設施設備現代化水平。加強對既有線橋隧等基礎設施和設備的加固與改造，提高抵御災害、保障運輸安全能力。全面推廣跨區間無縫線路。建立完善高鐵設備養護維修設施，實現大型養路機械作業和檢測能力全覆蓋。加快推廣供電綜合監控、數據采集及節能降耗技術，實現牽引供電系統監控自動化、遠程化和運行管理智能化，提升供電裝備現代化水平。

目前國內外新建的高速鐵路都是無縫線路，在重載貨運鐵路，尤其是山區小半徑曲線上跨區間無縫線路的應用都處于剛發展階段。山區鐵路大多都是小半徑曲線，鋼軌運營環境惡劣，坡度大，隧道多，同時由于小半徑曲線的影響，所以目前山區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，接頭處輪軌動力作用大，直接導致接頭的養護維修工作量大。據統計，對于山區普通線路，接頭投入費用約占維修成本的30 %，而養護工作量約占養護工作總量的40 %。

無縫線路是用焊接長軌條鋪設的軌道，因為長軌條沒有軌縫而得名。據有關部門方面統計，與普通線路相比，無縫線路至少能節省15 %的經常維修費用，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點。

經過半個世紀的發展，我國鐵路已焊接鋪設了4 萬多公里的無縫線路，約數千萬個接頭。1999 年初，在上海至南京間的鐵路上，焊接鋪設了1根長104.6公里的超長鋼軌，表明我國鐵路無縫線路已進入了一個新階段。目前在我國很多山區鐵路小半徑曲線地段都已經開始鋪設無縫線路，已經突破了300m曲線半徑無縫線路的技術難題。無縫線路是鐵路軌道現代化的重要內容，經濟效益顯著。

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，是我國西煤東運的第二條主干線。橫跨晉、冀兩省，穿越呂梁、太行兩大山區，沿滹沱河谷地向東走行，沿線地形復雜，高填深挖、橋隧相連、曲線多、半徑小、坡度大是其特點。軌道結構：朔黃鐵路為國家Ⅰ級干線。本線新建時為60kg/m、U71mn、25.0m標準軌（強度為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鋼軌區間和跨區間無縫線路。

75kg/m軌上道后，運營半年的時間開始發現少部分小半徑曲線下股鋼軌踏面表層出現裂紋紋路（通過總重約5000萬噸·公里/公里），爾后逐漸發展出現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個月的時間，已發現有30個曲線計4.571km鋼軌出現大范圍的剝落掉塊，而且發展趨向嚴重，發展速度較快。因此，減少運營鐵路對曲線鋼軌的磨耗，延長鋼軌的使用壽命，在保證安全運營的基礎上降低成本支出，是急待解決的問題。

2　試驗研究分析

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生和發展主要在曲線上，先下股后上股鋼軌。只是發生的時間不同、發展的速度不同，伴隨曲線半徑不同而有差異。曲線半徑越小，發生的早、發展速度快；曲線半徑越大發生的就較晚。一旦出現裂紋和輕微掉塊后發展速度基本相同。直線也出現裂紋但未發生掉塊。其發展軌跡為：裂紋、掉塊，掉塊發展到嚴重程度時，目視裂紋較深，出現連續、面積較大的掉塊，有似“齜牙咧嘴”的感覺，看上去十分嚴重，這時也可以說剝離掉塊達到了高峰，從此不再繼續惡性發展。即趨向回頭，裂紋不再張合，而呈壓平、壓緊狀態，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象，表面比較平整。但在此情況的掩蓋下，其實裂紋并未消失。曲線上股的發生與發展與下股等同，只是晚于下股出現。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生掉塊主要在R-400m的曲線上和個別R-500 m的曲線上，這些曲線的特點是側磨均較少；通過總重已達3.5億噸。而側磨基本上在2～5 mm間，鋼軌接觸疲勞處未能及時被磨掉，必將向深處發展，形成掉塊。起始掉塊較少、較小，逐漸發展成大的掉塊或連續掉塊達到重傷下線。

（3）曲線鋼軌磨耗

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

側磨接近或已達重傷標準，已進行了更換鋼軌的曲線有19個/14km。側磨普遍在16～21mm之間。通過總重平均每百萬噸側磨在0.06～0.08mm間。

小半徑曲線的側磨已成為鋼軌使用壽命的關鍵所在，就75kg/m鋼軌目前的使用情況看，在通過總重達2.7～3.5億噸時側磨即接近或達到重傷標準，需更換下線，對應現行行業標準的大修周期9億噸時，一個大修周期中間還需要進行兩次更換鋼軌，才能與大修周期相匹配。

2.2試驗方法

2.2.1鋼軌打磨

借鑒國內外鋼軌打磨經驗，朔黃重載鐵路新軌上道后，早期預防性打磨時機已過，但采取打磨仍有必要。安排鋼軌打磨并進行試驗。如圖2所示。

圖2　打磨前后鋼軌磨耗對比

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

（2）預防性打磨重點觀測地段：

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）在一個曲線內，1/2修理性打磨、1/2預防性打磨重點觀測地段：

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）直線不進行鋼軌打磨試驗觀測地段：

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使用不同強度鋼軌試驗觀測

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

2.2.3對列車運行及操作情況調查分析

從機輛分公司下載有關運行資料，通過資料的對比、整理、分析，掌握各機車在朔黃線上運行時的行車速度、制動地點、操作狀況等，再與現場實際鋼軌傷損程度進行對照分析，尋找規律。

2.2.4合理調整曲線超高的試驗

使曲線上下股鋼軌的受力盡量達到均衡，超高的設置是關鍵，通過現場實測平均速度設置超高滿足需要，對下列地點進行試驗：

R－400m

①K18+310～K18+625，L－342m，l－90m，h－110mm，i=-9.0‰，現設超高為110mm，經測速之后計算應設超高為95mm，擬調整欠超高設85mm，進行觀測。

R－500m

②K62+172～K62+735，L－563m，l－120m，h－90mm，i=-10.0‰，現設超高為90mm,符合行車速度，不進行調整繼續觀測。

R－600m

③K141+975～K142+688，L－713m，l－120m，h－150mm，i=-7.0‰，計算應設超高為75mm，現設超高150 mm（寬軌枕地段），為過超高繼續觀測。

2.2.5調整軌距值，進行對比觀測，試驗地點在94km處

R－500m

K94+463～K95+025，L－562m，l－130m，h－90mm，i=+3.4‰，現設軌距為1435mm，擬加寬5mm，改為軌距1440mm，進行觀測。

2.2.6進行曲線涂油試驗觀測

通過對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比，確定今后涂覆采用標準，試驗地點如下：

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，進行對比試驗。

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，進行試驗，進行人工涂覆。

2.2.7對線路不同強度鋼軌傷損程度進行化驗

選定86km，R－500m的曲線下股剝離掉塊嚴重、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短軌送到鐵科院進行化驗。對淬火質量、分層硬度、化學成分、及兩種鋼軌的金相組織進行化驗。

2.2試驗結果

（1）對線路不同強度鋼軌傷損程度進行化驗，經分析結論如下：

①經檢驗，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，并顯現不同程度的剝離掉塊。這是在較大的外力作用下發生的一種輪面滾動接觸疲勞傷。裂紋萌生于鋼軌軌頭表面塑性流變層內，裂紋起始的發展與列車運行方向成一定銳角，出流變層后基本以垂直方向朝軌頭內部擴展，最終導致剝離掉塊。

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

（2）不同強度的鋼軌進行試驗

不同強度的鋼軌進行試驗，從監測到的發展情況是：鋪設后約10天左右（通過總重約為435萬噸·公里/公里）；淬火軌開始出現微小裂紋，普通軌正常；約1個月左右（通過總重約為838.2萬噸·公里/公里），淬火軌裂紋發展亦較為明顯，普通軌仍使用正常；運營50天左右（通過總重約為2250萬噸·公里/公里）淬火軌裂紋仍在發展，個別處所有小的掉塊。而普通軌也出現裂紋且發展較快；運營2個月（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發展，而普通軌發展的較快并向嚴重的方向發展；運營約4個月（通過總重約為4988.7萬噸·公里/公里），其發展情況，普通軌較淬火軌稍重，而呈現鋼軌踏面向外推壓外出的現象；運營約5個月（通過總重約為7185.5萬噸·公里/公里）淬火軌明顯發生掉塊；運營約8個月（通過總重約為11314.3萬噸·公里/公里），淬火軌掉塊已很嚴重，達到了高峰，此后逐漸回緩；普通軌一直未發生較重的剝離掉塊，只有壓寬的現象。見下圖3。

（3）其它試驗檢測

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

圖3　淬火鋼軌　普通鋼軌

3　總結

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

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

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

[3]柳瑞元,對小半徑曲線鋼軌側面磨耗的研究.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.科技情報開發與經濟,2006.9(24)316-317

[5]李建強.大溫差地區重載鐵路無縫線路設計關鍵問題研究.鐵道建筑.2012(5)148-150

[6]田寶紅.大秦線2億噸重載擴能改造工程線路及軌道設計標準淺析.鐵道標準設計.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

文獻標識碼：A文章編號：1673-1816(2016)03-0001-06

2016-06-18

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

課題名稱：山區小半徑曲線重載鐵路無縫線路鋼軌病害研究。項目編號：15275419 1