重載鐵路75 kg/m鋼軌的換軌周期研究

田常海

(中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081)

由于我國經濟快速發展需要，大秦重載鐵路設備和運輸及養護維修技術水平得到了極大提高[1-3]。75kg/m鋼軌的冶金質量和制造及焊接水平有了明顯提高，2007年以后，對鋼軌的純凈度、焊接標準等指標提出了嚴格的要求和控制措施。此外，研發了不易老化、不易破損、能持久為軌道提供彈性的新型熱塑性彈性體墊板代替了橡膠墊板，軌下基礎和軌道彈性得到極大改善。與此同時，車輛轉向架性能、鋼軌探傷檢測技術裝備水平大幅度提高；線路維修技術特別是鋼軌打磨技術的采用，打磨前進行清篩和搗固作業，每年進行兩次鋼軌打磨作業，加強了高強韌性75 kg/m鋼軌研發[4-6]，75 kg/m鋼軌重傷量明顯減少，依據20世紀鐵路設備、運輸和養護維修及探傷檢測等水平制定的75 kg/m鋼軌大修周期[7]與目前大秦重載線設備、運輸及養護維修等情況極度不匹配。因此，有必要重新制定重載鐵路75 kg/m鋼軌的大修周期。

筆者對1998年起上道2005年至2006年下道和2011年起上道2014年至2016年下道大秦重載鐵路75 kg/m鋼軌的使用狀況和重傷情況進行了全面的調查研究[8]，統計分析了鋼軌重傷類型變化，研究了鋼軌重傷規律，獲得了每千米鋼軌重傷量與累計通過總重關系；采用鋼軌重傷加權統計方法，給出了2006年和2016年兩個時間節點統計整億噸累計通過總重對應的每千米鋼軌重傷量，參考國內外鋼軌大修換軌周期取得的研究成果，提出了累計通過總重與鋼軌重傷量相結合的大修換軌周期。

1 大秦重載鐵路鋼軌使用和重傷情況調查地段

在2006年和2016年兩個時間段調查分析了大秦重載鐵路鋼軌使用和重傷情況，表1為大秦重載鐵路2006年及2016年分別統計1998年起和2011年起上道鋼軌地段情況。2006年統計總里程為214.481 km，2016年統計總里程為280.501 km，大秦線全長653 km，統計總里程占整個里程約33%以上，獲得的統計數據可以代表大秦線重傷和使用情況。

表1 大秦重載鐵路1998年和2011年上道2006年及2016年統計地段

2 鋼軌重傷類型統計分析

統計大秦重載鐵路鋼軌重傷類型及發生位置，對于掌握和應對鋼軌重傷具有積極意義，可以有針對性提高鋼軌維修養護質量。

圖1 2016年統計的大秦重載鐵路鋼軌重傷類型及所占百分比

統計地段為表1所列地段，統計時間為鋼軌自鋪設至下道或接近下道時間。2016年統計的確定重載線鋼軌重傷類型及所占百分比見圖1，大秦重載鐵路鋼軌重傷沿鋼軌橫截面分布見圖2，2006年和2016年統計的大秦重載鐵路鋼軌母材和焊接重傷所占百分比比較見圖3?？梢姡?1)2016年統計的大秦重載鐵路鋼軌焊接、核傷、擦傷和孔裂占總重傷比分別為59%，36%，4%和1%；大秦重載鐵路軌頭、軌底和軌腰重傷占總重傷比例分別為64%，30%和6%。(2)2016年統計的大秦重載鐵路鋼軌重傷類型較2006年統計的鋼軌重傷類型相比發生較大變化，焊接重傷類型占總重傷的百分比降低約18%，表明75 kg/m鋼軌焊接質量明顯提高。

圖2 大秦重載鐵路鋼軌重傷沿鋼軌橫截面分布

圖3 2006年和2016年統計的大秦重載鐵路鋼軌重傷類型及所占百分比

3 重載鐵路75 kg/m鋼軌重傷量統計分析

利用太原鐵路局提供的大秦重載鐵路鋼軌傷損臺賬、運營情況、曲線要素等數據，分別分析了表1中1998年起上道至2006年和2011年起上道至2016年直線地段每千米鋼軌重傷量與累計通過總重關系，統計結果表明，每千米鋼軌重傷量與累計通過總重呈二次函數關系。利用回歸分析方法可以獲得整億噸累計通過總重對應的每千米重傷量，圖4為2016年統計的大秦重載鐵路不同地段整億噸累計通過總重與每千米鋼軌重傷量的對應關系，從圖4可以看出，K164+000～K326+345地段和K476.100～K509.406地段每千米鋼軌重傷量與累計通過總重的二次函數拋物線開口向上，其余地段二次函數拋物線開口向下。

由于統計地段鋼軌長度不同(表1)，為了比較不同長度地段的每千米鋼軌重傷量，將統計地段長度作為“權”進行鋼軌重傷量統計分析，避免較短長度地段每千米鋼軌重傷量分散對統計結果的影響。

設統計地段長度為Li，對應每千米鋼軌重傷量為Di，鋼軌加權每千米重傷量為D，采用算數平均法進行加權統計，則

D=∑LiDi/∑Li

(1)

圖4 2016年統計地段每千米鋼軌重傷量與累計通過總重

圖5 2016年統計的大秦重載鐵路2011年起上道鋼軌每千米加權重傷量與累計通過總重

利用式(1)對大秦重載鐵路鋼軌進行了每千米加權重傷量統計分析，圖5為2016年統計的2011年起上道鋼軌每千米母材、焊接和總重傷量與累計通過總重對應關系，圖6為2006年和2016年2次統計大秦重載鐵路鋼軌加權每千米重傷量與累計通過總重對應關系。2016年統計結果表明：大秦重載鐵路累計通過總重15億t及17億t鋼軌加權每千米母材、焊接和總重傷量分別約為3.8處、6.6處和10.4處及4.6處、7.6處和12.2處(統計總里程為233 km)；2006年統計結果表明，大秦重載鐵路累計通過總重9億t和10億t鋼軌加權每千米母材、焊接和總重傷量分別約為1.8處、12.3處和14.1處及2.5處、13.2處和15.7處(統計總里程為119 km)。

圖6 2006年和2016年2次統計大秦重載鐵路鋼軌加權每千米重傷量與累計通過總重

4 重載鐵路75 kg/m鋼軌經濟下道周期

根據經濟學原理，鋼軌經濟下道周期由線路的維修費用和鋼軌折舊費用確定，線路的維修費用和鋼軌的折舊費用之和呈由大到小再到大的特點(圖7)，當二者之和為最小時更換鋼軌進行大修具有最佳的經濟效益[9]。線路維修費用主要包括重傷鋼軌搶修、中修、大修、線路搗固、清篩和鋼軌打磨、日常修理、鋼軌檢查、人員工資及管理等費用。由于日常修理、鋼軌檢查、人員工資和管理等費用基本固定不變，這些費用不會影響經濟分析結果，因此，在進行經濟下道周期分析中不予考慮。

圖7 下行k164+000～k326+345地段累計通過總重與折舊和維修費用之和

設：鋼軌大修費為X，折舊費為Z，通過總重為t，維修費為W(包括中修費M、重傷軌搶修費S、打磨費Dm、清篩費Q及搗固費Dg)。

鋼軌折舊費采用平均年限法，鋼軌折舊費

Z=X-n×t

(1)

式中，n為相對于通過總重的折舊率。

維修費

W=M+S+Dm+Q+Dg

(2)

鋼軌重傷線路調查分析表明，累計重傷鋼軌搶修費S與累計通過總重t服從下列關系

S=A(a+bt+ct2)

(3)

式中，A為每處插入短軌費用；t為通過總重，Mt；a、b和c均為擬合常數。

折舊費和鋼軌維修費總和為F，則

F=Z+W

(4)

鋼軌大修的最佳經濟周期可用式(5)表述。

(5)

求解式(1)～式(5)可以獲得經濟下道周期。

根據太原鐵路局提供大秦重載鐵路有關維修費用數據，進行了大秦重載鐵路鋼軌經濟下道周期分析。結果表明：(1)累計通過總重與每千米鋼軌重傷量對應二次函數拋物線開口向上時，每千米鋼軌重傷量隨通過總重加速上升，經濟下道周期為20～30億t通過總重，其中，K164+000～K326+345地段計算經濟下道周期取整為累計通過總重2 100 Mt，每千米重傷量取整為18處，母材重傷量取整為4處(圖7)；下行K476.100～K509.406地段，計算經濟下道周期取整為累計通過總重2 650 Mt，對應每千米重傷量取整為16處，每千米母材重傷量取整為10處(圖略)。(2)二次函數拋物線開口向下時，每千米鋼軌重傷量隨通過總重下降速率遞減，經濟下道周期超過累計通過總重30億t。

鋼軌上道初期傷損多為生產制造缺陷產生的傷損[10]，隨通過總重增加，鋼軌傷損主要為疲勞傷損，每千米鋼軌傷損量與累計通過總重呈二次函數關系[10-11]。一般情況下，累計通過總重與每千米鋼軌重傷量對應二次函數拋物線開口向上，拋物線開口向上表示隨累計通過總重增加每千米鋼軌傷損量呈二次函數方式增加，反映在維修上的重傷維修費將增加，由于折舊費是逐漸遞減的，在這種情況下折舊費和維修費之和表現為先遞減后逐漸增加，折舊費和維修費之和存在拐點(經濟下道周期)；當鋼軌生產制造質量高、使用、維修合理等情況下，在一定通過總重范圍內累計通過總重與每千米鋼軌重傷量對應二次函數拋物線開口向下，拋物線開口向下表示隨累計通過總重增加每千米鋼軌傷損量呈二次函數方式遞減，反映在維修上的重傷維修費將遞減，在這種情況下折舊費和維修費之和表現為遞減，折舊費和維修費之不存在拐點(經濟下道周期)。

5 重載鐵路75 kg/m鋼軌大修換軌周期

根據我國路情，重載鐵路75 kg/m鋼軌換軌周期取決于安全性和經濟性。

5.1 安全性方面

主要分析鋼軌重傷量以及運營實踐和重傷檢測。

比較2016年和2006年兩次統計大秦重載鐵路鋼軌重傷結果，2016年統計的累計通過總重15億t和17億t下鋼軌每千米重傷量10.43處(每千米母材重傷量3.8處)和每千米重傷量12.22處，遠小于2006年統計的累計通過總重9億t(原75 kg/m鋼軌大修周期)每千米鋼軌重傷量14.1處，因此，2016年累計通過總重15億t每千米重傷總重傷不足11處與2006年(累計通過總重9億t)每千米鋼軌重傷量14.1處相比，安全可靠性方面不但沒有下降，而且進一步提高了。從運營安全方面考慮，累計通過總重未達到15億t的成段鋼軌，如果每千米母材重傷量超過6處應及時進行更換；對出現嚴重銹蝕、嚴重滾動接觸疲勞以及其他影響鋼軌安全使用的情況時，要及時更換鋼軌。

運營實踐方面：下行K476+100～K509+406地段鋼軌于2012年4月上道至2015年12月下道累計通過總重約19億t，每千米重傷量達到19處(每千米母材重傷量6處)。大秦線鋼軌下道最大累計通過總重已經達到27億t(試驗段)，因此，累計通過總重15億t母材每千米重傷4處、總重傷不足11處作為換軌周期可行。

重傷探測：目前鋼軌探傷周期與2005年至2006年探傷周期基本相同，能夠滿足運營要求。

5.2 經濟性方面

采用經濟學原理分析大秦重載鐵路75 kg/m鋼軌經濟下道周期，結果表明，累計通過總重與每千米鋼軌重傷量對應二次函數拋物線開口向上時，經濟下道周期為每千米母材重傷量4～10處，每千米總重傷量為16～18處，通過總重為20～30億t；而二次函數拋物線開口向下時，每千米鋼軌重傷速率隨通過總重增加而遞減，經濟下道周期超過累計通過總重30億t。實際上75 kg/m鋼軌實際下道周期均小于經濟下道周期。

根據太原局提供的2015年運量數據，下行K21+000～K349+530地段年通過總重為504 Mt，下行K349+530～K388+662地段年通過總重為494 Mt，下行K388+662～K557+073地段年通過總重為470 Mt，上述地段之和占整個重載線約83%，83%的地段年通過總重約為500 Mt，3年累計通過總重約為15億t。因此，大秦重載鐵路3年作為鋼軌換軌周期，既滿足安全性，又具有較好的經濟性，同時便于鋼軌使用管理。

綜上所述，提出重載鐵路75 kg/m鋼軌大修周期為：75 kg/m鋼軌大修周期為無縫線路累計通過總重1 500 Mt，當累計通過總重達到1 500 Mt后，如果鋼軌重傷量較小，可以繼續運營到每千米母材重傷量4～6處下道；累計通過總重未達到15億t的成段鋼軌，如果每千米母材重傷量超過6處應及時進行更換；對出現嚴重銹蝕、嚴重滾動接觸疲勞以及其他影響鋼軌安全使用的情況時，要及時更換鋼軌。

累計通過總重與鋼軌重傷量相結合的大修換軌周期，可以實現鋼軌由“固定修”向“狀態修”過渡，根據鋼軌實際使用和重傷情況，避免鋼軌雖然達到了通過總重規定的換軌周期，但重傷量過小而提前下道，充分延長鋼軌使用壽命。

6 75 kg/m鋼軌換軌周期提高的經濟效益

線路維修費用中日常修理、鋼軌檢查、人員工資和管理等費用基本固定不變，即該部分費用與通過總重成正比，利用累計通過總重10億t和15億t重傷鋼軌搶修、中修、大修、線路搗固、清篩和鋼軌打磨費用數據及日常修理、鋼軌檢查、人員工資及管理等費用與通過總重成正比關系，計算3個累計通過總重10億t和2個累計通過總重15億t維修費之差，并扣除3個累計通過總重10億t比2個累計通過總重15億t多出的鋼軌殘值，獲得75 kg/m鋼軌換軌周期由10億t提高到15億t的經濟效益約為每年每千米節約17萬元。

考慮換軌周期延長節約“天窗點”的經濟效益。目前，均按1 min“天窗時間”為0.2萬元換算經濟效益，按大修180 min更換鋼軌1 km計算，考慮節約“天窗點”情況下換軌周期由10億t提高到15億t的經濟效益約為每年每千米節約23萬元。

7 結論

(1)截止到2016年，大秦重載鐵路鋼軌焊接、核傷、擦傷和孔裂占總重傷比分別為59%，36%，4%和1%；大秦重載鐵路軌頭、軌底和軌腰重傷占總重傷比例分別為64%，30%和6%。

(2)2014年至2016年較2005年至2006年下道鋼軌焊接重傷占總重傷的百分比降低約18%，表明75 kg/m鋼軌焊接質量明顯提高。

(3)2014年至2016年下道鋼軌累計通過總重15億t和17億t鋼軌加權每千米母材、焊接和總重傷量分別約為3.8處、6.6處和10.4處和4.6處、7.6處和12.2處。

(4)經濟分析表明，累計通過總重與每千米鋼軌重傷量對應二次函數拋物線開口向上時，經濟下道周期為20～30億t通過總重，母材每千米重傷量取整為4～10處；而二次函數拋物線開口向下時，經濟下道周期超過累計通過總重30億t。

(5)75 kg/m鋼軌大修周期為無縫線路累計通過總重1 500 Mt，當累計通過總重達到1 500 Mt后，如果鋼軌重傷量較小，可以繼續運營到每千米母材重傷量4～6處下道；累計通過總重未達到15億t的成段鋼軌，如果每千米母材重傷量超過6處應及時進行更換；對出現嚴重銹蝕、嚴重滾動接觸疲勞以及其他影響鋼軌安全使用的情況時，要及時更換鋼軌。

(6)75 kg/m鋼軌換軌周期由10億t提高到15億t的經濟效益約為每年每千米節約17萬元，考慮節約“天窗點”的經濟效益為每年每千米節約23萬元。