朔黃重載鐵路鋼軌服役壽命研究

尚培培 劉秀波 馬帥

1.國能朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062350；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081

朔黃重載鐵路是我國西煤東運的重要通道之一。自2015年開行2萬t重載列車以來，朔黃重載鐵路的運量呈現逐年增大趨勢，給鋼軌服役帶來新的挑戰，因此有必要開展鋼軌服役壽命研究。

鋼軌服役壽命一直是重載鐵路重點關注的問題之一。對于小半徑曲線，鋼軌磨耗是影響鋼軌服役壽命的決定性因素［1］。除了曲線半徑，鋼軌磨耗發展速率還與鋼軌材質、列車軸重、運量、鋼軌涂油等因素有關［2-5］。目前，朔黃重載鐵路主要以鋼軌磨耗達到輕傷標準作為小半徑曲線換軌依據，但并未對換軌周期作出規定，TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》［6］也未規定75 kg/m曲線鋼軌換軌周期。對于大半徑曲線和直線，國內外主要根據通過總質量和鋼軌每千米重傷量確定換軌時機［7］。通過歷史數據分析，對大秦重載鐵路提出了累計通過總質量1 500 Mt、每千米重傷量4~6處的鋼軌大修周期［8］，基于神朔鐵路每千米重傷量3~4處的失效標準提出了累計通過總質量1 400 Mt的換軌周期［9］。目前，朔黃重載鐵路采用了周期修和狀態修相結合的策略，不僅制定了以累計通過總質量為依據的直線鋼軌大修周期，還規定了基于曲線區段鋼軌磨耗、直線區段鋼軌每千米重傷量的鋼軌更換管理標準。然而，隨著鋼軌冶金質量和焊接水平不斷提高，既有研究和TG/GW 102—2019提出的大修換軌周期并不完全適用于朔黃重載鐵路，部分線路區間存在累計通過總質量已經超過2 000 Mt但每千米重傷量遠未達到規定限值的情況。

本文基于朔黃重載鐵路綜合檢測車、鋼軌探傷車、探傷小車、人工檢查等手段檢測的鋼軌磨耗、鋼軌傷損長期歷史數據，結合線路臺賬、運營、維修等數據，系統研究曲線段鋼軌磨耗和直線段（包括大半徑曲線段）鋼軌重傷量的發展規律并建立預測模型，進而提出與鋼軌狀態修失效標準相匹配的換軌周期建議值，為朔黃重載鐵路鋼軌合理使用提供幫助。

1 數據源

朔黃重載鐵路的原平區間（神池南站—三汲站）為山區線路，存在較多小半徑曲線段；而肅寧區間（三汲站—黃驊港站）為平原線路，主要為大半徑曲線段和直線段。兩個區間內不同半徑曲線段長度占各自區間正線總長度的百分比見圖1。圖中對非整百米的曲線半徑進行四舍五入處理，如實際為450 m的曲線半徑歸為500 m。重車線鋪設75 kg/m鋼軌，鋼軌材質類型主要為U71Mn、U75V、U78CrV，曲線段多采用熱處理鋼軌。

圖1 朔黃重載鐵路不同半徑曲線段長度占比

2 發展規律

2.1 曲線段鋼軌側面磨耗的發展規律

為了分析不同半徑曲線段鋼軌側面磨耗的發展規律，選取半徑R=500、800、1 000、1 500、3 000 m的曲線段各一條，繪制鋼軌側面磨耗隨累計通過總質量的變化曲線，見圖2。由于曲線段鋼軌磨耗最大值的波動性較大，圖中鋼軌磨耗為99%分位數統計值，即將某曲線段所有磨耗檢測數據視為一個樣本，取大于99%樣本容量的磨耗數據。此外，圖中累計通過總質量為2015年以來的統計數據，磨耗驟然降低為0表示發生了換軌。

圖2 曲線鋼軌側面磨耗隨累計通過總質量變化曲線

由圖2可知：不同曲線半徑的鋼軌側面磨耗發展速率存在差異。隨著曲線半徑增大，鋼軌側面磨耗發展速率逐漸減小。R≤800 m時，鋼軌側面磨耗隨累計通過總質量近似呈線性發展規律；R＞800 m時，鋼軌側面磨耗隨累計通過總質量呈先緩慢發展、后近似線性的發展規律。這是由于在新軌服役初期，輪軌接觸點主要位于軌距角，鋼軌踏面下16 mm位置處（側面磨耗點）尚未發生磨耗，因此鋼軌側面磨耗存在前期緩慢發展階段；隨著累計通過總質量增加，鋼軌廓形和輪軌接觸關系發生改變，側面磨耗點開始產生磨耗，從而進入快速發展階段。當曲線半徑較小時，鋼軌磨耗快，緩慢發展階段時間較短，總體呈現近似線性發展特點；曲線半徑越大，緩慢發展階段時間越長，總體呈現分段、近似非線性的發展特點。此外，對于R＞800 m的曲線段，在側面磨耗尚未達到輕傷標準（16 mm）時即進行換軌，表明側面磨耗不再是鋼軌壽命的決定因素。

2.2 直線段鋼軌重傷量的發展規律

肅寧區間最小曲線半徑為800 m，以大半徑曲線段和直線段為主。將肅寧區間內換軌時間相近的線路劃分為4個區間，繪制4個區間內鋼軌母材（不含焊接和膠接絕緣接頭傷損）每千米重傷量（累計值）隨累計通過總質量的變化曲線，見圖3。其中，區間1長64.257 km，最近換軌時間為2018年9—10月；區間2長31.015 km，最近換軌時間為2019年7—9月；區間3長32.961 km，最近換軌時間為2018年8—10月；區間4長32.797 km，最近換軌時間為2020年7—8月。

圖3 鋼軌每千米重傷量隨累計通過總質量變化曲線

由于直線段鋼軌服役時間較長，數據源尚未覆蓋一個完整的換軌周期。由圖3可知：整體上，鋼軌每千米重傷量隨累計通過總質量呈先緩慢發展、后近似線性的發展規律，但不同區間的發展速率存在差異。此外，各區間鋼軌均在每千米重傷量達到1處之前即進行換軌，遠未達到TG/GW 102—2019或文獻［8］中規定的每千米重傷量。

3 發展預測

由于鋼軌側面磨耗、每千米重傷量均具有先緩慢發展、后近似線性發展的規律，且不同曲線、不同區間的發展規律存在差異，因此針對每條曲線、每個區間單獨建模。利用線性模型、二次多項式模型、三次多項式模型，分別擬合鋼軌側面磨耗或每千米重傷量與累計通過總質量的關系，將擬合度最優的模型作為該條曲線（或區間）的預測模型。線性模型、二次多項式模型、三次多項式模型的函數式依次為

式中：t為累計通過總質量，Mt；a、b、c、d為系數。

基于擬合度最優的模型為

根據表2和表3數據，采用理論計算與有限元仿真模擬的方法，得出了四邊簡支條件下雙壁厚類方形蜂窩夾層結構固有頻率的理論計算結果與有限元仿真模擬結果的誤差，如表4所示。表4表明，通過2種不同方法得到的數據吻合度較好，這說明采用上述蜂窩夾層板理論模型，并代入精確的類方形蜂窩夾芯結構等效彈性參數，可得到較為精確的類方形蜂窩夾層結構固有頻率。

式中：g（*）為擬合度函數；y為數據真實值；K為數據容量，k=1，2，…，K。

為了評估模型的預測準確度，采用均方根誤差R、希爾不等系數T作為評估指標，各指標的定義詳見文獻［10］。R反映了絕對準確度；T為相對準確度指標，其值介于0和1之間，越接近0準確度越高。

擬合鋼軌側面磨耗、每千米重傷量與累計通過總質量的函數關系，并進行預測。部分曲線或區間的擬合與預測結果見圖4。準確度指標結果見表1。

圖4 部分曲線或區間的擬合與預測結果

由圖4可知，利用提出的方法可以有效擬合和預測鋼軌磨耗及每千米重傷量的發展趨勢。

由表1可知：預測鋼軌磨耗的平均均方根誤差為0.517 mm，平均希爾不等系數為0.183；預測鋼軌每千米重傷量的平均均方根誤差為0.025，平均希爾不等系數為0.080。

此外，該方法相比于神經網絡模型［11］具有計算簡便、泛化能力強（不易于過擬合）等優點。

4 鋼軌服役壽命與換軌周期建議值

TG/GW 102—2019規定了直線段和R＞2 000 m曲線段混凝土枕無縫線路75 kg/m鋼軌的大修周期為累計通過總質量1 500 Mt，并在每千米重傷量達到4~6處時及時更換鋼軌；但未規定R≤2 000 m的75 kg/m鋼軌的換軌周期。目前，朔黃重載鐵路對直線段和R＞2 000 m曲線段的鋼軌采用了和TG/GW 102—2019相近的大修周期，而對R≤2 000 m的曲線段，要求在鋼軌磨耗達到輕傷標準時及時更換。可見，對于不同半徑曲線段，鋼軌換軌周期的規定尚有欠缺，同時現有的直線段鋼軌大修換軌周期偏保守，存在資源浪費的問題。

為此，基于朔黃重載鐵路曲線段鋼軌側面磨耗與直線段鋼軌重傷量隨累計通過總質量的發展規律，利用建立的預測方法反算曲線段鋼軌側面磨耗達到輕傷標準時的累計通過總質量，以及直線段鋼軌每千米重傷量達到4~6處時的累計通過總質量，進而提出和鋼軌換軌狀態修標準相匹配的周期修標準建議值，即換軌周期建議值。

表2統計了半徑為400、500、600、800 m所有曲線段的鋼軌側面磨耗達到輕傷標準時的累計通過總質量。表3統計了圖3中4個區間的鋼軌每千米重傷量達到4處和6處時的累計通過總質量。

表2 R≤800 m曲線段鋼軌服役壽命推算結果

表3 直線段和R≥800 m曲線段鋼軌服役壽命推算結果

由表2可知：隨著曲線半徑的增大，鋼軌服役壽命的最大值呈增大趨勢，曲線半徑大于等于600 m時鋼軌服役壽命約為累計通過總質量1 500 Mt；曲線半徑為400 m的鋼軌服役壽命的最大值與最小值差值較小，這是因為該半徑曲線數量較少，且里程分布相對集中，線路條件相對穩定。

由表3可知：不同區間鋼軌服役壽命存在較大差異，每千米重傷量達到4處時預測服役壽命最小值為累計通過總質量3 200 Mt，每千米重傷量達到6處時預測服役壽命最小值約為3 900 Mt。因此，對于朔黃重載鐵路，累計通過總質量1 500 Mt的大修周期明顯偏小，可延長至2 000 Mt。

綜上，提出朔黃重載鐵路75 kg/m鋼軌換軌周期建議值，見表4。此外，對于半徑不超過800 m的曲線段，累計通過總質量未達到換軌周期、但鋼軌側面磨耗的99%分位數達到輕傷標準時，應及時換軌；對于直線段和半徑超過800 m的曲線段，累計通過總質量未達到換軌周期、但鋼軌每千米重傷量（不含焊接和膠接絕緣接頭傷損）達到4~6處時，應及時換軌。

表4 朔黃重載鐵路75 kg/m鋼軌換軌周期建議值

5 結論

為提高朔黃重載鐵路鋼軌使用的合理性，本文基于朔黃重載鐵路綜合檢測車、鋼軌探傷車、探傷小車、人工檢查等手段檢測的鋼軌磨耗、鋼軌傷損長期歷史數據，結合線路臺賬、運營、維修等數據，系統研究了曲線段鋼軌磨耗和直線段（包括大半徑曲線段）鋼軌重傷量的發展規律并建立預測模型，進而提出與鋼軌狀態修失效標準相匹配的換軌周期建議值。主要結論如下：

1）朔黃重載鐵路曲線段鋼軌側面磨耗和直線段鋼軌重傷量均具有先緩慢發展、后近似線性發展的規律，但不同曲線段、不同區間的發展規律存在差異性。對于半徑大于800 m的曲線段鋼軌，磨耗不再是鋼軌壽命的決定因素。

2）提出了曲線段鋼軌側面磨耗與直線段鋼軌重傷量發展預測模型。采用原理簡單的線性模型、二次多項式模型、三次多項式模型，通過擬合度最優方法建立預測模型，預測鋼軌磨耗的均方根誤差和希爾不等系數分別為0.517 mm、0.183，預測鋼軌每千米重傷量時分別為0.025、0.080。預測準確度較高，并具有計算簡便、實用性強的優點。

3）提出朔黃重載鐵路75 kg/m鋼軌換軌周期建議值，以及與狀態修相結合的鋼軌換軌修理策略。對于R≤400 m的曲線段，換軌周期（服役壽命）建議不超過通過總質量700 Mt；對于400 m＜R≤500 m的曲線段，換軌周期建議不超過通過總質量900 Mt；對于500 m＜R≤800 m的曲線段，換軌周期建議不超過通過總質量1 500 Mt；對于直線段和R＞800 m的曲線段，換軌周期建議不超過通過總質量2 000 Mt。