淺析高速鐵路鋼軌隱傷形成機理及維護策略

吳浩

（中國鐵路上海局集團有限公司杭州工務段，浙江 杭州 310000）

高速鐵路的鋼軌投入使用后，與輪對相互作用會產生滾動接觸疲勞損傷，主要表現為斜裂紋、鱗狀裂紋或隱傷等，為高速鐵路安全運營造成極大威脅。我國相對于發達國家來說，在鋼軌隱傷研究方面起步較晚，所以目前依然沒有形成健全、完善的維護體系。對此，需要我國深入研究高速鐵路輪軌及線路工況之間存在的關系，深入分析鋼軌隱傷的形成機理和發展過程，進而提出針對性維護建議，保證高速鐵路始終處于安全運行狀態。

1 高速鐵路鋼軌隱傷概述

鋼軌隱傷就是指鋼軌表面沒有明顯的傷痕，但內部存在微觀缺陷或潛在損傷，如疲勞裂紋、夾雜物等。這些隱傷在初期通常不會對鋼軌安全運行造成明顯負面影響，但隨著使用時間的推移，可能會逐漸擴展，導致鋼軌強度降低，進而可能引發列車運行顛簸、失穩等問題，會嚴重時甚至會造成重大安全事故。可以將高速鐵路鋼軌隱傷的特點歸納為以下方面：（1）隱秘性強。由于鋼軌表面光滑，肉眼很難發現其內部的損傷。往往需要通過專業的檢測設備和儀器才能發現。（2）危害性大。雖然這些隱傷外表看似無恙，但實際上卻可能引發列車脫軌、顛覆等嚴重事故。對乘客和貨物運輸都構成極大威脅。（3）不易修復。由于鋼軌損傷多位于內部，修復難度較大。一旦發現需要更換整根鋼軌，成本高昂。

2 高速鐵路鋼軌隱傷形成機理

2.1 鋼軌擦傷白層組織形成機理

高速鐵路鋼軌運行過程中，擦傷是較為常見的隱傷類型之一，輪軌在特定條件下滑動會產生一層微觀組織，主要為白色，如果不及時處理，會導致軌面產生裂紋。鋼軌之所以產生擦傷，主要原因有兩種，（1）啟動機車時出現“空轉”打滑現象；（2）制動“抱死”。可以將形成機理歸納為以下方面：第一，在高速鐵路建設或養護過程中，由于大軸重機車違規操作，所以會形成厚度超過0.5mm 的白層組織，馬氏體組織硬度一般在500～800HB，這種擦傷引發的微觀組織會導致軌面脫離，并非隱蔽性損傷。第二，動車組的輪軌受多種因素影響導致黏著性被破壞，使其運行過程產生滑動現象，由于軸的重量較輕，所以形成的微觀組織厚度一般在0.2mm范圍內，也正是因為擦傷白層組織較薄，所以隨著時間推移會逐漸形成隱傷。

2.2 延性耗竭形成機理

高速鐵路的鋼軌投入使用后，與輪對相互作用容易加大滾動接觸疲勞損傷發生率，導致鋼軌出現鱗狀裂紋或斜裂紋。軌面組織在滾動接觸疲勞長期作用下，會逐漸產生延性耗竭，進而導致鋼軌形成隱傷。在動車組運行過程中，需要通過軌面為鋼軌提供黏著力，才能使鋼軌持續向前，通常調節黏著力大小需要對微滑區在滑移斑中的占比進行合理調整。為了了解軌面在不同黏著系數下的縱向切應力分布情況，需要采用有限元模擬方法進行準確計算，在具體實施中，如果將鋼軌的廓形設置為60N，將軸的重量設置為17t，那么通過有限元模擬方法進行計算，可以準確得到軌面縱向切應力分布情況。結合計算結果分析來看，如果軌面提供的黏著力系數不足0.2，那么軌面以下0 ～2mm 深度的位置，縱向切應力相對較高，接近于表面裂紋。并且軌面的縱向切應力會隨著黏著系數的增加而增加，如果黏著系數超過0.2，則容易導致軌面產生延性耗竭，進而形成滾動接觸疲勞損傷。所以，車輛在行駛過程中，軌面提供的黏著系數，與鋼軌隱傷的形成有密切聯系。結合現場觀測情況總結來看，我國高速鐵路在運行過程中一旦產生延性耗竭，那么造成的隱傷大多位于站內區間或道岔區。這是因為站內區間的鋼軌在動車組啟動、制動、牽引作用下會承受較大作用力，而道岔區的鋼軌在軌底坡及超高影響下會產生較大的接觸應力，所以容易產生隱傷。據相關數據分析情況來看，道岔區鋼軌相對正線鋼軌來說，前者隱傷數量是后者的2 倍多。另外，鋼軌組織的特點也與滾動接觸疲勞損傷的產生有密切聯系，主要可以從以下方面分析：（1）抗延性耗竭能力會隨著鋼軌剪切強度的提高而提高。（2）鋼軌表層的雜物數量、尺寸大小以及裂紋產生數量與純凈度成反比關系，也就是純凈度越高的情況下，雜物越少、尺寸越小、裂紋產生率越低。（3）高速鐵路的鋼軌越平直，隱傷裂紋數量越少。

3 高速鐵路鋼軌隱傷的維護策略

3.1 對鋼軌隱傷進行檢測

由上文分析可以看出，高速鐵路出現隱傷本身具有隱蔽性特點，加上發展速度較快，所以如果不及時處理，會導致鋼軌斷裂，進而為動車組安全運行造成極大威脅。對此，需要通過專業探傷檢測的方式，及時識別隱傷并處理。具體如下。

（1）了解隱傷發生線路的主要特點。以上提到，高速鐵路中的鋼軌隱傷多發于站內區間及道岔區，所以在維護管理過程中，可以適當增加這兩個區段鋼軌的檢測次數，縮短檢測周期，尤其針對長大坡道等容易發生或已經發生擦傷的線路，需要選擇合理方式開展探傷工作。另外，在隧道環境較為干燥的情況下，鋼軌隱傷發生率也相對較低，所以可以適當減少檢測和探傷頻率。當鋼軌出現隱傷裂紋后，受雨水、油脂產生的油楔作用，會導致隱傷裂縫加快拓展速度。例如，鋼軌出現隱傷裂紋后，如果雨水進入其中，會導致內部出現一層白色氧化物，而隧道內部的鋼軌由于具備遮擋物，所以很少受雨水侵蝕，因此可以減少檢測次數。

（2）判斷初期隱傷損傷的主要依據。首先，根據鋼軌軌頂面硬度判斷隱傷損傷，鋼軌投入使用后，如果形成一定厚度的白色組織，那么軌面硬度一般在489HB左右，會在一定程度上造成延性耗竭，進而導致軌面出現隱傷，此時會產生硬化情況，硬度一般在431HB 左右。以上提到的隱傷，發生后軌面硬度相對較高，遠遠超出母材硬度。所以，在隱傷判斷過程中，可以將測量出的踏面硬度作為主要依據。其次，將鋼軌平直度作為判斷隱傷損傷的依據。在鋼軌隱傷不斷發展的同時，鋼軌也會出現斷裂、塌陷等問題，以人工方式測量鋼軌平直度，或檢測車載垂向加速度，能夠有效提高隱傷判斷水平。再次，將鋼軌是否存在白色組織作為隱傷判斷的依據。國外有學者在研究中表明，珠光體組織和馬氏體組織的電磁性能存在差異，所以可以通過電磁信號檢測方式對鋼軌的白色組織進行辨別，但這種檢測方式存在誤差大、干擾因素多、檢測效率低的弊端，所以應用范圍有限。我國在鋼軌隱傷檢測中，可以定期檢測容易發生擦傷或已經發生擦傷的線路，檢測過程可以將硝酸酒精溶液作為腐蝕劑，通過侵蝕鋼軌表面，觀察顏色變化情況。

3.2 隱傷鋼軌打磨方法

日本作為發達國家，在高速鐵路發展方面起步較早，但隨著新干線建設規模逐漸擴大，鋼軌隱傷也逐漸增加，而隱傷打磨就是日本針對新干線隱傷維護制定的有效策略。結合大量實踐總結來看，經過40Mt 通過總質量時，鋼軌表面會產生“V”型裂紋，這種裂紋也是鋼軌初期形成的隱傷，通常深度在0.05mm 范圍內，技術人員可以對裂紋進行打磨，避免隱傷持續發展。如果沒有對隱傷進行及時打磨，會在鋼軌塌陷的同時加大隱傷損害，導致裂紋進入快速發展時期。另外，在經過100Mt 通過總質量時，鋼軌會出現黑斑或剝離等情況，這種情況代表隱傷進入中期階段，裂紋深度會相應增加，一般在6mm 范圍內，此時再使用打磨方式治理，效果則會大打折扣。在隱傷裂紋長時間發展中，會衍生出諸多新裂紋，并且裂縫較深，如果沒有及時通過打磨方式處理干凈，會為鋼軌安全運行造成巨大威脅。結合日本鋼軌隱傷維護經驗來看，可以將打磨周期設置為40Mt，盡可能將鋼軌隱傷控制在發展初期。除日本外，澳大利亞也在鋼軌隱傷打磨方面開展了一系列研究工作，并將打磨周期設置在10 ～15Mt 范圍內，在打磨隱傷過程中，需要將深度控制在0.05mm 左右。而英國則是以年為周期，每年將磨耗量控制在0.2mm 左右，這一磨耗量既包括打磨產生的磨耗，也包括自然磨耗。可以看出，鋼軌母材的差異、運行環境的不同、車輛特點的區別，均會對隱傷打磨提出不同要求，需要各國根據實際情況制定科學合理的打磨策略。另外，據上文研究分析可以看出，我國高速鐵路產生損傷的形式主要有兩種，一種為延性耗竭，另一種為白色組織引發。其中，隱傷裂縫大多在馬氏體周圍產生，形成隱傷的通過總量相對較小。現階段，我國在高鐵隱傷打磨技術方面不斷加大投入力度，已經形成了相對完善的技術體系。其中將區間線路的鋼軌打磨周期確定為60 ～90Mt 通過總質量打磨1 次。但結合工作現狀來看，由于至今尚未形成完善的周期性打磨策略，導致隱傷維護效果不佳。眾所周知，高鐵出現隱傷后，不同線路的運行工況不盡相同，所以相關部門需要根據站內區間、道岔區等實際情況，制定針對性隱傷打磨周期。在打磨過程中，應合理研究打磨方法，可以通過平直度及白層馬氏體檢測或軌面硬度檢測方式完成探傷作業。

3.3 鋼軌隱傷的預防策略

鋼軌隱傷是指肉眼不易察覺，但在特定條件下會影響列車行駛穩定性和安全性的損傷。這些損傷可能包括微觀裂紋、表面氧化層脫落等。這些損傷如果不及時處理，可能會導致鋼軌疲勞裂紋的擴展，嚴重時甚至引發鋼軌斷裂，造成重大安全事故。所以，相關部門需要不斷加大投入力度，探索鋼軌隱傷的有效預防策略。具體來說：（1）遵循預防為主基本原則。對于鋼軌隱傷的維護，首先要樹立預防為主的觀念。通過加強鋼軌制造、運輸、安裝過程中的質量控制，降低出現隱傷的概率。同時，在列車行駛過程中，合理安排車速和載重，防止因過載或沖擊導致鋼軌損傷。（2）科技引領。積極引進和研發先進的檢測設備和檢測技術，提高鋼軌隱傷的檢測效率和準確性。例如，利用人工智能和機器學習技術對鋼軌聲波信號進行分析，以提高超聲波檢測的自動化水平和精度。（3）人員培訓。加強鐵路維護人員的技能培訓，提高維護人員對新設備、新技術的掌握和應用能力，并對維護人員進行定期考核，可以將考核結果與薪資待遇相掛鉤，以此來調動維護人員工作的積極性，保證維護工作有條不紊進行。同時，增強他們的安全意識，確保在維護過程中遵循安全規范，減少因操作不當導致的安全事故。（4）定期檢測。對于已投入使用的高速鐵路鋼軌，需要制定科學合理的檢測計劃，并對鐵軌進行定期無損檢測。通常采用無損檢測技術，如超聲波檢測、磁粉檢測、射線檢測等。這些技術能夠在不損害鋼軌的前提下，檢測到鋼軌內部的微觀損傷。如果在檢測過程中發現隱傷，應根據嚴重程度采取相應的處理措施，如打磨、修復或更換鋼軌。

4 結語

綜上所述，在高速鐵路的運行中，鋼軌的隱傷是威脅運行安全的重要因素。如何及時檢測并有效維護這些隱傷，是鐵路管理部門必須面對的重要問題。隱傷的維護需要樹立預防為主、定期檢測、科技引領和人員培訓的理念。通過借鑒國內外先進經驗和技術，不斷完善和優化維護策略，如此才能夠有效地保障高速鐵路的運行安全。相信在多方共同努力，鐵路事業的發展也會越來越好。