U75V在线热处理尖轨服役状态下廓形演化规律分析

董华利

（中铁物总技术有限公司，北京 100036）

U75V在线热处理尖轨服役状态下廓形演化规律分析

董华利

（中铁物总技术有限公司，北京 100036）

通过对U75V在线热处理尖轨服役状态下的廓形变化进行统计分析，初步探讨顶面磨耗和侧面肥边的变化情况，总结出尖轨的廓形演化规律。研究表明，随着服役时间的增加（即通过总质量的增加），磨耗和肥边均持续增加，但统计显示肥边面积存在波动；波动的主要原因为在岔区轮轨复杂应力作用下，部分肥边被磨损，当磨损的肥边与新增肥边面积相等时，肥边面积显示为零增长状态，但轮廓线已沿着载荷方向进行了迁移，发生了肥边实质性的增加。该研究具有重要的理论意义和实际工程价值。

U75V；在线热处理；尖轨；廓形；磨耗；肥边；通过总质量

0 引言

道岔是铁路线路的三大薄弱环节之一，直接影响着列车的运行速度和行驶安全，道岔中的尖轨作为转辙器部分变换车轮轨迹的重要轨件，其廓形状态对轮轨接触动力学及列车变换轨道时的平稳性具有重要影响。尖轨廓形一方面影响岔区的轮轨接触关系，另一方面尖轨的廓形变化也反映出岔区轮轨接触应力的变化情况。制造的高品质道岔也应包括良好的轨件廓形，而轨件廓形一方面取决于与轮轨接触应力的作用，另一方面也取决于廓形本身的优化和轨件材质的优化。

关于廓形和材质方面的优化国内已有较多研究。结构方面，周清跃[1]从高速铁路轮轨形面匹配方面进行研究，提出我国高速铁路新轮与新轨的几何形面不匹配，建议统一动车车轮形面并开展新轨头廓形钢轨的研发和应用，以改善轮轨接触关系；刘丰收[2]对新轨头廓形75N钢轨进行仿真计算和试验研究，指出75N钢轨的新型廓形显著改善了轮轨关系；苏航[3]对60N新廓形钢轨进行跟踪观测分析，研究出更适合当下轮轨接触关系的60N新廓形钢轨；王平[4]研究了轮轨磨耗对岔区轮轨接触行为的影响；王树国[5]针对曲线尖轨使用寿命短的问题，研究并实践了直曲组合型曲线尖轨技术，系统分析了曲线尖轨线型对其磨耗特性的影响；关于轨件廓形的检测和打磨也多有研究[6-9]。材质方面，热轧轨的强度、硬度和耐磨性较低，磨损较为严重，在线热处理工艺作为钢轨强化的主要方式之一，引起各国钢轨生产厂的广泛重视，具有较大的市场价值[10-11]。王树青等[12-13]研究了钢轨的全长淬火工艺和性能；康皓[14]系统研究了U75V重轨在线热处理工艺的关键技术；董华利[15]分析了U71Mn、U75V和U78CrV钢轨在线热处理后性能改善比较的情况，指出从强度和硬度指标分析，在线热处理对U75V钢轨的性能改善效果最佳。

在众多研究中，多为分散地研究廓形、打磨或在线热处理，目前尚未发现对强化后的尖轨（U75V在线热处理尖轨）服役状态下的轨顶面轮廓演化规律进行统计分析。从这个角度出发，研究U75V在线热处理尖轨在服役状态下轨顶面的廓形演化规律，探索廓形演化与通过总质量间的内在联系，为尖轨的持续优化提供基础数据积累。

1 试验材料及方法

文献[15]指出从强度和硬度指标分析，在线热处理对U75V钢轨的性能改善效果最佳，因此试验材料选用国内生产的U75V在线热处理钢轨，成分及性能均满足TB/T 3109—2013《铁路道岔用非对称断面钢轨》要求，加工成尖轨，铺设于某车站。新铺设的道岔为SC（07）390，60 kg/m轨，9号混凝土道岔，原岔位替换，该岔位通过总质量约33万t/d。通车前对直尖轨和曲尖轨20 mm、35 mm、50 mm断面的廓形进行测量，并将首次测量的廓形作为后续测量和分析的基准，每隔60～100 d对廓形进行跟踪测量。服役633 d作为观测终止点，测量结束后，尖轨廓形良好，伤损较小，继续服役，原热轧尖轨服役180 d即失效下道，在线热处理尖轨的服役寿命至少比热轧尖轨延长了2.5倍。采用钢轨廓形测量仪对廓形进行检测，采用数码相机对尖轨表面状态进行采集。

2 测试结果分析

2.1 测量统计分析

服役633 d后的测量结果见图1、图2。曲尖轨和直尖轨均出现磨耗和肥边现象，曲尖轨磨耗和肥边相对较为严重，且曲尖轨存在较多的鱼鳞纹和局部轻微剥离掉块。曲尖轨伤损较为严重的主要原因：开通曲股时，车辆变道，在离心力作用下，曲尖轨承受较大的侧向挤压应力，开通直股时直尖轨基本不受侧向挤压应力。总体而言，曲尖轨的受力复杂和恶劣程度高于直尖轨，因此其伤损较为严重。

图1 服役633 d后曲尖轨50 mm断面形貌及廓形变化

图2 服役633 d后直尖轨50 mm断面形貌及廓形变化

曲尖轨的磨耗和肥边统计结果见图3。曲尖轨磨耗总体趋势：随着服役时间的增加，磨耗面积逐渐增大，服役633 d后，20 mm断面的最大磨耗面积为24.968 mm2、35 mm断面为27.203 mm2、50 mm断面为28.543 mm2。曲尖轨各特征断面肥边的总体趋势：宽断面的肥边程度严重，小断面肥边稍轻，随着服役时间的增加，肥边面积出现减小和增加的反复现象，服役633 d后，20 mm断面最大肥边面积为3.753 mm2、35 mm断面为5.244 mm2、50 mm断面为21.212 mm2。

直尖轨的磨耗和肥边统计结果见图4。服役633 d后，直尖轨磨耗总体趋势：随着服役时间的增加，磨耗面积逐渐增大，20 mm断面的最大磨耗面积为4.848 mm2、35 mm断面为4.629 mm2、50 mm断面为22.631 mm2。直尖轨肥边变化趋势：随着服役时间的增加，各断面位置肥边面积逐渐增加，局部阶段出现反复增减现象。

统计结果表明，随着服役时间的增加，尖轨磨耗面积持续增加，肥边面积存在增加和减小的波动现象，且宽断面的磨耗和肥边量均高于窄断面。

图3 曲尖轨各断面特征参数随时间的变化情况

图4 直尖轨各断面特征参数随时间的变化情况

2.2 廓形演化规律

从各阶段廓形对比的角度对50 mm断面的廓形演化规律进行具体分析。服役不同阶段尖轨50 mm断面廓形的变化情况见图5。可以发现廓形的变化规律，即随着服役时间的增加，磨耗增加，与图3（a）和图4（a）的统计规律相同；肥边整体呈现增加趋势，而图3（b）和图4（b）中肥边的变化不明显，甚至存在肥边面积下降的现象，主要原因为部分肥边被磨损消耗。

尖轨廓形演化示意见图6。曲线ABCDEF为原始廓形；曲线ACGEF为服役一段时间后第一次测量的廓形；曲线ADGF为服役一段时间后第二次测量的廓形。第一次磨耗面积为ABC，第二次磨耗面积为ABD=ABC+ACD，由此可知，随着服役时间的增加，磨耗面积持续增加；第一次肥边面积为CGE，第二次肥边面积为DGF，DGF=DEG+GEF=CGE－CDG+GEF。第二次肥边与第一次肥边存在如下关系：第二次肥边面积－第一次肥边面积=DGF－CGE=GEF－CDG，即随着服役时间的增加，肥边面积的增量取决于GEF（本次新增加的肥边面积）和CDG（上次肥边磨损面积）面积的大小，若GEF＞CDG，则肥边面积增量为正值，否则为负值。体现在图3（b）和图4（b）的规律上即是肥边面积的增加存在波动现象。

图5 服役不同阶段尖轨50 mm断面廓形变化情况

图6 尖轨廓形演化规律模型示意图

从图6还可以发现，曲线AD与曲线ABCD圆弧正交线相交之间的差值（磨耗量正值）明显大于曲线AC与曲线ABCD圆弧正交线相交间的差值，即随着服役时间的增加，磨耗量正值逐渐增大（体现出磨耗的增加），图3（a）和图4（a）的曲线斜率为正值。由于受力作用的方向性差异，曲线CGE与曲线CDEF圆弧正交线相交之间的差值（磨耗量负值）和曲线DGF与曲线CDEF圆弧正交线相交之间的差值变化并不明显，处于一个稳定水平，体现在图3（b）和图4（b）上，即反映出随着服役时间的增加，磨耗量负值变化不大，处于较稳定状态，曲线斜率很小，并出现负值的现象。分析表明，随着服役时间的增加（即通过总质量的增加），磨耗和肥边均持续增加，但统计显示肥边面积存在波动。波动的主要原因为：在岔区轮轨复杂应力作用下，部分肥边被磨损，当磨损的肥边与新增肥边面积相等时，肥边面积显示为零增长状态，但轮廓线已沿着载荷方向进行了迁移，发生了肥边实质性的增加。

将轮轨作用力沿水平方向和垂直方向进行分解，垂直力主要作用于轨顶面，水平力主要作用于轨顶侧面，垂直分力一方面导致轨顶面产生磨耗，另一方面导致轨顶面金属产生塑性变形流动，沿着R13 mm圆弧方向流向尖轨工作边的侧面，产生肥边，水平分力主要导致轨顶侧面的磨耗，这种磨耗作用将垂直分力产生的肥边进行磨损，表现在宏观形貌上即尖轨小断面肥边量较少，具体量的变化取决于垂直分力的肥边效应与水平分力的磨耗作用的相对大小。由于轮轨硬度匹配关系和车轮载荷对尖轨工作边冲击作用的影响，在服役初期，尖轨即形成肥边，在随后的服役状态下，由于转向架蛇形运动的影响，车轮水平分力会对之前形成的肥边进行碾压、冲击或磨损，导致肥边不同程度减小。肥边减小到一定程度时，车轮垂向分力会再次产生新的肥边，同样新的肥边会再次被磨损而减小。因此，总体趋势为：服役初期迅速产生肥边，随后肥边程度有所降低，随着服役时间的继续增加，肥边会出现一定程度的反复增减。

3 结论

（1）随着服役时间的增加（即通过总质量的增加），U75V在线热处理尖轨的磨耗和肥边均持续增加，但统计显示肥边面积存在波动。

（2）肥边面积波动的主要原因为：在岔区轮轨复杂应力作用下，部分肥边被磨损，当磨损的肥边与新增肥边面积相等时，肥边面积显示为零增长状态，但轮廓线已沿着载荷方向进行了迁移，发生了肥边实质性的增加。

[1]周清跃，刘丰收，田常海，等．高速铁路轮轨形面 匹配研究[J]．中国铁路，2012(9)：33-36．

[2]刘丰收，周清跃，张澎湃，等．75N钢轨的试验研 究[J]．铁道工程学报，2014，31(11)：50-53．

[3]苏航．60N新廓形钢轨跟踪观测分析[J]．铁路技术 创新，2016(2)：52-54．

[4]王平，刘哲．轮轨磨耗对岔区轮轨接触行为的影响[J]. 铁道工程学报，2016，33(1)：46-51．

[5]王树国，王猛，司道林，等．曲线尖轨线型对其磨 耗特性影响的研究[J]．铁道建筑，2015(1)：87-92．

[6]王军平，单连琨，丁军君，等．个性化钢轨廓形打 磨方法分析[J]．铁道建筑，2015(11)：131-133．

[7]徐济松，高春雷，王发灯．钢轨断面轮廓检测技术 研究[J]．铁道建筑，2015(1)：84-86．

[8]贾怀珍，蔡永林，崔宁宁，等．钢轨打磨量的分析 计算[J]．中国铁路，2013(2)：56-58．

[9]占栋，于龙，肖建，等．钢轨轮廓全断面检测中轨 廓动态匹配方法研究[J]．铁道学报，2015，37(5)： 71-77．

[10]周镇国，王树清．我国钢轨全长热处理技术的研 究和应用[J]．中国铁路，1998(8)：9-14．

[11]孟凡林，吴细水，熊卫东．钢轨分级使用与热处 理钢轨[J]．铁道建筑，2005(8)：1-4．

[12]王树青，周清跃，周镇国．高碳钢钢轨全长淬火 的性能[J]．金属热处理，1992(7)：27-33．

[13]周清跃．钢轨全长淬火工艺及性能的研究[J]．金 属热处理，2000(2)：11-14．

[14]康皓．U75V重轨在线热处理工艺关键技术的实验 研究[D]．沈阳：东北大学，2012．

[15]董华利．U71Mn、U75V和U78CrV钢轨在线热处理后 性能改善比较[J]．金属热处理，2016，41(8)： 133-137．

Analysis on Profile Change Rules of Heat Treated U75V Point Rail in Service

DONG Huali
（China Railway Material Technology Co Ltd，Beijing 100036，China）

Based on statistics and analysis of profile change of heat treated U75V point rail in service, the paper makes preliminary discussion on the changes of top wear and side lip and concludes the rules of profile changes of point rail. The study shows that as service time (total mass passed) increases, the wear and lip increase,however, the statistics prove the fluctuation of the lip area; the wheel-rail stress in the switch zone is complicated,some of the lips are worn, when the area of worn lip equals to that of the new lip, the lip area shows nothing changed, while its contour line has already moved along loading direction, which makes the lip increase, this is why the fluctuation of lip area occurs. The study is of great importance to both theoretical study and railway practice.

U75V；on-track heat treatment；point rail；profile；wear；lip；total mass passed

U213.6+3

A

1001-683X（2017）11-0077-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.077

董华利（1977—），男，高级工程师。E-mail：hldong@126.com

责任编辑 高红义

2017-06-25