27 t轴重条件下重载铁路钢轨适应性研究

李 闯，张银花，田常海，王宗新，王 猛，杨 光

(中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081)

重载运输是世界铁路货运的重要发展方向，增加轴重是实现重载运输的主要方式之一，是提高运能和效益的有效途径[1]。钢轨是重载铁路的重要组成部件，起着承载并导向列车的双重作用，其性能直接影响着铁路运输的安全[2-4]。大秦重载铁路是世界上年运量最大的铁路线，随着大秦线运量、轴重和单列最大载重的不断增加，为满足其运营要求，钢轨断面尺寸及强度等级不断增加，目前重车线主要铺设75 kg·m-1重型钢轨[5-8]。2013年，中国铁路总公司对既有线运用27 t轴重货车研究工作进行了阶段总结和部署，针对我国既有线条件，开展增加铁路货车轴重研究；2014年，太原铁路局开始在大秦线运行27 t轴重的C80E型货车[9]。在轴重提高至27 t条件下，钢轨的使用性能、伤损规律、使用寿命、维修养护技术等无成熟的经验可循，针对钢轨的适应性等问题，尚未开展系统的相关技术研究工作。

本文通过资料调研和现场观测对大轴重条件下钢轨伤损发展规律进行分析，研究钢轨在大轴重条件下的适应性。针对调研及分析结论，提出大轴重条件下钢轨维修养护建议。

1 钢轨伤损类型及发展规律

以大秦线K164+000—K326+345作为统计分析区段，该区段铺设U78CrV在线热处理钢轨。利用重车线钢轨伤损台账，经过统计分析，获得钢轨伤损类型、累计通过总重与每公里钢轨伤损率关系及钢轨伤损发展规律。

1.1 钢轨伤损类型

2011年，对大秦线该区段进行大修更换钢轨；2014年，该批钢轨下道，下道时线路累计通过总重为1 670 Mt。2014年新轨铺设上道，该批钢轨于2018年进行部分更换(K164—K238区间)，使用寿命约为2 060 Mt。

直线区段钢轨上道至下道期间钢轨伤损类型及位置分布如图1所示。由图1可知，重车线钢轨伤损类型主要为焊接伤损，约占总伤损的70%；钢轨伤损主要发生在轨头和轨底，二者合计超过总伤损的90%，其余为轨腰伤损。

虽然大秦线该区段钢轨伤损类型占比中闪光焊高于铝热焊，但是铝热焊的伤损率高于闪光焊。该区段2014年后开始使用75 m长钢轨，在焊轨基地将钢轨焊接成长轨条，轨条之间用铝热焊焊接，闪光焊与铝热焊接头的数量比约为5∶1，由图1(c)统计结果可知闪光焊与铝热焊的伤损占比约为2.5∶1，因此从焊接接头总数和伤损占比可以推算，铝热焊的伤损率约为闪光焊的2倍。

图1 钢轨伤损类型及位置分布图

1.2 钢轨伤损发展规律

对该区段直线段累计通过总重与每公里钢轨累计伤损率进行统计分析，结果如图2所示。由图2可以看出：2011—2014年累计通过总重为1 000 Mt时，母材和焊缝累计伤损率分别为1.6和5.1处·km-1；2014—2016年累计通过总重为1 000 Mt时，二者累计伤损率分别为1.2和3.1处·km-1，焊缝伤损率约为母材的2～3倍，焊缝伤损较2014年前大幅降低。

图2 直线区段累计通过总重与每公里钢轨累计伤损量分布

月伤损量统计结果如图3所示。由图3可以看出，钢轨伤损主要发生在温度较低的12—2月份，温度较高的6—8月份钢轨伤损量最低，冬季钢轨伤损量约为夏季的2倍。

图3 直线区段钢轨月伤损量分布

由图2分析可知，2014年大秦线开行27 t轴重列车后，钢轨伤损率反而降低。分析钢轨使用情况发现，2014年上道新钢轨均为75N新轨头廓形钢轨，钢轨廓形的优化改善了轮轨关系，有效避免或抑制轨距角剥离掉块及母材疲劳核伤，减少钢轨伤损，延长了钢轨使用寿命。2014年后，大秦线开始使用75 m长钢轨，焊缝数量减少，此外，焊接质量的提高，都是焊缝伤损大幅降低的原因。由于27 t轴重货车占比仅为10%，目前尚未引起钢轨和焊缝伤损的增加，相反，由于采用了75N新廓形、75 m定尺长钢轨及近年来钢轨和焊缝质量的不断提高，2014年后更换的钢轨母材和焊缝的伤损量率明显降低。

2 钢轨使用寿命关键控制因素

2.1 直线区段

对大秦线直线区段钢轨使用情况进行跟踪观测，分析钢轨磨耗随通过总重变化规律，结果如图4所示。由图4可知，直线段磨耗速率相对较小，磨耗速率约为0.002 mm·Mt-1。

图4 大秦线直线区段钢轨磨耗

直线段钢轨轨面光洁，使用状况较好(图5)。因此在钢轨磨耗小且表面状态良好的情况下，钢轨伤损是直线区段影响钢轨使用寿命的主要因素。重载线路钢轨的伤损类型主要有焊接接头伤损、核伤、孔裂等，在各伤损类型中，焊缝伤损占比最高，约占总伤损的70%。

图5 K390直线钢轨轨面状态

2.2 曲线区段

现场跟踪4条小半径曲线，参数见表1。

由现场测试数据绘制曲线，分析钢轨磨耗随着通过总重增加的变化规律，结果如图6所示。由图6可知，曲线上股钢轨的侧磨发展较快，半径为500 m的K306曲线和半径为600 m的K308曲线，因上股磨耗严重，分别于2017年4月和2018年4月进行了换轨，曲线下股钢轨2014年更换后使用至今。而半径为800 m的K390和K403曲线，上股钢轨的侧磨相对较小，2015年10月上道使用至今仍未换轨。K306曲线的上股钢轨侧磨速率约为0.02 mm·Mt-1，K390曲线的约为0.005 mm·Mt-1，K403曲线的约为0.002 mm·Mt-1；相同曲线半径下，U77MnCr热处理钢轨磨耗量大于U78CrV热处理钢轨。

表1 大秦线小半径曲线参数

曲线上股钢轨主要的伤损形式为轨距角鱼鳞纹和踏面中心的剥离掉块，随着钢轨侧磨的加剧以及钢轨打磨的开展，轨距角鱼鳞纹一般不会发展为剥离掉块，而踏面中心的剥离掉块也没有发展为连续大面积的掉块(图7)。由此可见，侧磨是影响曲线上股钢轨使用寿命的关键控制因素，一般曲线半径越小，钢轨的磨耗越严重。

曲线下股钢轨主要伤损形式为踏面中心的剥离掉块及非工作边的肥边，但通过打磨(或铣磨)可得到明显改善。曲线下股裂纹起源于钢轨踏面中心表层，并以与钢轨顶面成一定角度向轨头内部扩展，当鱼鳞纹扩展到一定深度时，转为横向发展，形成剥离掉块[10]。随使用时间延长，剥离掉块有向两侧扩展的趋势，踏面中心位置伤损减轻(图8)。分析认为，钢轨使用初期车轮主要与钢轨踏面中心区域接触，随踏面中心位置磨耗增加，轮轨接触区域面积增加，踏面中心区域剥离掉块现象减轻，两侧区域开始产生剥离掉块[11]。曲线下股钢轨与直线地段使用寿命基本一致，因此伤损是影响曲线下股钢轨使用寿命的主要因素。

图8 K308曲线下股钢轨轨面状态

3 钢轨适应性讨论及分析

3.1 钢轨强度等级

线路上的钢轨类型应与运量、线路允许速度和轴重相适应，按不同线路要求科学合理选用不同材质和强度等级的钢轨。大秦线于2014年开行27 t轴重列车，对比2014年前后伤损情况可以看出，27 t轴重货车的开行，未造成钢轨伤损量增加，相反，2014年后1 000 Mt通过总重时累计总伤损率由6.7处·km-1降低至4.3处·km-1(图2)。在大秦重车线，直线和曲线大多数铺设强度等级为1 280 MPa级的U78CrV在线热处理钢轨，直线段钢轨磨耗速率较小(图4)。对于重载曲线，钢轨使用寿命由上股钢轨的侧磨决定，半径为800 m的曲线U78CrV在线热处理钢轨耐磨性能明显优于U77MnCr热处理钢轨(1 180 MPa级)，半径为500和600 m的曲线钢轨磨耗速率较快，钢轨的使用寿命约为500 Mt。既有研究表明，提高金属材料的硬度可提高其耐磨性，因此对于27 t轴重的重载铁路，磨耗较快的曲线可使用比U78CrV强度级别更高的钢轨，目前研究和使用比较成熟的过共析钢轨在重载小半径曲线使用，耐磨性能可提高20%～25%，半径500～600 m曲线钢轨的使用寿命预期将会超过600 Mt。在此种情况下，结合前期研究成果，建议在27 t轴重条件下直线及半径大于1 600 m的曲线区段选用强度等级不低于980 MPa的钢轨，在半径不大于1 600 m的曲线区段选用强度等级不低于1 180 MPa的钢轨，半径不大于800 m的曲线区段选用强度等级不低于1 280 MPa的钢轨，侧磨较快的小半径曲线建议铺设耐磨性能更好的过共析钢轨。

3.2 钢轨型面

我国重载铁路目前主要采用75和60 kg·m-1钢轨，包括60，60N，75和75N这4种钢轨型面。LM车轮型面与不同钢轨型面匹配时的轮轨接触点分布情况如图9所示。由图9可知，相较于60，75钢轨型面，LM车轮型面与60N和75N钢轨型面匹配时轮轨接触点能够更加集中地分布于轨头中心附近，可有效避免车轮轮缘根部与轨距角接触，将有利于改善车轮轮缘根部和钢轨轨距角疲劳伤损。

进一步统计分析27 t轴重下，4种轮轨型面匹配组合对应的脱轨系数和轮重减载率最大值情况如图10所示。由图10可知，4种轮轨型面匹配组合对应的脱轨系数和轮重减载率最大值均远小于其安全限值，60N和75N钢轨型面与LM车轮型面匹配对应的脱轨系数和轮重减载率最大值均小于60和70钢轨型面与LM车轮型面匹配时；60N钢轨型面对应的脱轨系数和轮重减载率最大值略大于75N钢轨型面。

从磨耗的角度看，75N钢轨与60N钢轨相比断面尺寸更大，因此更加耐磨；从接触应力看，75N钢轨轮轨接触面积大于60N钢轨，接触应力相对较小，满足目前大轴重的要求。75N钢轨的使用结果表明[12]，是否进行预打磨对重载铁路钢轨的使用无明显的影响，在钢轨无表面伤损的情况下可以不进行钢轨预打磨，因此建议27 t轴重条件下优先选用75N钢轨。

图9 LM车轮型面与不同钢轨型面匹配关系

图10 车辆运行安全性指标

3.3 钢轨养护维修

由于大秦线运输繁忙，线路维修时间或“天窗”极其有限，采用每年4月和9月集中修策略，钢轨打磨多在此期间进行，重载铁路打磨周期相对较长。我国重载铁路打磨深度在轨顶中心区域能达到0.1～0.2 mm，从实际打磨效果看，直线和大半径曲线基本能去除掉钢轨疲劳伤损，因此建议直线和大半径曲线钢轨预防性打磨按现有维修周期进行。根据大秦线小半径曲线伤损发展规律来看，新铺设钢轨铺设上道约2个月后出现鱼鳞纹，此时对应通过总重约为70～80 Mt，因此建议27 t轴重条件下小半径曲线地段打磨周期为50～100 Mt。此外，侧磨及伤损严重地段可适当缩短打磨周期。

为减缓曲线钢轨的磨耗、抑制钢轨剥离掉块，应科学合理的采用钢轨润滑技术。建议当钢轨的侧磨速率小于0.01 mm·Mt-1时，不采用任何形式的润滑。固体润滑剂可在轮轨接触界面之间形成固态润滑膜，隔开轮轨摩擦副表面，不会加剧钢轨剥离掉块，是轮轨润滑技术的发展方向。润滑剂应准确涂覆在曲线上股钢轨轨距角部位以及轨顶面以下14～30 mm处的轨头侧面部位，不得涂覆在轨顶面上，以免影响轮轨有效黏着和牵引力，造成车轮打滑。在轨顶面以下14～16 mm处的轨头侧面部位未出现磨耗时，不得进行润滑。

4 结论及建议

(1)大秦铁路钢轨主要伤损类型为焊缝伤损和母材核伤，焊接伤损约占总伤损的70%，母材伤损约占26%，焊缝伤损约为母材伤损的2～3倍。温度对钢轨伤损影响明显，冬季伤损量约为夏季的2倍。2014年后1000 Mt通过总重时累计总伤损率由6.7处·km-1降低至4.3处·km-1，使用75N新廓形及75m长钢轨是伤损率降低的主要原因。

(2)直线和大半径曲线区段钢轨磨耗速率相对较小，钢轨使用状况较好，因此直线和大半径曲线区段影响钢轨使用寿命的域素主要为伤损。小半径曲线钢轨主要的伤损形式为鱼鳞纹和剥离掉块，随着钢轨磨耗的加剧及钢轨打磨的开展，伤损并未明显发展，上股钢轨侧磨速率相对较大，下股与直线区段使用寿命基本一致，因此小半径曲线上股钢轨使用寿命主要影响因素为磨耗，下股钢轨使用寿命主要影响因素为伤损。

(3)对于27 t轴重线路，建议直线及半径大于1 600 m的曲线区段应选用强度等级不低于980 MPa的钢轨，在半径不大于1 600 m的曲线区段应选用强度等级不低于1 180 MPa的钢轨，半径不大于800 m的曲线区段应选用强度等级不低于1 280 MPa的钢轨，侧磨较快的小半径曲线建议铺设耐磨性能更好的钢轨。选用75N新廓形钢轨，保持良好的轮轨关系，大力推广使用长定尺的钢轨。建议直线及大半径曲线地段，按现有维修周期进行打磨，小半径曲线地段，每50～100 Mt打磨1次，侧磨、伤损严重地段可适当缩短打磨周期。