高速铁路钢轨平顺性现状及控制参数

石彤 杨光 王宗新 任屹

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

高速铁路线路基础设施直接承受列车荷载。列车荷载通过钢轨传递到轨道结构，再依次传递至下部基础。钢轨不平顺幅值和波长变化均会引起车辆-轨道系统振动响应，其中钢轨振动程度最大［1-2］。250 ～350 km/h行车速度等级的余弦形低塌、叠合形低塌、短波不平顺幅值的安全限值均小于200 ～250 km/h 行车速度等级［3］。同时，在3 m 范围内的短波长不平顺状态下，高速列车产生的较高频率激振易与轨道形成共振，对轨道产生很大的破坏力并发出剧烈的噪声［4］。另外，在不平顺严重处，轮轨间作用力最大可达静轮载的3倍，并伴随有轮轨脱离现象，大幅恶化钢轨的工作状态，缩短其寿命，并会对行车安全构成威胁，同时会对不平顺位置附近2 ～3处钢轨支点的钢轨-轨枕反力产生较大影响，造成支点反力增大，加速轨下胶垫老化［5］。可见，钢轨平顺性控制对于轮轨部件服役安全和使用寿命至关重要。列车运行速度提升后，轮轨系统对于钢轨平顺性变化更为敏感。

基于列车运行速度提升对钢轨不平顺控制的更高要求，有必要开展高速铁路钢轨平顺性技术参数研究，明确钢轨平顺性关键几何控制参数，保障铁路运行的舒适性和安全性。本文从目前国内外钢轨平顺性技术标准出发，结合钢轨母材出厂检验和现场使用情况，研究高速铁路钢轨的平顺性特点，分析高速铁路钢轨平顺性关键控制参数，为更高速度条件下的钢轨平顺性技术提供依据。

1 国内外钢轨平顺性控制标准

1.1 钢轨标准

中国标准 TB/T 2344.1—2020《钢轨 第 1 部分：43 kg/m～75 kg/m 钢轨》、欧洲标准EN 13674‐1：2011+A1：2017《轨道交通轨道钢轨第1部分：46 kg/m及以上T 型钢轨》、日本标准JIS E1101—2001：+2006：+2012《热轧平底钢轨及道岔用特殊断面钢轨》、美国标准AREMA—2017《工程师手册第4 章钢轨》、俄罗斯标准ΓOCT P51685—2000：+2005：+2010《铁路钢轨通用技术条件》、韩国标准KRS TR 0001‐15（R）《钢轨》对钢轨母材平顺性均有控制性要求，见表1。作为对比，将中国旧版标准TB/T 3276—2011《高速铁路用钢轨》也列在表中。

TB/T 2344.1—2020规定，对于运行速度200 km/h及以上，钢轨轨端0 ～1.5 m部位要求垂直方向平直度不大于0.3 mm/1 m、不大于0.35 mm/1.5 m。不大于0.3 mm/1 m 是对于钢轨生产厂家在钢轨生产过程中对外观质量的自检要求，采用厂内自动检测设备检查；不大于0.35 mm/1.5 m 是第三方检验单位对钢轨成品的检测要求，采用1.5 m 平直尺进行检查。对于轨身垂直方向，采用厂内自动检测设备检测要求3 m范围内平直度不大于0.3 mm，是为了防止3 m 的矫直辊或轧辊造成的钢轨不平顺。

与 TB/T 3276—2011 相比，TB/T 2344.1—2020 主要将2 m范围平直度的要求调整为1.5 m，更便于现场测试。

国外标准中对钢轨平顺性要求最严格的是欧洲标准。与欧洲标准相比，中国标准对轨身平直度控制要求相同，在轨端和重叠区平直度控制范围和幅值存在细微差异，总体控制水平相当。可见，中国钢轨平直度控制标准与国外先进标准接轨。

1.2 钢轨维修标准

维修标准方面，TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》对钢轨母材平直度的要求与TB/T 3276—2011相同。主要限制指标如下。

1）轨端。垂直方向：向上不大于0.3 mm/1 m 或不大于0.4 mm/2 m，向下不大于0.2 mm/2 m；水平方向：不大于0.4 mm/1 m或不大于0.6 mm/2 m；

2）重叠区。垂直方向：不大于0.3 mm/2 m；水平方向：不大于0.6 mm/2 m；

3）轨身。垂直方向：不大于0.3 mm/3 m 和不大于0.2 mm/1 m：水平方向：不大于0.5 mm/2 m。

TB/T 2344.1—2020 已于 2021 年 7 月 1 日正式实施，高铁线路相关维修规则中关于钢轨平直度的内容也将随之修订。

2 钢轨平顺性现状

2.1 出厂钢轨平顺性状态

收集近10 年我国钢轨生产厂家高速铁路钢轨轨端（贴标签端、无标签端）和重叠区（贴标签端、无标签端）的平直度出厂检验测试数据，共计12 607 个。平直度测试及检验方法按照TB/T 3276—2011，轨端测试位置距轨端0 ～2 m，重叠区测试位置距轨端1 ～3 m。

各钢厂高速铁路钢轨平直度分布见图1。可知：高速铁路钢轨平直度绝大部分控制在0.3 mm/2 m 以内，极少数大于0.4 mm/2 m；A 厂—E 厂生产的钢轨平直度在0.3 mm/2 m 内的分别占比92.37%、96.32%、97.64%、95.09%、95.11%，B 厂、C 厂在 0.4 mm/2 m 以内的占比高于 99%，A 厂、D 厂、E 厂在 0.5 mm/2 m 以内的占比高于99%。

图1 各钢厂高速铁路钢轨平直度分布

统计所有钢厂整体数据可知，钢轨平直度控制在0 ～ 0.1（含）mm/2 m、0.1 ～ 0.2（含）mm/2 m、0.2 ～0.3（含）mm/2 m 的占比分别为47.58%、30.17%、16.88%，即能够控制在0.3（含）mm/2 m 以内的累计占比为94.62%；控制在0.3 ～0.4（含）mm/2 m、0.4 ～0.5（含）mm/2 m 及 0.5 mm/2 m 以上的分别占比为3.95%、1.11%、0.32%。

高速铁路钢轨平直度平均值随时间变化曲线见图2。可知，高速铁路钢轨平直度平均值整体呈下降趋势，说明对该指标的控制越来越精准、高效，高速铁路钢轨平顺性越来越好。

图2 高速铁路钢轨平直度平均值随时间的变化曲线

出厂时高速铁路钢轨不同部位的平直度分布见图3。可知：轨端垂直方向、轨端水平方向、重叠区垂直方向、重叠区水平方向的平直度不合格占比分别为0.77%、0.14%、1.28%、0.04%，评判时其合格标准依次按不大于0.4 mm/2 m、不大于0.6 mm/2 m、不大于0.3 mm/2 m、不大于0.6 mm/2 m。由于规范对高速铁路钢轨重叠区垂直方向平直度要求最高，其不合格率相对较高。对于重叠区垂直方向，钢轨平直度控制在0 ～ 0.1（含）mm/2 m、0.1 ～ 0.2（含）mm/2 m、0.2 ～0.3（含）mm/2 m 的分别占比为51.72%、30.79%、16.21%，即能够控制在0.3（含）mm/2 m 以内的累计占比为98.72%；控制在0.3 ～ 0.4（含）mm/2 m、0.4 ～0.5（含）mm/2 m的分别占比1.14%、0.14%。

图3 高速铁路钢轨不同部位平直度分布

采用1 m 电子平直尺对钢轨两端距轨端2 ～3 m处进行垂直方向平直度测量，数据集中范围见表2。可知，2019 年 A 厂、B 厂、D 厂的平直度偏差控制得相对较差。其原因是钢轨生产线采用三机架连轧布置方式，轧件在三架轧机中稳定轧制时，轧件处于平直状态，但这种平直状态是通过机架间的轧制力和连轧张力控制的，轧件脱离孔型时会出现张力突然消失的情况，产生甩尾现象。甩尾产生的摆动力使下一孔型的金属充填出现瞬间异常，导致钢轨轧制尾端局部不平顺。只要存在连轧关系，就存在钢轨尾端不平顺的可能性。针对这一问题，钢厂采用修磨的方式进行处理。2020 年采用全万能或5 道次轧制方法进行改进，平顺性提高明显，钢轨修磨明显减少。

表2 1 m电子平直尺测量钢轨距轨端2 ～3 m处垂直方向平直度集中范围 mm

2.2 服役钢轨平顺性状态

服役中的钢轨母材不平顺主要出现在高速铁路有砟轨道，表现为钢轨表面存在明显光带变化。一线路现场测试发现，钢轨表面光带出现明显宽窄变化，如图4 所示。用1 m 电子平直尺对宽光带位置进行测量，发现该位置存在低塌现象，最大值为0.524 mm。对钢轨低塌位置附近、钢轨头端及焊缝位置进行平直度测量，结果表明其他区域钢轨平顺性均较好。

图4 一线路平顺性较差钢轨表面光带

以百米为周期测试该线路其他3个区段的钢轨母材平顺性（测点均在钢轨尾端），结果见表3。可知，该线路母材不平顺主要表现为钢轨距轨端2 ～3 m 内有0.3 mm以上的低塌，不满足TG/GW 115—2012要求。

表3 一线路部分区段平直度

高速铁路钢轨百米周期性不平顺主要表现为有砟轨道钢轨距轨端2 ～3 m 内存在0.3 mm/1 m 以上的母材不平顺，这与钢轨母材初始不平顺有关，即三机架连轧过程中轧件脱离孔型时的失张甩尾，同时有砟轨道的线路条件也可能加速母材不平顺劣化。

钢轨轨面伤损也会导致钢轨母材踏面不平顺。一线路钢轨擦伤形貌见图5。经电子平直尺测量可知，伤损位置存在0.23 mm 凹坑。对钢轨表面进行硬度测试，伤损表面硬度最大约570 HB，伤损附近母材表面硬度约260 HB。

图5 一线路擦伤伤损表面形貌

3 关键几何控制参数分析

3.1 钢轨平顺性关键控制区域

从钢轨平顺性控制标准看，高速铁路钢轨主要从两个方向和三个区域来限制其平直度。两个方向包括垂直方向（垂向、行车面、轨顶面）和水平方向（侧向、工作边）；三个区域包括轨端（距轨端0 ～2 m）、重叠区（距轨端1 ～3 m）和轨身。从钢轨出厂检验情况看，平直度控制相对较弱的区域是重叠区垂直方向。

从现场使用情况看，目前出现的平顺性不良问题多发生于钢轨重叠区垂向。某有砟客运专线开通一段时间后出现周期性钢轨低塌不平顺、线路高低、轨枕空吊等现象，具体表现为距焊缝大里程方向2.2 ～2.8 m 出现轨顶面低塌、光带加宽6 ～10 mm，大大增加了人工维修成本［6］。从现场钢轨表面伤损情况看，钢轨擦伤出现于轨顶行车面，伤损产生的凹坑影响轨顶行车面的平顺性状态。

从高速动车组运行情况看，动车组高速运行的区段为直线和大半径曲线，轮轨主要接触区域为轨顶行车面，而钢轨工作边平顺性状态对高速运行的动车组运行性能无影响。因此，钢轨垂向的平顺性状态更为重要。

综上，高速铁路钢轨应重点关注钢轨重叠区垂向的平顺性状态。

3.2 钢轨平直度形貌特征

利用电子平直尺分别对A 厂、B 厂、D 厂生产的钢轨贴标签端1.5 ～ 2.5、2.0 ～ 3.0、2.0 ～ 3.0 m 位置进行垂直方向平直度测量。从平直度大于0.3 mm/1 m的典型曲线可以看出，A 厂钢轨平直度曲线主要呈现M 形和 W 形的变化特征，B 厂主要为 W 形和 N 形，D 厂多为V形（下凹），如图6所示。

图6 钢轨平直度典型曲线

4 结语

通过与国外标准对比可知，中国钢轨平顺性标准与国际接轨，个别指标更为先进。国内各钢厂高速铁路钢轨母材出厂检验平直度大多控制在0.3 mm/2 m以内（占94.62%），出厂水平良好；对重叠区垂直平直度的要求最高，控制在0.3（含）mm/2 m 以内的占98.72%；平直度典型曲线主要为M 形、W 形、N 形和V形。现场服役的高速铁路钢轨不平顺主要表现为钢轨距轨端2 ～3 m 内存在0.3 mm/1 m 以上的低塌不平顺和伤损钢轨轨顶面不平顺。

综合分析钢轨平顺性技术标准、出厂检验情况、现场使用情况，结合动车组高速运行特点，高速铁路钢轨应重点关注重叠区垂向的平顺性状态。