浅析高速铁路钢轨隐伤形成机理及维护策略

吴浩

（中国铁路上海局集团有限公司杭州工务段，浙江 杭州 310000）

高速铁路的钢轨投入使用后，与轮对相互作用会产生滚动接触疲劳损伤，主要表现为斜裂纹、鳞状裂纹或隐伤等，为高速铁路安全运营造成极大威胁。我国相对于发达国家来说，在钢轨隐伤研究方面起步较晚，所以目前依然没有形成健全、完善的维护体系。对此，需要我国深入研究高速铁路轮轨及线路工况之间存在的关系，深入分析钢轨隐伤的形成机理和发展过程，进而提出针对性维护建议，保证高速铁路始终处于安全运行状态。

1 高速铁路钢轨隐伤概述

钢轨隐伤就是指钢轨表面没有明显的伤痕，但内部存在微观缺陷或潜在损伤，如疲劳裂纹、夹杂物等。这些隐伤在初期通常不会对钢轨安全运行造成明显负面影响，但随着使用时间的推移，可能会逐渐扩展，导致钢轨强度降低，进而可能引发列车运行颠簸、失稳等问题，会严重时甚至会造成重大安全事故。可以将高速铁路钢轨隐伤的特点归纳为以下方面：（1）隐秘性强。由于钢轨表面光滑，肉眼很难发现其内部的损伤。往往需要通过专业的检测设备和仪器才能发现。（2）危害性大。虽然这些隐伤外表看似无恙，但实际上却可能引发列车脱轨、颠覆等严重事故。对乘客和货物运输都构成极大威胁。（3）不易修复。由于钢轨损伤多位于内部，修复难度较大。一旦发现需要更换整根钢轨，成本高昂。

2 高速铁路钢轨隐伤形成机理

2.1 钢轨擦伤白层组织形成机理

高速铁路钢轨运行过程中，擦伤是较为常见的隐伤类型之一，轮轨在特定条件下滑动会产生一层微观组织，主要为白色，如果不及时处理，会导致轨面产生裂纹。钢轨之所以产生擦伤，主要原因有两种，（1）启动机车时出现“空转”打滑现象；（2）制动“抱死”。可以将形成机理归纳为以下方面：第一，在高速铁路建设或养护过程中，由于大轴重机车违规操作，所以会形成厚度超过0.5mm 的白层组织，马氏体组织硬度一般在500～800HB，这种擦伤引发的微观组织会导致轨面脱离，并非隐蔽性损伤。第二，动车组的轮轨受多种因素影响导致黏着性被破坏，使其运行过程产生滑动现象，由于轴的重量较轻，所以形成的微观组织厚度一般在0.2mm范围内，也正是因为擦伤白层组织较薄，所以随着时间推移会逐渐形成隐伤。

2.2 延性耗竭形成机理

高速铁路的钢轨投入使用后，与轮对相互作用容易加大滚动接触疲劳损伤发生率，导致钢轨出现鳞状裂纹或斜裂纹。轨面组织在滚动接触疲劳长期作用下，会逐渐产生延性耗竭，进而导致钢轨形成隐伤。在动车组运行过程中，需要通过轨面为钢轨提供黏着力，才能使钢轨持续向前，通常调节黏着力大小需要对微滑区在滑移斑中的占比进行合理调整。为了了解轨面在不同黏着系数下的纵向切应力分布情况，需要采用有限元模拟方法进行准确计算，在具体实施中，如果将钢轨的廓形设置为60N，将轴的重量设置为17t，那么通过有限元模拟方法进行计算，可以准确得到轨面纵向切应力分布情况。结合计算结果分析来看，如果轨面提供的黏着力系数不足0.2，那么轨面以下0 ～2mm 深度的位置，纵向切应力相对较高，接近于表面裂纹。并且轨面的纵向切应力会随着黏着系数的增加而增加，如果黏着系数超过0.2，则容易导致轨面产生延性耗竭，进而形成滚动接触疲劳损伤。所以，车辆在行驶过程中，轨面提供的黏着系数，与钢轨隐伤的形成有密切联系。结合现场观测情况总结来看，我国高速铁路在运行过程中一旦产生延性耗竭，那么造成的隐伤大多位于站内区间或道岔区。这是因为站内区间的钢轨在动车组启动、制动、牵引作用下会承受较大作用力，而道岔区的钢轨在轨底坡及超高影响下会产生较大的接触应力，所以容易产生隐伤。据相关数据分析情况来看，道岔区钢轨相对正线钢轨来说，前者隐伤数量是后者的2 倍多。另外，钢轨组织的特点也与滚动接触疲劳损伤的产生有密切联系，主要可以从以下方面分析：（1）抗延性耗竭能力会随着钢轨剪切强度的提高而提高。（2）钢轨表层的杂物数量、尺寸大小以及裂纹产生数量与纯净度成反比关系，也就是纯净度越高的情况下，杂物越少、尺寸越小、裂纹产生率越低。（3）高速铁路的钢轨越平直，隐伤裂纹数量越少。

3 高速铁路钢轨隐伤的维护策略

3.1 对钢轨隐伤进行检测

由上文分析可以看出，高速铁路出现隐伤本身具有隐蔽性特点，加上发展速度较快，所以如果不及时处理，会导致钢轨断裂，进而为动车组安全运行造成极大威胁。对此，需要通过专业探伤检测的方式，及时识别隐伤并处理。具体如下。

（1）了解隐伤发生线路的主要特点。以上提到，高速铁路中的钢轨隐伤多发于站内区间及道岔区，所以在维护管理过程中，可以适当增加这两个区段钢轨的检测次数，缩短检测周期，尤其针对长大坡道等容易发生或已经发生擦伤的线路，需要选择合理方式开展探伤工作。另外，在隧道环境较为干燥的情况下，钢轨隐伤发生率也相对较低，所以可以适当减少检测和探伤频率。当钢轨出现隐伤裂纹后，受雨水、油脂产生的油楔作用，会导致隐伤裂缝加快拓展速度。例如，钢轨出现隐伤裂纹后，如果雨水进入其中，会导致内部出现一层白色氧化物，而隧道内部的钢轨由于具备遮挡物，所以很少受雨水侵蚀，因此可以减少检测次数。

（2）判断初期隐伤损伤的主要依据。首先，根据钢轨轨顶面硬度判断隐伤损伤，钢轨投入使用后，如果形成一定厚度的白色组织，那么轨面硬度一般在489HB左右，会在一定程度上造成延性耗竭，进而导致轨面出现隐伤，此时会产生硬化情况，硬度一般在431HB 左右。以上提到的隐伤，发生后轨面硬度相对较高，远远超出母材硬度。所以，在隐伤判断过程中，可以将测量出的踏面硬度作为主要依据。其次，将钢轨平直度作为判断隐伤损伤的依据。在钢轨隐伤不断发展的同时，钢轨也会出现断裂、塌陷等问题，以人工方式测量钢轨平直度，或检测车载垂向加速度，能够有效提高隐伤判断水平。再次，将钢轨是否存在白色组织作为隐伤判断的依据。国外有学者在研究中表明，珠光体组织和马氏体组织的电磁性能存在差异，所以可以通过电磁信号检测方式对钢轨的白色组织进行辨别，但这种检测方式存在误差大、干扰因素多、检测效率低的弊端，所以应用范围有限。我国在钢轨隐伤检测中，可以定期检测容易发生擦伤或已经发生擦伤的线路，检测过程可以将硝酸酒精溶液作为腐蚀剂，通过侵蚀钢轨表面，观察颜色变化情况。

3.2 隐伤钢轨打磨方法

日本作为发达国家，在高速铁路发展方面起步较早，但随着新干线建设规模逐渐扩大，钢轨隐伤也逐渐增加，而隐伤打磨就是日本针对新干线隐伤维护制定的有效策略。结合大量实践总结来看，经过40Mt 通过总质量时，钢轨表面会产生“V”型裂纹，这种裂纹也是钢轨初期形成的隐伤，通常深度在0.05mm 范围内，技术人员可以对裂纹进行打磨，避免隐伤持续发展。如果没有对隐伤进行及时打磨，会在钢轨塌陷的同时加大隐伤损害，导致裂纹进入快速发展时期。另外，在经过100Mt 通过总质量时，钢轨会出现黑斑或剥离等情况，这种情况代表隐伤进入中期阶段，裂纹深度会相应增加，一般在6mm 范围内，此时再使用打磨方式治理，效果则会大打折扣。在隐伤裂纹长时间发展中，会衍生出诸多新裂纹，并且裂缝较深，如果没有及时通过打磨方式处理干净，会为钢轨安全运行造成巨大威胁。结合日本钢轨隐伤维护经验来看，可以将打磨周期设置为40Mt，尽可能将钢轨隐伤控制在发展初期。除日本外，澳大利亚也在钢轨隐伤打磨方面开展了一系列研究工作，并将打磨周期设置在10 ～15Mt 范围内，在打磨隐伤过程中，需要将深度控制在0.05mm 左右。而英国则是以年为周期，每年将磨耗量控制在0.2mm 左右，这一磨耗量既包括打磨产生的磨耗，也包括自然磨耗。可以看出，钢轨母材的差异、运行环境的不同、车辆特点的区别，均会对隐伤打磨提出不同要求，需要各国根据实际情况制定科学合理的打磨策略。另外，据上文研究分析可以看出，我国高速铁路产生损伤的形式主要有两种，一种为延性耗竭，另一种为白色组织引发。其中，隐伤裂缝大多在马氏体周围产生，形成隐伤的通过总量相对较小。现阶段，我国在高铁隐伤打磨技术方面不断加大投入力度，已经形成了相对完善的技术体系。其中将区间线路的钢轨打磨周期确定为60 ～90Mt 通过总质量打磨1 次。但结合工作现状来看，由于至今尚未形成完善的周期性打磨策略，导致隐伤维护效果不佳。众所周知，高铁出现隐伤后，不同线路的运行工况不尽相同，所以相关部门需要根据站内区间、道岔区等实际情况，制定针对性隐伤打磨周期。在打磨过程中，应合理研究打磨方法，可以通过平直度及白层马氏体检测或轨面硬度检测方式完成探伤作业。

3.3 钢轨隐伤的预防策略

钢轨隐伤是指肉眼不易察觉，但在特定条件下会影响列车行驶稳定性和安全性的损伤。这些损伤可能包括微观裂纹、表面氧化层脱落等。这些损伤如果不及时处理，可能会导致钢轨疲劳裂纹的扩展，严重时甚至引发钢轨断裂，造成重大安全事故。所以，相关部门需要不断加大投入力度，探索钢轨隐伤的有效预防策略。具体来说：（1）遵循预防为主基本原则。对于钢轨隐伤的维护，首先要树立预防为主的观念。通过加强钢轨制造、运输、安装过程中的质量控制，降低出现隐伤的概率。同时，在列车行驶过程中，合理安排车速和载重，防止因过载或冲击导致钢轨损伤。（2）科技引领。积极引进和研发先进的检测设备和检测技术，提高钢轨隐伤的检测效率和准确性。例如，利用人工智能和机器学习技术对钢轨声波信号进行分析，以提高超声波检测的自动化水平和精度。（3）人员培训。加强铁路维护人员的技能培训，提高维护人员对新设备、新技术的掌握和应用能力，并对维护人员进行定期考核，可以将考核结果与薪资待遇相挂钩，以此来调动维护人员工作的积极性，保证维护工作有条不紊进行。同时，增强他们的安全意识，确保在维护过程中遵循安全规范，减少因操作不当导致的安全事故。（4）定期检测。对于已投入使用的高速铁路钢轨，需要制定科学合理的检测计划，并对铁轨进行定期无损检测。通常采用无损检测技术，如超声波检测、磁粉检测、射线检测等。这些技术能够在不损害钢轨的前提下，检测到钢轨内部的微观损伤。如果在检测过程中发现隐伤，应根据严重程度采取相应的处理措施，如打磨、修复或更换钢轨。

4 结语

综上所述，在高速铁路的运行中，钢轨的隐伤是威胁运行安全的重要因素。如何及时检测并有效维护这些隐伤，是铁路管理部门必须面对的重要问题。隐伤的维护需要树立预防为主、定期检测、科技引领和人员培训的理念。通过借鉴国内外先进经验和技术，不断完善和优化维护策略，如此才能够有效地保障高速铁路的运行安全。相信在多方共同努力，铁路事业的发展也会越来越好。