劉豐收

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

高速鐵路鋼軌磨耗的跟蹤研究

劉豐收

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

高速鐵路列車軸重輕、速度快，鋼軌的磨耗有其自身的特征。本文通過對(duì)京津城際、武廣客專、京滬高鐵、秦沈客專、滬寧城際等多條高速鐵路鋼軌磨耗情況的長期跟蹤觀測，分析總結(jié)了高速鐵路鋼軌的磨耗特征。結(jié)果表明:高速鐵路直線段鋼軌的垂直磨耗量及磨耗速度均較小，而小半徑曲線地段鋼軌的側(cè)面磨耗嚴(yán)重，已影響到鋼軌的使用壽命。建議在小半徑曲線地段使用在線熱處理鋼軌，同時(shí)進(jìn)行鋼軌潤滑，以減少鋼軌磨耗。

高速鐵路;鋼軌;垂直磨耗;側(cè)面磨耗

鋼軌磨耗是影響鋼軌使用壽命的重要因素，按照磨耗部位的不同，鋼軌磨耗分為垂直磨耗和側(cè)面磨耗，其中垂直磨耗在鋼軌軌頂面寬1/3處(距標(biāo)準(zhǔn)工作邊)測量，側(cè)面磨耗在鋼軌踏面(按標(biāo)準(zhǔn)斷面)下16 mm處測量［1］。目前，普速鐵路60 kg/m鋼軌的垂直磨耗、側(cè)面磨耗重傷標(biāo)準(zhǔn)分別為11 mm和19 mm，高速鐵路60 kg/m鋼軌的垂直磨耗、側(cè)面磨耗重傷標(biāo)準(zhǔn)分別為10 mm和12 mm［2］。直線段鋼軌的磨耗以垂直磨耗為主，而曲線段鋼軌上股以側(cè)面磨耗為主，下股以垂直磨耗為主。

高速鐵路列車軸重輕、速度快，鋼軌的磨耗有其自身的特征。我國高速鐵路鋼軌磨耗雖然已經(jīng)開展了一些研究［3-10］，但由于我國高速鐵路尚處于運(yùn)營初期，高速鐵路鋼軌的磨耗特征及規(guī)律還需持續(xù)跟蹤研究。本文通過對(duì)我國高速鐵路鋼軌磨耗情況的長期跟蹤測量，分析總結(jié)了高速鐵路鋼軌磨耗的一些規(guī)律及特點(diǎn)。

1　磨耗的跟蹤觀測情況

從2008年我國第一條高速鐵路——京津城際高速鐵路開通以來，開始對(duì)多條高速鐵路鋼軌的磨耗情況進(jìn)行了長期的跟蹤觀測，表1為測點(diǎn)布置及觀測時(shí)間。利用軌頭廓形測量儀對(duì)表1中的鋼軌測點(diǎn)測量了軌頭外形，然后利用軟件計(jì)算出鋼軌的垂直磨耗和側(cè)向磨耗。

表1　測點(diǎn)布置及觀測時(shí)間

2　結(jié)果及分析

2.1直線段鋼軌外形及磨耗

高鐵線路以直線或大半徑曲線為主，因此，京津城際、武廣客專、京滬高鐵、秦沈客專等線路重點(diǎn)測量了直線段鋼軌的磨耗及外形變化情況。

京津城際從2008年8月開通以后，進(jìn)行了持續(xù)定期跟蹤觀測，最近一次觀測是2015年12月份。對(duì)多次測量的軌頭外形數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析。圖1為下行K22左股鋼軌的軌頭外形變化情況，從圖中可以看出，除鋼軌軌距角部位稍有變化外，外形變化不明顯，軌距角有變化是因?yàn)殇撥壌髾C(jī)打磨所致。2014年和2015年的外形基本重合，這2年之間鋼軌未進(jìn)行大機(jī)打磨。將6個(gè)直線段鋼軌測點(diǎn)的垂直磨耗數(shù)據(jù)平均后，繪制了平均垂直磨耗隨運(yùn)量的變化曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，相對(duì)于原始廓形，第1次測量時(shí)候的垂直磨耗較明顯，這主要是因?yàn)閷?shí)測外形和標(biāo)準(zhǔn)鋼軌外形的差異以及打磨的原因，最近一次測量的平均垂直磨耗量為1.6 mm，和第1次測量相比，相對(duì)垂直磨耗量為0.56 mm，7年的觀測時(shí)間內(nèi)鋼軌預(yù)防性打磨2次，1次打磨垂直磨耗量0.1 mm左右，由此可以估算出7年輪軌的自然磨耗為0.36 mm，自然磨耗速率僅為0.05 mm/年。

從2010年開始，對(duì)武廣客專金沙洲隧道直線段鋼軌的外形及磨耗情況進(jìn)行了持續(xù)定期跟蹤觀測。從圖3金沙洲隧道內(nèi)K2275+100上行右股鋼軌的外形變化可以看出，2011年的外形和2010年外形在軌距角處稍有差別，這是因?yàn)樵?010年底對(duì)該處鋼軌進(jìn)行了打磨;2015年外形和2011年外形比較變化不明顯。圖4為金沙洲隧道直線段鋼軌所有測點(diǎn)的平均垂直磨耗隨運(yùn)量的變化曲線，從圖中可以看出:武廣客專運(yùn)行6年多的垂直磨耗量為1.06 mm，和第1次測量相比，相對(duì)垂直磨耗量為0.46 mm，6年的觀測時(shí)間內(nèi)鋼軌預(yù)防性打磨1次，1次打磨量0.1 mm左右，由此可以估算出6年輪軌的自然磨耗為0.36 mm，自然磨耗速率僅為0.07 mm/年。

圖1　京津城際K22左股軌頭外形變化情況

圖2　京津城際鋼軌垂直磨耗隨運(yùn)量變化曲線

圖3　武廣客專K2275+100上行右股外形變化

圖4　武廣客專鋼軌垂直磨耗隨運(yùn)量變化曲線

京滬高鐵的鋼軌磨耗和外形變化情況和京津城際、武廣客專基本相同，鋼軌軌頭外形變化不明顯。圖5為京滬高鐵直線段鋼軌所有測點(diǎn)的平均垂直磨耗隨運(yùn)量的變化曲線，從圖中可以看出，京滬高鐵運(yùn)行3年時(shí)的垂直磨耗量1.65 mm，和第1次測量相比，相對(duì)的垂直磨耗量為0.34 mm，3年的觀測時(shí)間內(nèi)鋼軌預(yù)防性打磨1次，1次打磨量0.1 mm左右，由此可以估算出3年輪軌的自然磨耗為0.24 mm，自然磨耗速率僅為0.08 mm/年。

圖5　京滬高鐵鋼軌垂直磨耗隨運(yùn)量變化曲線

秦沈客專于2003年10月12日開通運(yùn)營，至今已運(yùn)行了將近13年。2015年5月份對(duì)其直線段鋼軌的磨耗情況進(jìn)行了跟蹤觀測，從圖6結(jié)果可以看出，鋼軌垂直磨耗量為2.5 mm，假使秦沈客專鋼軌在運(yùn)行的13年中共打磨6次(2年進(jìn)行1次大機(jī)打磨)，每次打磨量為0.1 mm，由此可以推算輪軌的自然磨耗量為1.9 mm，磨耗速率為0.15 mm/年。因?yàn)榍厣蚩蛯２坏\(yùn)行高速動(dòng)車，還要運(yùn)行普速客車，普速客車的軸重較高速動(dòng)車要重，所以其磨耗速率要比只運(yùn)行高速動(dòng)車的京津、武廣和京滬高鐵大。

圖6　秦沈客專直線段鋼軌磨耗情況

2.2曲線段鋼軌外形及磨耗

高速鐵路正線以直線和大半徑曲線為主，但進(jìn)出站及聯(lián)絡(luò)線仍存在一些小半徑曲線。圖7為滬寧城際南京南站和鎮(zhèn)江站進(jìn)出站小半徑曲線上股鋼軌的磨耗情況，從觀測結(jié)果可以看出:小半徑曲線鋼軌的主要磨耗是側(cè)面磨耗，但也有一定的垂直磨耗，其中南京南站曲線半徑為600 m，最大側(cè)面磨耗6.6 mm，鎮(zhèn)江站曲線半徑為900 m，最大側(cè)面磨耗4.9 mm。這2個(gè)曲線地段鋪設(shè)了和正線相同材質(zhì)的U71MnG高速鋼軌，因?yàn)樵摬馁|(zhì)鋼軌的強(qiáng)度、硬度較低，因此鋼軌的抗磨耗能力也較低。這些小半徑曲線地段磨耗嚴(yán)重的鋼軌壽命只有2～3年，因此建議小半徑區(qū)段鋪設(shè)使用在線熱處理鋼軌。

圖7　滬寧城際小半徑曲線上股鋼軌磨耗情況

2.3分析討論

從以上幾條高速鐵路鋼軌磨耗的跟蹤觀測結(jié)果可以看出，高速鐵路鋼軌磨耗具有以下特點(diǎn):

1)高速鐵路直線地段的垂直磨耗量及磨耗速率均較小。從幾條線路的輪軌自然磨耗速率來看，京津、武廣、京滬等高速鐵路直線段的輪軌自然磨耗速率都＜0.1 mm/年，既運(yùn)行高速動(dòng)車又運(yùn)行普速客車的秦沈客專輪軌自然磨耗速率也只有0.15 mm/年。

高速鐵路直線段鋼軌的磨耗包括了輪軌的自然磨耗和大機(jī)打磨，大機(jī)打磨每次的打磨量比較固定，按照現(xiàn)行的打磨指導(dǎo)意見，2年1次，1次的垂直磨耗量在0.1 mm左右，則大機(jī)打磨的磨耗速率可以按照0.05 mm/年計(jì)算，另由跟蹤觀測可以推算出最大自然磨耗速率是0.1 mm/年，由此可推算出最大的垂直磨耗量為0.15 mm/年。目前高速鐵路鋼軌垂直磨耗的重傷標(biāo)準(zhǔn)為10 mm，按照推算的直線段鋼軌的最大磨耗速率計(jì)算，要達(dá)到垂直磨耗重傷至少需要66年。從高速鐵路直線段鋼軌的磨耗速率可以看出，在直線地段，垂直磨耗并不是影響鋼軌使用壽命的主要因素。

2)高速鐵路在進(jìn)出站和聯(lián)絡(luò)線仍有一些小半徑曲線，高速列車在這些小半徑曲線上以相對(duì)低的速度通過。雖然動(dòng)車軸重輕，但小半徑曲線鋼軌的磨耗和普速線路的特征相同，即上股主要是以側(cè)面磨耗為主。而這些高速線路的小半徑曲線地段也鋪設(shè)了和直線區(qū)段相同的相對(duì)低強(qiáng)度、低硬度的熱軋鋼軌(U71MnG或者U75VG鋼軌)，導(dǎo)致這些小半徑區(qū)段鋼軌側(cè)面磨耗嚴(yán)重，壽命只有2～3年，有些嚴(yán)重的線路，如京津城際天津站半徑400 mm的曲線，最短1年時(shí)間就需要更換鋼軌。為解決高速鐵路小半徑曲線的磨耗問題，應(yīng)更換在線熱處理鋼軌(U71Mn或者U75V)，提高鋼軌的強(qiáng)度和硬度。在一些磨耗嚴(yán)重的地段，除了提高鋼軌的強(qiáng)度和硬度外，還應(yīng)該采用鋼軌潤滑的方式來進(jìn)行減磨。

3　結(jié)論

通過對(duì)京津城際、武廣客專、京滬高鐵、秦沈客專、滬寧城際等高速鐵路鋼軌磨耗情況的跟蹤觀測，對(duì)我國高速鐵路鋼軌的磨耗特點(diǎn)及初步規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)論如下:

1)高速鐵路因?yàn)檩S重輕、速度快，直線段鋼軌的垂直磨耗量和磨耗速率均較小，從觀測的幾條線路的輪軌自然磨耗速率來看，京津、武廣、京滬等高速鐵路的輪軌自然磨耗速率都＜0.1 mm/年，既運(yùn)行高速動(dòng)車又運(yùn)行普速客車的秦沈客專輪軌自然磨耗速率也只有0.15 mm/年。

2)高速鐵路小半徑曲線地段鋼軌側(cè)面磨耗較嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響到高速鐵路鋼軌的壽命及運(yùn)行安全。建議在小半徑區(qū)段使用在線熱處理鋼軌，同時(shí)采用鋼軌潤滑的方式來減少鋼軌磨耗。

［1］中華人民共和國鐵道部．鐵運(yùn)［2006］146號(hào)鐵路線路修理規(guī)則［S］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［2］中華人民共和國鐵道部．鐵運(yùn)［2012］83號(hào)高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)［S］．北京:中國鐵道出版社，2012．

［3］孫宏，杜新民．提速200 km/h線路曲線病害及鋼軌磨耗發(fā)展規(guī)律研究［J］．鐵道建筑，2007(11):84-86

［4］徐會(huì)杰，劉啟賓，彭華，等．基于輪軌接觸的高速鐵路鋼軌磨耗量［J］．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，38(3):44-49．

［5］李振基．重載鐵路曲線上鋼軌磨耗和剝離原因及整治措施．鐵道建筑，2014(3):107-110．

［6］劉啟賓．基于Archard磨耗模型的合金鋼心軌組合轍叉道岔鋼軌磨耗研究［J］．鐵道建筑，2015(2):107-111．

［7］任洪俊．曲線鋼軌磨耗的原因及防治［J］．中州煤炭，2003 (1):38-39．

［8］李海鋒，陳文，陳雯．高速鐵路鋼軌型面變化的跟蹤觀測及仿真分析［J］．城市軌道交通研究，2012，15(2):61-68．

［9］陳岳源．鐵路軌道［M］．北京:中國鐵道出版社，1998．

［10］JENDEL T，BERG M．Prediction of Wheel Profile Wear ethodolgy and Verification［J］．Wear，2005，258:1055-1063．

(責(zé)任審編 周彥彥)

Tracing Research on Rail Wear in High Speed Railway

LIU Fengshou
(Metals and Chem istry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

High speed railway train has its own characteristics such as light axle load，high speed and different wheel/rail wear．Based on long-term tracing inspection and testing works in Beijing－Tianjin intercity railway，Wuhan－Guangzhou passengers dedicated line，Beijing－Shanghai high speed railway，Qinhuangdao－h(huán)enyang passengers dedicated line and Shanghai－Nanjing intercity railway，the rail wear characteristics of high speed railway were summarized and analyzed in this paper．The results show that the vertical wear volume and wear rate of rails in straight line section of high speed railway are both small，while side wear of rails in small radius curve section is severe，which has affected the rail service life．The application of on-line heat treated rails combing with rail lubrication in small radius curve section is recommended in order to reduce rail wear．

H igh speed railway;Rail;Vertical wear;Side w ear

U213．4+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．32

1003-1995(2016)11-0120-04

2016-06-14;

2016-08-15

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2015G008-A)

劉豐收(1978—)，男，副研究員，碩士。