張銀花，周韶博，周清躍，劉豐收，李　闖，張關(guān)震

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

作為我國(guó)運(yùn)營(yíng)時(shí)間最長(zhǎng)的高速鐵路，京津城際鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)已8年多。多年的運(yùn)營(yíng)結(jié)果表明，高速鐵路的鋼軌磨耗量很少，加工硬化不顯著；而車輪磨耗量相對(duì)較大，車輪踏面出現(xiàn)凹磨，并且導(dǎo)致車輪鏇修周期短、養(yǎng)護(hù)維修成本高。針對(duì)中國(guó)高速鐵路由于運(yùn)行距離較長(zhǎng)、線路曲線半徑大、輪軌接觸點(diǎn)比較集中而容易出現(xiàn)車輪踏面凹磨等問(wèn)題，2015年中國(guó)鐵路總公司立項(xiàng)，滾動(dòng)開(kāi)展高速鐵路輪軌關(guān)系研究，主要內(nèi)容包括輪軌型面匹配、輪軌硬度匹配、輪軌磨損規(guī)律等，通過(guò)系列和系統(tǒng)的研究，進(jìn)一步深化輪軌關(guān)系的基礎(chǔ)理論，解決我國(guó)高速鐵路實(shí)際運(yùn)營(yíng)中存在的車輪踏面凹磨、多邊形磨耗、波磨等問(wèn)題，降低養(yǎng)護(hù)維修成本。輪軌硬度匹配是輪軌關(guān)系研究中的重要內(nèi)容之一，輪軌硬度是否匹配將直接影響到鋼軌和車輪的使用壽命，以及維修養(yǎng)護(hù)的成本等。

本文在調(diào)研國(guó)內(nèi)外高速鐵路輪軌硬度匹配關(guān)系研究及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的輪軌硬度磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出高速條件下輪軌硬度匹配的合理范圍及解決目前車輪磨耗問(wèn)題的初步方案。

1　國(guó)外輪軌硬度匹配研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年來(lái)，國(guó)外圍繞輪軌硬度匹配開(kāi)展了一系列的研究，得出了一些不同的結(jié)論。試驗(yàn)室研究表明[1]，當(dāng)車輪材質(zhì)固定時(shí)，隨著鋼軌硬度的增加其磨耗量逐漸降低，對(duì)應(yīng)的車輪磨耗量也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；當(dāng)鋼軌和車輪硬度比大于1∶1后，隨著鋼軌硬度的增加其磨耗量繼續(xù)降低，但車輪的磨耗量維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，且輪軌總磨耗量是逐漸降低的。歐洲鐵路聯(lián)盟UIC實(shí)驗(yàn)室研究表明，當(dāng)軌輪硬度比在0.7∶1～1.6∶1之間變化時(shí)，并不存在1個(gè)最佳的硬度匹配使得輪軌之間的總磨耗最小。俄羅斯學(xué)者根據(jù)本國(guó)輪軌使用情況和對(duì)輪軌關(guān)系的研究，提出了鋼軌頭部與車輪輪輞的最佳硬度比是1.2∶1～1.4∶1的觀點(diǎn)[2]。因此，國(guó)外有關(guān)研究對(duì)于輪軌硬度的匹配存在著不同的觀點(diǎn)。

在實(shí)際運(yùn)用中，國(guó)外關(guān)于輪軌硬度匹配關(guān)系主要有兩大技術(shù)路線，其一是以日本為代表的高硬度車輪路線，其二是以歐洲為代表的低硬度車輪路線。

日本新干線除第1條高速鐵路(東海道新干線)采用斷面為50T的普通碳素?zé)彳堜撥壨猓渌赂删€一直采用強(qiáng)度等級(jí)為800 MPa級(jí)的普通碳素?zé)彳堜撥?，軌面硬度?35 HB；而新干線列車的車輪硬度較高，其中SSW-Q3R車輪輪輞的硬度為311～363 HB，輪軌硬度比大于1∶1，達(dá)到1.2∶1以上。日本鋼軌和車輪的化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)及輪軌硬度比分別見(jiàn)表1、表2和表3(表中Rm為抗拉強(qiáng)度，A為斷后伸長(zhǎng)率)。由于車輪硬度較高而鋼軌硬度較低，因此，日本有關(guān)輪軌關(guān)系的研究中很少出現(xiàn)車輪失圓和凹磨等問(wèn)題，他們更關(guān)心由于頻繁地啟動(dòng)和制動(dòng)而導(dǎo)致的車輪踏面熱裂紋問(wèn)題和小曲線半徑鋼軌的側(cè)面磨耗問(wèn)題[3-4]，并就此開(kāi)展了大量的研究工作。對(duì)于小半徑曲線鋼軌的磨耗問(wèn)題，通過(guò)使用熱處理鋼軌、潤(rùn)滑鋼軌、控制軌頂面摩擦系數(shù)等技術(shù)減少鋼軌磨損。

表1　國(guó)外高速鐵路使用的主要熱軋鋼軌的化學(xué)成分及力學(xué)性能

表2　國(guó)外高速鐵路使用的各種車輪的化學(xué)成分及力學(xué)性能

表3　國(guó)外高速鐵路車輪與鋼軌的硬度比值

歐洲高速鐵路初期鋪設(shè)UIC700 鋼軌，軌面硬度約為200～260 HB。歐洲一體化后，廣泛鋪用UIC900A普通熱軋鋼軌，軌面硬度約為260～300 HB。歐洲規(guī)定車速在200 km·h-1以上時(shí)，選用ER8車輪，其輪輞硬度≥245 HB，輪軌硬度比接近1∶1[5]。歐洲國(guó)家鋼軌和車輪的化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)及輪軌硬度比分別見(jiàn)表1、表2和表3。

德國(guó)鐵路鋼軌采取分級(jí)選用制度[6]，在客運(yùn)線路和客貨混運(yùn)線路普遍鋪設(shè)歐標(biāo)R260(硬度260～300 HB)鋼軌，曲線半徑小于2 800 m的線路推薦鋪設(shè)R350HT(硬度350～390 HB)鋼軌，而重載線路則鋪設(shè)更高強(qiáng)度和硬度級(jí)別的R370CrHT(硬度370～410 HB)和R400HT(硬度400～440 HB)鋼軌。

德國(guó)早期使用硬度低的ER7車輪(硬度約為235 HB)，低于R260鋼軌的硬度。車輪出現(xiàn)凹磨及多邊形等問(wèn)題，后逐漸采用硬度稍微高的ER8車輪。20世紀(jì)90年代，德國(guó)的高速鐵路普遍出現(xiàn)車輪失圓問(wèn)題，因此不得不對(duì)車輪進(jìn)行鏇修。頻繁地鏇修顯著降低了車輪的使用壽命。德國(guó)鐵路技術(shù)人員與日本車輪供應(yīng)商住友金屬公司聯(lián)合研發(fā)了更高硬度的C64車輪(輪輞硬度277～341 HB)，C64車輪性能優(yōu)于ER7車輪，其鏇修頻率只有ER7車輪的1/3，平均壽命達(dá)250萬(wàn)km，而ER7車輪的平均壽命為140萬(wàn)km。針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商擔(dān)心的車輪硬度較大而會(huì)加重鋼軌損傷的問(wèn)題，德國(guó)鐵路又利用全尺寸輪軌試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行不同硬度的鋼軌與車輪材料的磨損研究，發(fā)現(xiàn)車輪硬度增加并未對(duì)鋼軌造成附加損害。目前德國(guó)鐵路已有近一半的ICE1和ICE2列車使用了日本車輪。總的來(lái)說(shuō)，德國(guó)鐵路致力于逐漸提高輪軌硬度比，即提高車輪硬度解決車輪磨耗和多邊形等問(wèn)題。

國(guó)外采用的輪軌材料硬度比各不相同。日本車輪的硬度高于鋼軌的硬度。歐洲高速鐵路線路狀況較為復(fù)雜，輪軌材料匹配也較為多樣。但從車輪等級(jí)由ER7到ER8的發(fā)展趨勢(shì)和德國(guó)鐵路采購(gòu)日本車輪的事實(shí)來(lái)看，歐洲鐵路也在致力于提高輪軌的硬度比，即通過(guò)提高車輪的硬度解決車輪磨耗等問(wèn)題。

2　國(guó)內(nèi)輪軌硬度匹配研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)高速客運(yùn)鐵路鋪設(shè)U71MnG熱軋鋼軌，軌面硬度為260～300 HB(實(shí)際硬度270～280 HB，斷后伸長(zhǎng)率13%～15%)；高速客貨混運(yùn)鐵路鋪設(shè)U75VG熱軋鋼軌，軌面硬度為280～320 HB(實(shí)際硬度295～310 HB，斷后伸長(zhǎng)率11%～13%)。我國(guó)高速動(dòng)車組主要采用進(jìn)口車輪，以進(jìn)口歐洲的ER8車輪為主，少量采用歐洲ER9車輪、魯奇尼開(kāi)發(fā)的ER8C車輪、日本SSW-Q3R車輪。在時(shí)速200～300 km高速鐵路上運(yùn)行的動(dòng)車組，其中CRH1型動(dòng)車組的車輪材質(zhì)為ER9，輪輞硬度大于255 HB；早期的CRH2型動(dòng)車組的車輪材質(zhì)為SSW-Q3R，輪輞硬度為311～363 HB(實(shí)際硬度≥320 HB)；CRH3型動(dòng)車組的車輪材質(zhì)為ER8，輪輞硬度大于245 HB(實(shí)際硬度≥260 HB)；CRH5型動(dòng)車組的車輪材質(zhì)為ER8C，輪輞硬度為260～302 HB。我國(guó)高速鐵路使用的主要用鋼軌和車輪的化學(xué)成分、力學(xué)性能及輪軌硬度比分別見(jiàn)表4、表5和表6。

表4　我國(guó)高速鐵路使用的主要熱軋鋼軌的化學(xué)成分及力學(xué)性能

表5　我國(guó)高速鐵路使用的各種車輪的化學(xué)成分及力學(xué)性能

表6　我國(guó)高速鐵路車輪與鋼軌的硬度比

我國(guó)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)是曲線半徑大、運(yùn)行距離長(zhǎng)、輪軌接觸點(diǎn)比較集中。高速線路運(yùn)營(yíng)結(jié)果表明，直線鋼軌的垂直磨耗很少，每年或每15 Mt通過(guò)總重的鋼軌自然磨耗(扣除鋼軌打磨的影響)小于0.1 mm；鋼軌踏面加工硬化不顯著，3 a(45 Mt通過(guò)總重)約為10%。城際鐵路的小半徑曲線線路的鋼軌側(cè)面磨耗嚴(yán)重，如滬寧城際鐵路，在半徑為1 000 m的曲線線路上，每年或20 Mt通過(guò)總重的鋼軌側(cè)磨量為1.4～1.7 mm。車輪存在凹磨和不均勻磨耗等問(wèn)題，根據(jù)西南交通大學(xué)的測(cè)試數(shù)據(jù)，鄭西城際鐵路用LMA型、哈大高速鐵路用S1002CN型車輪，在1個(gè)鏇修周期內(nèi)的凹磨基本在0.5～0.6 mm范圍內(nèi)，鄭西城際鐵路用XP55型車輪的凹磨最大深度在0.8～1.0 mm范圍內(nèi)。鋼軌踏面磨耗、硬度變化、車輪踏面磨耗情況如圖1—圖3所示[7]。

圖1京津城際鐵路鋼軌磨耗和踏面硬度隨通過(guò)總重的變化規(guī)律

3　輪軌硬度匹配實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

近年來(lái)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院和國(guó)內(nèi)其他研究機(jī)構(gòu)圍繞輪軌硬度匹配開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究。試驗(yàn)用鋼軌材料主要選自我國(guó)的U71MnK和U75V鋼軌(時(shí)速250 km·h-1)，車輪用材料主要選自ER7和CL60車輪。對(duì)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究得出的初步結(jié)論可歸納為如下幾點(diǎn)：①當(dāng)車輪試樣的硬度低于鋼軌試樣的硬度(輪軌硬度比為0.94∶1～0.87∶1)時(shí)，車輪試樣磨耗速率過(guò)大，總磨耗速率也較大；②當(dāng)鋼軌試樣的硬度與車輪試樣的硬度相當(dāng)時(shí)(輪軌硬度比為0.99∶1～1.01∶1)，車輪試樣的磨耗速率稍高于鋼軌試樣，總磨耗速率不大；③當(dāng)鋼軌試樣的硬度低于車輪試樣的硬度時(shí)(輪軌硬度比為1.04∶1～1.11∶1)，鋼軌試樣的磨耗速率稍大于車輪試樣，但總磨耗速率最小；④車輪硬度對(duì)車輪和鋼軌試樣的表面損傷形貌具有一定影響，車輪硬度低時(shí)，車輪表面損傷主要表現(xiàn)為麻點(diǎn)式剝落，隨車輪硬度的增加，車輪試樣表面損傷剝落顆粒減小，鋼軌試樣表面損傷主要表現(xiàn)為剝離損傷機(jī)制[8-11]。

圖2　滬寧城際鐵路鋼軌磨耗隨通過(guò)總重的變化規(guī)律

圖3鄭西城際鐵路XP55型車輪磨耗示意圖(2011-04-15， 5040號(hào)車6車1位車輪運(yùn)行20.5萬(wàn)km時(shí))

在前期研究的基礎(chǔ)上，鐵科院繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展不同輪軌硬度比下的輪軌摩擦磨損試驗(yàn)，研究不同硬度比下輪軌材料的磨損和變形規(guī)律。近期試驗(yàn)中，鋼軌試樣主要取自目前大量使用的U71MnG和U75VG鋼軌，車輪試樣主要取自ER8，ER8C和SSW-Q3R車輪或者硬度相近的替代車輪試樣(ER8C材料由某輪箍材料替代，簡(jiǎn)稱LG，SSW-Q3R材料由U71MnH替代，簡(jiǎn)稱HW)，輪軌試樣的實(shí)測(cè)化學(xué)成分、硬度值以及輪軌硬度比分別見(jiàn)表7和表8。試驗(yàn)所用試樣為內(nèi)徑16 mm、外徑40 mm，厚度為10 mm的環(huán)形試樣。鋼軌和車輪的取樣位置及試樣尺寸如圖4所示。試驗(yàn)在AMSLER磨耗試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，上軸安裝鋼軌試樣，轉(zhuǎn)速為180 r·min-1，下軸安裝車輪試樣，轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，試驗(yàn)載荷為490 N，試驗(yàn)每進(jìn)行1萬(wàn)轉(zhuǎn)后用無(wú)水乙醇清洗并稱量試樣。每組分別制取2個(gè)試樣，磨耗量取2個(gè)試樣的平均值。試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)對(duì)輪軌試樣的變形、表面接觸疲勞傷損等進(jìn)行了測(cè)量和觀測(cè)，詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

表7　輪軌試樣的實(shí)測(cè)化學(xué)成分和硬度值

表8　輪軌試樣的實(shí)測(cè)輪軌硬度比

對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別得到相同硬度車輪與不同硬度鋼軌、相同硬度鋼軌與不同硬度車輪對(duì)磨時(shí)輪軌磨損的規(guī)律，分別如圖5和圖6所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：①輪軌試樣的磨耗量隨試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加呈近似線性增長(zhǎng)。②與3種鋼軌試樣對(duì)磨時(shí)，ER8車輪試樣的磨耗量均較大，而3種鋼軌試樣的磨耗量接近；ER8車輪試樣在磨損試驗(yàn)后期均發(fā)生了明顯的表面塑性變形，表現(xiàn)為表面類多邊形磨耗；相比較而言，與硬度最低的U74鋼軌試樣對(duì)磨時(shí)ER8車輪試樣的磨耗量最小，表面接觸疲勞傷損和變形最為輕微。③LG車輪(替代ER8C)試樣與U71MnG和U75VG鋼軌試樣對(duì)磨時(shí)出現(xiàn)了類多邊形磨耗，而與U74鋼軌試樣對(duì)磨時(shí)則表現(xiàn)出了低磨耗、少損傷的理想狀態(tài)。④與HW(替代SSW-Q3R)車輪試樣對(duì)磨時(shí)，3種鋼軌試樣中U74和U71MnG的磨耗量相近，而U75VG的磨耗量相比較低20%～40%，且試樣表面也更為圓順；U71MnG鋼軌試樣分別與ER8和LG車輪試樣對(duì)磨時(shí)的磨耗量和變形差異不大，而與HW車輪試樣對(duì)磨時(shí)其磨耗量多出近1倍；U74鋼軌試樣變形較大，表面出現(xiàn)了塑形堆積形成的小臺(tái)階，而另2種鋼軌試樣未出現(xiàn)此類特征；U75VG鋼軌試樣與HW車輪試樣對(duì)磨時(shí)，表現(xiàn)出了輪軌總磨耗量較小和表面接觸疲勞傷損較輕。⑤隨著車輪試樣硬度的增加，其磨耗量逐漸降低，多邊形磨耗減輕，而對(duì)磨鋼軌試樣的硬度越高，車輪試樣的磨耗也越嚴(yán)重，輪軌硬度比過(guò)高會(huì)加速鋼軌材料損傷。⑥隨著鋼軌試樣硬度的增加，其磨耗量逐漸降低，而對(duì)磨車輪試樣的硬度越高，鋼軌試樣的磨耗也越嚴(yán)重。⑦輪軌硬度比在0.95∶1～1.15∶1范圍內(nèi)時(shí)，車輪和鋼軌的磨耗量及輪軌總磨耗量均較?。惠嗆売捕缺却笥?∶1時(shí)，試樣的變形和表面接觸疲勞傷損較輕；輪軌硬度比在1.15∶1時(shí)的 LG車輪(替代ER8C)與U74鋼軌、HW車輪(替代SSW-Q3R)與U75VG鋼軌表現(xiàn)出了低磨耗、少傷損的理想狀態(tài)。

圖4　鋼軌和車輪試樣取樣位置與試樣尺寸示意圖(單位：mm)

圖6　9組對(duì)磨試樣的輪軌總磨耗量對(duì)比圖

由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)論并結(jié)合目前高速輪軌運(yùn)營(yíng)中存在的問(wèn)題，提出如下解決目前車輪磨耗等問(wèn)題的分階段實(shí)施方案：①提高目前國(guó)內(nèi)大量使用的ER8車輪的硬度均值，使其實(shí)際硬度指標(biāo)控制在270～280 HB及以上，與U71MnG鋼軌的硬度比盡量控制在1∶1附近；②增加 ER8C或SSW-Q3R高硬度車輪的使用數(shù)量；③開(kāi)展自主化車輪材料性能的精細(xì)控制研究，在保證韌性指標(biāo)的前提下，適當(dāng)提高車輪的硬度均值，其硬度指標(biāo)控制在290 HB及以上，與U71MnG鋼軌的硬度比要大于1∶1。

4　結(jié)論及建議

(1)世界各國(guó)鐵路的輪軌材料硬度匹配技術(shù)路線各不相同。日本車輪硬度高于鋼軌硬度，輪軌硬度比超過(guò)1.2∶1；歐洲高速鐵路輪軌硬度相當(dāng)，輪軌硬度比接近1∶1，但從目前情況來(lái)看，歐洲國(guó)家在致力于提高車輪硬度解決車輪磨耗等問(wèn)題。

(2)我國(guó)高速鐵路廣泛鋪設(shè)U71MnG熱軋鋼軌，車輪大量使用進(jìn)口ER8車輪，直線線路上鋼軌磨耗很少，每15 Mt通過(guò)總重的鋼軌自然磨耗小于0.1 mm； CRH2和CRH3與CRH5型動(dòng)車組車輪在1個(gè)鏇修周期內(nèi)(約運(yùn)行20～28萬(wàn)km)，其凹磨分別在0.5～0.6和0.8～1.0 mm范圍內(nèi)；存在的主要問(wèn)題有車輪凹磨和多邊型等，與歐洲國(guó)家相比鏇修周期短，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高。

(3)輪軌試樣的磨耗量隨試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)的增加呈近似線性增長(zhǎng)。ER8車輪試樣與3種鋼軌試樣對(duì)磨時(shí)的磨耗量均較大，在磨損試驗(yàn)后期均發(fā)生了明顯的表面塑性變形；HW車輪試樣(替代SSW-Q3R)的磨耗量?jī)H為ER8車輪試樣磨耗量的一半左右，車輪試樣均保持了圓順的表面狀態(tài)；LG車輪試樣(替代ER8C)與U74鋼軌對(duì)磨、HW車輪試樣與U75VG鋼軌對(duì)磨時(shí)，車輪表現(xiàn)出了低磨耗、少損傷的理想狀態(tài)；隨著車輪試樣硬度值增加，車輪試樣多邊形磨耗明顯減輕；鋼軌硬度較低時(shí)，車輪試樣的多邊形磨耗亦較輕。

(4)9組輪軌磨損試驗(yàn)中，輪軌硬度比在0.95∶1～1.15∶1范圍時(shí)，輪軌總磨耗量較??；輪軌硬度比大于1∶1時(shí)，試樣變形和表面接觸疲勞傷損較輕；輪軌硬度比在1.15∶1時(shí)，輪軌總磨耗量最小，且輪軌的接觸疲勞傷損也最輕。

(5)根據(jù)試驗(yàn)研究，建議適當(dāng)提高車輪的硬度，即通過(guò)提高輪軌硬度比解決車輪磨耗較大的問(wèn)題，車輪與U71MnG鋼軌的硬度比控制在1∶1以上。

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