韓清強，陳大磊，楊懷志

(1.中國鐵路上海局集團有限公司 蚌埠工務段，安徽 蚌埠 233000；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100089)

輪軌接觸疲勞是鋼軌在接觸應力和摩擦力作用下形成的塑性流動變形、疲勞磨耗、疲勞裂紋三者共存、相互影響或制約，發(fā)生于輪軌接觸面表層和次表層的傷損現(xiàn)象[1]。高速鐵路鋼軌踏面隱傷已成為國內外鋼軌滾動接觸疲勞((Rolling Contact Fatigue，RCF)中的主要傷損形式之一，容易出現(xiàn)在列車運行速度較高、鋼軌強度等級較高及列車加減速區(qū)段。隱傷又稱為鋼軌踏面裂紋或踏面壓潰，裂紋開口朝著軌頭內頂角方向，當輪軌接觸應力與鋼軌殘余應力的疊加超出安定極限值時，因鋼軌表層產生塑性流動，萌生表面微裂紋[2]。鋼軌踏面隱傷是初始微裂紋在某種特定影響因素作用下擴展形成的，鋼軌踏面隱傷一旦形成，在輪軌力作用下會產生踏面橢圓形凹陷，同時伴有V形裂紋，且裂紋隨著輪軌作用力的疊加不斷擴展，對軌道平順性、高速列車運行平穩(wěn)性造成不利影響，嚴重時導致鋼軌斷裂，從而危及行車安全[3-4]。

1 現(xiàn)場鋼軌隱傷特性分析

京滬高速鐵路蚌埠工務段管轄正線鋼軌均采用U71Mn鋼，正線道岔鋼軌均采用新鐵德奧CN道岔，道岔鋼軌除導軌外均采用R350HT德國進口鋼軌(鋼軌強度較高)。線路采用鋼軌高速打磨車進行鋼軌打磨，平均每年至少打磨1遍鋼軌表面硬化層，而道岔只在2016年度和2017年度開展過廓形修理性打磨，對鋼軌踏面硬化層未進行過專項打磨。正線線路、道岔通過允許速度Vmax=350 km /h。管內宿州東站至蚌埠南站區(qū)間暨先導段最大列車通過總重約為43.5萬t。自2011年京滬高速鐵路開通以來，管內共計更換正線線路鋼軌28根，其中26根為鋼軌擦傷，2根是受到更換軌道板的影響，鋼軌隱傷發(fā)生率為0。更換正線CN道岔結構件10組，其中受鋼軌隱傷影響而更換的道岔鋼軌件9組，鋁熱焊接頭傷損1組，鋼軌隱傷更換率達到90%。具體傷損統(tǒng)計情況見表1。

表1 京滬高速鐵路蚌埠工務段管內鋼軌隱傷統(tǒng)計

1.1 現(xiàn)場隱傷分布規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場的鋼軌傷損情況看，隱傷不同于鋼軌表面擦傷，屬非左右股對稱出現(xiàn)。有的出現(xiàn)在直基本軌岔前接頭附近，有的出現(xiàn)在曲基本軌岔前接頭附近，有的在岔心位置，有的在直尖軌跟端，有的左右股非同時出現(xiàn)。表面上看現(xiàn)場難以尋找其產生規(guī)律，但通過觀察對比可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①鋼軌隱傷發(fā)生率正線道岔鋼軌占比為100%，正線線路鋼軌占比為0，正線道岔鋼軌傷損位置均為鋼軌強度較高區(qū)域，而國產U71Mn導軌區(qū)段未出現(xiàn)過傷損；②預防性或周期性打磨硬化層后的區(qū)間線路未發(fā)生隱傷，沒有打磨的站內正線道岔隱傷出現(xiàn)較多；③傷損均存在于正線通過位置，而非道岔側向通過位置；④傷損多出現(xiàn)在正向通過區(qū)段且多為進出站道岔加減速區(qū)位置。

1.2 鋼軌隱傷表現(xiàn)特征

從現(xiàn)場觀察到的鋼軌踏面隱傷(圖1)的表現(xiàn)特征來看，鋼軌發(fā)生隱傷往往伴隨著軌頭裂紋，尤其是V形裂紋(圖2)萌生后，在軌面上沿垂直于切向力方向擴展，在軌頭內部裂紋初始產生時沿變形流線方向以較小角度向深處發(fā)展。當裂紋擴展至8～10 mm深度時便轉化成水平裂紋，由于V形裂紋在軌頭內部的發(fā)展，使得裂紋擴展(圖3)涉及區(qū)域在輪軌力作用下產生了橢圓形凹陷[5]，說明V形裂紋的萌生是鋼軌踏面隱傷形成的重要前兆。

圖1 蚌埠南站N7岔叉心位置隱傷

圖2 蚌埠南站N7岔叉心V形裂紋

圖3 蚌埠南站N7岔隱傷剖面(裂紋擴展)

1.3 鋼軌隱傷的發(fā)展趨勢

以蚌埠南站N5岔以例，傷損發(fā)現(xiàn)時間為2018年1月9日，更換時間為2018年7月3日。從現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析來看(圖4)，傷損在表現(xiàn)出來以后的一個月內基本趨于穩(wěn)定，深度為6.2～6.4 mm。第2個月、第3個月內發(fā)展較快，平均每月發(fā)展0.5 mm左右，達到7.2 mm時再次趨于穩(wěn)定。期間在4月23日便出現(xiàn)了表面掉塊現(xiàn)象，如果不及時進行更換，將會產生水平方向裂紋，存在嚴重的斷軌安全隱患。

圖4 蚌埠南N5岔叉隱傷發(fā)展趨勢示意

2 現(xiàn)場檢查監(jiān)測方法

目前國內外主要采用超聲縱波與橫波來監(jiān)測鋼軌在使用中出現(xiàn)的各種疲勞傷損[6]。采用的主要探傷設備有鋼軌探傷車、人工探傷小車等，基本配備的是70°,45°(或37°～45°間其他角度)，0° 3種探頭(探頭頻率均為2～5 MHz)，分別用于監(jiān)測軌頭核傷、鋼軌內部的斜裂紋以及鋼軌內部的水平裂紋，而對鋼軌表面的缺陷沒有監(jiān)測能力。加之由于軌頭表面裂紋存在，嚴重阻礙了聲波進入鋼軌內部，反而影響了內部缺陷的有效監(jiān)測。因此，目前通過探傷車、人工探傷小車很難發(fā)現(xiàn)鋼軌隱傷，即使采用人工探傷也很難發(fā)現(xiàn)。

目前國內很少使用低頻超聲波探傷小車(200～400 kHz)作為隱傷裂紋的探傷手段[7]。近年來，京滬高速鐵路蚌埠工務段管內鋼軌產生的隱傷均采用人工目視法檢查，主要根據(jù)是鋼軌隱傷會在鋼軌表面產生凹陷并伴有裂紋。因裂紋初期較為細小難以查看，現(xiàn)場采用目視法檢查時重點查看鋼軌光帶變化有無異常(接頭除外，但又類似于接頭壓潰情況)，如發(fā)現(xiàn)存在鋼軌光帶異常(或變寬)，多數(shù)為隱傷等RCF傷損所致(早期新鐵德奧道岔尖軌跟端變截面處因鋼軌軋制工藝問題導致的壓潰情況等除外)。同時，現(xiàn)場應加強綜合巡檢系統(tǒng)的使用與判別，高度重視鋼軌光帶異常區(qū)域的復核工作，人工檢查或復核巡查系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)鋼軌隱傷等RCF傷損，現(xiàn)場采用無損加固臨時處理，同步采用小型測厚儀進行數(shù)據(jù)監(jiān)測。一般監(jiān)測周期為每周1次，監(jiān)測傷損發(fā)展變化情況，確?，F(xiàn)場做到搶前抓早，在隱傷裂紋深度達到8 mm前建議及時更換，防止演變成水平裂紋傷損，從而有效防止斷軌事件發(fā)生。

3 結語

國內高速鐵路網(wǎng)目前正處于快速發(fā)展期，鋼軌是行車安全的主要影響因素。針對鋼軌隱傷等RCF傷損，一方面要高度重視鋼軌表層的預防性打磨工作，包括有針對性地對加速區(qū)段、鋼軌強度較大區(qū)段等實施硬化層預防性打磨，同時根據(jù)隱傷發(fā)生的頻率和嚴重程度制定合理的打磨周期，現(xiàn)場可采用大機打磨與手工小車打磨相結合的方式;另一方面應對高速鐵路鋼軌隱傷等RCF傷損開展進一步研究，開發(fā)以輪軌接觸產生的頻率或振幅等數(shù)據(jù)為基礎的鋼軌防斷監(jiān)測裝置，通過分析鋼軌傷損變化特點，指導現(xiàn)場開展針對性鋼軌防斷工作。同時也可開發(fā)更多有關鋼軌裂紋的低頻表面波監(jiān)測技術，同時進一步修訂完善鋼軌傷損管理辦法，避免由于鋼軌的滾動接觸疲勞傷損威脅行車安全。