董華利

中鐵物總技術(shù)有限公司，北京100036

對于重載鐵路的小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌，側(cè)面磨耗與接觸疲勞傷損是影響其使用壽命的主要因素［1］。由于磨耗速率明顯大于其他區(qū)段，接觸疲勞傷損發(fā)展較快，小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌的使用壽命無法匹配大修周期，增加了換軌及維護(hù)成本。為了延長換軌周期，節(jié)約成本，研究如何提高小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌使用壽命具有重要意義［2］。

為了減少小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌的磨耗及延緩接觸疲勞傷損發(fā)展，可以通過設(shè)置曲線欠超高和上下股非對稱軌底坡、進(jìn)行固體潤滑、采用熱塑性彈性體墊板等措施減少磨耗［3-4］，在小半徑曲線上使用強(qiáng)度等級更高的熱處理鋼軌可以有效延長使用壽命［5-8］。文獻(xiàn)［9］研究了在線熱處理鋼軌U75V作為道岔尖軌在服役過程中的廓形演化規(guī)律。

鋼軌在服役狀態(tài)下的廓形變化對鋼軌選用及維護(hù)具有重要指導(dǎo)意義，而目前關(guān)于小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌使用過程中的磨耗發(fā)展規(guī)律研究相對較少。本文對小半徑曲線區(qū)段上股采用的不同熱處理鋼軌磨耗發(fā)展規(guī)律進(jìn)行觀測研究，為小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌材質(zhì)選擇及維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 觀測條件

1.1 線路概況

石太線是山區(qū)重載鐵路，小半徑曲線區(qū)段較多，上股鋼軌側(cè)面磨耗嚴(yán)重，使用壽命與其他區(qū)段不一致，造成鋼軌更換頻繁，增加維護(hù)成本。選取石太線上兩段半徑小于400 m的曲線區(qū)段（曲線A和曲線B）作為觀測區(qū)段，對使用過程中上股鋼軌的磨耗及接觸疲勞傷損發(fā)展進(jìn)行觀測。兩個觀測區(qū)段最大允許通過速度均為60 km/h，年通過總質(zhì)量均為120 Mt；線路狀況均為混凝土軌枕，碎石道床。曲線觀測區(qū)段主要參數(shù)見表1。該線路上股鋼軌采用固態(tài)潤滑方式來減少鋼軌側(cè)面磨耗，每日進(jìn)行車載涂油兩遍。

表1 石太線曲線觀測區(qū)段主要參數(shù)

1.2 鋼軌力學(xué)性能

曲線區(qū)段上股鋼軌原為某鋼廠生產(chǎn)的U78CrV熱軋鋼軌，是目前我國標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度等級最高的熱軋鋼軌。為了對比不同熱處理鋼軌與熱軋鋼軌使用情況，曲線A上股鋪設(shè)該廠生產(chǎn)的U78CrV熱處理鋼軌，代號為H370［10］，曲線B上股鋪設(shè)該廠生產(chǎn)的U75V熱處理鋼軌，代號為H340［10］。各型號鋼軌的主要力學(xué)性能見表2。

表2 鋼軌主要力學(xué)性能

1.3 觀測方案

結(jié)合所選擇線路歷史鋼軌使用情況，選擇磨耗較為嚴(yán)重的緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH作為觀測點。軌頭廓形采用手持式廓形儀進(jìn)行測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 側(cè)面磨耗

圖1為曲線A及曲線B上股圓緩點鋼軌廓形變化情況。可知，鋼軌剛上道時，在軌頭軌距角位置存在輕微肥邊；隨著通過總質(zhì)量G的增加，肥邊消失，側(cè)面磨耗逐漸增加。

圖1 上股圓緩點廓形變化

不同通過總質(zhì)量下，曲線A及曲線B各觀測點的上股鋼軌側(cè)面磨耗量見圖2。

圖2 不同通過總質(zhì)量下的上股鋼軌側(cè)面磨耗量

對圖2中側(cè)面磨耗與通過總質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到擬合直線方程，其斜率即磨耗速率。由于曲線A中緩圓點DHY磨耗較慢，且觀測數(shù)據(jù)點較少，未進(jìn)行擬合。曲線A的曲中點DQZ、圓緩點DYH及曲線B的緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH的擬合方程依次見式（1）—式（5）。

由圖2和式（1）—式（5）可知：

1）從同一曲線上的3個觀測點來看，圓緩點DYH先出現(xiàn)可觀測的側(cè)面磨耗，且通過總質(zhì)量相同時的磨耗總量大于其他兩點，但圓緩點DYH的平均磨耗速率并不比其他觀測點大，同一曲線上不同觀測點的磨耗規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

2）曲線A上股鋼軌曲中點DQZ和圓緩點DYH的側(cè)面磨耗速率分別為0.022、0.019 mm/Mt；曲線B上股鋼軌緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH的側(cè)面磨耗速率分別為0.040、0.023、0.036 mm/Mt。從不同曲線的側(cè)面磨耗速率看，曲線A上股使用的H370鋼軌側(cè)面磨耗速率低于曲線B上股使用的H340鋼軌。

可見，H370鋼軌比H340鋼軌具有更長的使用壽命以及更高的硬度和強(qiáng)度，且其片層間距比H340鋼軌的小?？傊?，H370鋼軌綜合性能更優(yōu)［11］。

兩個曲線觀測區(qū)段上股使用原U78CrV熱軋鋼軌時，曲線A上股鋼軌因側(cè)面磨耗達(dá)到了19 mm，在通過總質(zhì)量為280 Mt時下道；曲線B上股鋼軌因側(cè)面磨耗達(dá)到了21 mm，在通過總質(zhì)量為260 Mt時下道。曲線A上股使用H370鋼軌后，下道時通過總質(zhì)量達(dá)到了580 Mt，使用壽命達(dá)到U78CrV熱軋鋼軌的2倍以上；曲線B上股使用H340鋼軌后，下道時通過總質(zhì)量達(dá)到了460 Mt，使用壽命延長了約80%。

2.2 垂直磨耗

不同通過總質(zhì)量下，曲線A及曲線B各觀測點的上股鋼軌垂直磨耗量見圖3。

圖3 不同通過總質(zhì)量下的上股鋼軌垂直磨耗量

對圖3中垂直磨耗與通過總質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到擬合直線方程。曲線A的緩圓點DHY、曲中點DQZ、圓緩點DYH及曲線B的緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH的擬合方程依次見式（6）—式（11）。

由圖3和式（6）—式（11）可知：曲線A上股鋪設(shè)的H370鋼軌緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH垂直磨耗速率分別為0.010、0.010、0.012 mm/Mt；曲線B上股鋪設(shè)的H340鋼軌緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH垂直磨耗速率分別為0.013、0.010、0.012 mm/Mt。從兩個觀測區(qū)段總體垂直磨耗看，無論是同一曲線上的3個觀測點，還是不同曲線上鋪設(shè)的H370鋼軌和H340鋼軌，垂直磨耗速率差別均不明顯。

須要說明的是，通過總質(zhì)量達(dá)到200 Mt以后，對鋼軌進(jìn)行了打磨處理，一定程度上降低了垂直磨耗速率。

2.3 表面狀態(tài)

不同通過總質(zhì)量下，曲線A和曲線B中磨耗較為突出的圓緩點的表面狀態(tài)見圖4（列車由右向左行駛）。

圖4 不同通過總質(zhì)量下觀測區(qū)段圓緩點的表面狀態(tài)

由圖4可知：

1）在通過總質(zhì)量達(dá)到100 Mt時，曲線A及曲線B圓緩點上股鋼軌的軌距角附近出現(xiàn)輕微斜裂紋，但整體表面狀態(tài)較好。

2）隨著通過總質(zhì)量增加，在光帶中心出現(xiàn)了輕微的剝離掉塊。其中，曲線A上股鋼軌在通過總質(zhì)量達(dá)到460 Mt后，圓緩點斜裂紋及剝離掉塊數(shù)量增加，但深度較淺；曲線B上股鋼軌在通過總質(zhì)量達(dá)到270 Mt時，表面未見嚴(yán)重剝離掉塊。

綜上，熱處理鋼軌在觀測區(qū)段上使用的過程中，整體表面狀態(tài)較好，未見較為嚴(yán)重的剝離掉塊。

3 結(jié)論

為了研究不同熱處理鋼軌的磨耗規(guī)律，對石太線兩條半徑小于400 m的曲線區(qū)段上股使用的代號為H370的U78CrV熱處理鋼軌和代號為H340的U75V熱處理鋼軌進(jìn)行觀測，并與原來使用的U78CrV熱軋鋼軌進(jìn)行對比。主要結(jié)論如下：

1）各觀測點側(cè)面磨耗速率均大于垂直磨耗速率，在整個使用周期內(nèi)未見較為嚴(yán)重的剝離掉塊。

2）側(cè)面磨耗超限是影響小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌使用壽命的主要因素。

3）相比熱軋鋼軌，熱處理鋼軌可以顯著提高使用壽命，其中強(qiáng)度等級更高的H370鋼軌比熱軋鋼軌可以提高使用壽命1倍以上，并且使用過程中表面狀態(tài)良好。

4）無論鋼軌強(qiáng)度等級大小，圓緩點的側(cè)面磨耗量均大于緩圓點和曲中點，建議日常維護(hù)時加強(qiáng)對圓緩點的觀測，并制定維護(hù)方案，以便進(jìn)一步延長鋼軌的使用壽命。