張彥博 劉秀波 劉勇 陳茁 魏劍梅

1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部， 北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所， 北京 100081；3.中國鐵路成都局集團有限公司， 成都 610082

我國高速鐵路鋼軌早期傷損的主要形式包括鋼軌擦傷、波磨、硌傷、母材缺陷等［1］。其中鋼軌擦傷會影響輪軌接觸狀態(tài)，影響列車運行平穩(wěn)性，長期輪軌作用會引起鋼軌的剝離掉塊或橫向裂紋，導(dǎo)致鋼軌折斷，嚴重威脅行車安全。

相關(guān)學(xué)者對鋼軌擦傷的特征和成因進行了諸多研究。胡二根［2］分析了鋼軌擦傷的特征、分布規(guī)律和原因，發(fā)現(xiàn)車站和制動地段為上坡道時，機車會因啟動困難造成車輪空轉(zhuǎn)從而擦傷鋼軌。張艷良［3］對礦區(qū)機車擦傷的分布進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)坡度大于6‰時重車上坡、坡度大于20‰時空車上坡和空車連續(xù)上坡易產(chǎn)生鋼軌擦傷，進而導(dǎo)致裂紋、核傷、剝離掉塊等傷損出現(xiàn)。王棟［4］研究發(fā)現(xiàn)，在信號機前后，機車啟動空轉(zhuǎn)會產(chǎn)生鋼軌擦傷；在長大坡道，機車加速闖坡會導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)而產(chǎn)生鋼軌擦傷；在小半徑曲線區(qū)段，鋼軌擦傷與垂直磨耗、側(cè)面磨耗交互作用，會加劇鋼軌擦傷的發(fā)展；司機操作不當(dāng)、運輸組織不當(dāng)、線路養(yǎng)護維修不良、軌道不平順等也會導(dǎo)致鋼軌擦傷。根據(jù)對某高速鐵路傷損成因的研究，鄧勇等［5］總結(jié)得出，鋼軌擦傷分為列車啟動打滑擦傷和列車制動擦傷，前者為橢圓形擦傷，后者為長條形擦傷。魏堂建等［6］探究了某城際鐵路的鋼軌擦傷原因，認為線路平縱斷面、機車類型和運輸組織模式對鋼軌擦傷形成的影響較大。劉豐收、李闖等［1，7］認為鋼軌擦傷可由機車車輪空轉(zhuǎn)、下坡制動、抱閘行駛和輪軌接觸面相對滑動4 種原因產(chǎn)生，坡度和軸重增大會增加產(chǎn)生鋼軌擦傷的可能性。趙康云［8］發(fā)現(xiàn)動車組緊急制動也會造成鋼軌擦傷，擦傷產(chǎn)生的白層組織厚度較薄，檢查難以發(fā)現(xiàn)。戚志剛等［9］調(diào)研了銀西客運專線的鋼軌擦傷情況，并根據(jù)現(xiàn)場形貌特征將鋼軌擦傷分為點狀、連續(xù)點狀和長條狀。

鋼軌擦傷表面的白層組織的形成機理、微觀結(jié)構(gòu)和裂紋擴展也是研究重點。由于白層組織的硬脆特性（維氏硬度高達1 200 HV），通常認為是裂紋形成的位置，會降低鋼軌的使用壽命［10］。劉佳朋等［11］認為白層組織的成因主要有兩類：大軸重機車擦傷形成的白層組織，厚度較大（大于0.5 mm），更易發(fā)展為剝離掉塊；動車組啟動或制動擦傷產(chǎn)生的白層組織，厚度較小（小于0.2 mm），更易發(fā)展為隱傷。為深入研究鋼軌擦傷的特征，本文通過對9 條高速鐵路線路實地調(diào)研和2019—2021年的鋼軌擦傷統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，對高速鐵路鋼軌擦傷的形貌特征和分布特征進行研究。

1 鋼軌擦傷形貌特征

現(xiàn)場調(diào)研了多條高速鐵路，根據(jù)鋼軌擦傷形貌特征，可分為車輪空轉(zhuǎn)擦傷和車輪滑行擦傷兩類。

1.1 車輪空轉(zhuǎn)擦傷

車輛啟動或運行時，牽引力不足會導(dǎo)致車輪產(chǎn)生空轉(zhuǎn)，進而造成鋼軌踏面局部的橢圓形擦傷，見圖1。擦傷較為嚴重時，局部踏面呈凹陷狀，在擦傷邊緣處形成堆高；擦傷較為輕微時，會在鋼軌表面形成白層組；部分白層組織會在車輪的循環(huán)加載下發(fā)展形成剝離掉塊?，F(xiàn)場的車輪空轉(zhuǎn)擦傷長度為20 ～ 40 mm，深度為0 ～ 2 mm，硬度為520 ～ 600 HB，均高于鄰近母材，發(fā)生在上坡牽引區(qū)段，為機車擦傷。

1.2 車輪滑行擦傷

車輛制動或行駛過程中，車輪滑行會造成鋼軌踏面產(chǎn)生長條形或橢圓白層組織，見圖2。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的擦傷深度較淺，鋼軌表面無明顯塑性變形，長條形擦傷長0.15 ～ 1.00 m，橢圓形擦傷長20 ～ 40 mm，硬度為395 ～ 600 HB，均高于鄰近母材，發(fā)生在下坡制動區(qū)段。其中一條坡度為25‰（行車方向下坡）的高速線路在換軌后仍出現(xiàn)了長條形擦傷，可以初步確定動車組在制動滑行時會造成鋼軌擦傷。

圖2 車輪滑行擦傷的宏觀形貌

2 鋼軌擦傷分布特征

統(tǒng)計9 條高速鐵路線路鋼軌擦傷情況，結(jié)合牽引制動狀態(tài)，從單雙股、平縱斷面（坡度和線形）、下部基礎(chǔ)、車輛類型等方面研究鋼軌擦傷分布特征。線路總長3 398 km，其中長大坡道較多，坡度大于14‰的區(qū)段（包括上坡和下坡）占16.21%，鋼軌擦傷共682 處。發(fā)生鋼軌擦傷的直線和曲線，路基、橋梁和隧道以及不同坡度的里程長度不同。為消除里程長度對不同區(qū)段鋼軌擦傷出現(xiàn)概率的影響，按C=N/D進行歸一化處理。其中：C為單位里程鋼軌擦傷數(shù)量；N為某區(qū)段的鋼軌擦傷數(shù)量；D為對應(yīng)區(qū)段的里程長度。

2.1 單雙股

理想情況下，鋼軌擦傷為雙股對稱分布。但是，根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)，單股分布較多，占71.07%；雙股對稱分布較少，占28.93%。

2.2 坡度

為明確坡度對鋼軌擦傷形成的影響，將坡度分為9個等級，分別為小于-14‰、［-14‰，-10‰）、［-10‰，-6‰）、［-6‰，-2‰）、［-2‰，2‰］、（2‰，6‰］、（6‰，10‰］、（10‰，14‰］和大于14‰，其中負坡度表示在列車運行方向下坡。對9條線路不同坡度等級的鋼軌擦傷數(shù)量和里程長度進行統(tǒng)計，計算每條線路不同坡度等級的單位里程鋼軌擦傷數(shù)量，見圖3。

圖3 不同坡度等級的鋼軌擦傷數(shù)量和里程長度分布

由圖3可知：①坡度在-6‰ ～ 6‰的鋼軌擦傷里程較長，但是坡度小于-14‰和大于14‰時單位里程鋼軌擦傷數(shù)量較大，占45.42%，這表明大坡度會促進鋼軌擦傷的產(chǎn)生。②坡度-2‰ ～ 2‰的單位里程鋼軌擦傷數(shù)量也較大。調(diào)研發(fā)現(xiàn)車站中心前后1 km 內(nèi)的坡度主要分布在-1‰ ～ 1‰，因此對坡度-2‰ ～ 2‰的鋼軌擦傷數(shù)量進行再統(tǒng)計，規(guī)定車站中心前后1 km 內(nèi)為靠近車站，1 km 外為遠離車站。結(jié)果表明，有76.92%的鋼軌擦傷出現(xiàn)在靠近車站區(qū)域，可見進出站啟動制動頻繁的區(qū)域出現(xiàn)鋼軌擦傷的概率更高。

2.3 線形

由于坡度因素影響較大，對于直線、曲線區(qū)段鋼軌擦傷的分析要綜合考慮坡度和線形的影響。對9個坡度等級中直線、曲線區(qū)段的鋼軌擦傷數(shù)量和里程長度進行統(tǒng)計，見圖4。可知：不同坡度等級下直線區(qū)段的鋼軌擦傷里程長度均大于曲線區(qū)段，但整體上曲線區(qū)段的單位里程鋼軌擦傷數(shù)量大于直線區(qū)段，占總擦傷數(shù)量的62.72%，可見曲線區(qū)段比直線區(qū)段更易產(chǎn)生鋼軌擦傷；坡度小于-14‰和大于14‰時，曲線區(qū)段鋼軌擦傷數(shù)量較為突出，可見大坡度上下坡的曲線區(qū)段更容易產(chǎn)生鋼軌擦傷。

圖4 不同坡度等級的直線和曲線區(qū)段鋼軌擦傷分布

2.4 下部基礎(chǔ)

對路基、橋梁和隧道地段鋼軌擦傷數(shù)量和里程長度進行統(tǒng)計，見圖5?？芍郝坊?、橋梁和隧道的鋼軌擦傷里程長度較為接近，隧道單位里程鋼軌擦傷數(shù)量多于路基和橋梁，路基、橋梁和隧道地段分別占總擦傷數(shù)量的28.20%、29.54%和42.26%。

對9 個坡度等級的路基、橋梁和隧道地段單位里程鋼軌擦傷數(shù)量和里程長度進行統(tǒng)計，見圖6?？芍捍笃露群涂拷囌緟^(qū)段單位里程鋼軌擦傷較多，可見坡度和進出站啟動制動對擦傷的影響較大；路基、橋梁和隧道的里程長度接近，其中隧道處單位里程鋼軌擦傷數(shù)量較大，但無明顯對應(yīng)規(guī)律，可知下部基礎(chǔ)對鋼軌擦傷的影響較小。

2.5 車輛類型

一高速鐵路區(qū)段的鋼軌擦傷分布見圖7?？芍轰撥壊羵孰p股對稱分布，以3個擦傷為一組，組內(nèi)擦傷間距為1.8 m，兩組擦傷中間位置的間距為12 m。該區(qū)段位于隧道內(nèi)，線路坡度為18‰，行車方向為下坡，平面線形為直線，鋪設(shè)有砟軌道。該線路運行的機車和動車的主要類型和參數(shù)見表1。

表1 一高速鐵路線路運行車輛參數(shù)

圖7 一高速鐵路區(qū)段的鋼軌擦傷分布

由表1 可知：DF4D轉(zhuǎn)向架軸距為（1.8 + 1.8）m，且轉(zhuǎn)向架中心距為12 m，和線路實測的鋼軌擦傷間距最相近。結(jié)合調(diào)研信息，分析此處為車輪滑行擦傷，是由DF4D機車牽引卸砟作業(yè)過程中制動滑行產(chǎn)生的。

3 結(jié)論

1）鋼軌擦傷可分為車輪空轉(zhuǎn)擦傷和車輪滑行擦傷。車輪空轉(zhuǎn)擦傷會在機車啟動和上坡牽引過程中產(chǎn)生，并在鋼軌表面形成白層組織，繼而引發(fā)剝離掉塊或者橫向裂紋，嚴重時可瞬時在鋼軌表面產(chǎn)生凹陷。車輪滑行擦傷在機車或動車組制動或行駛過程中產(chǎn)生，并在鋼軌表面形成橢圓形或者長條形白層組織。

2）現(xiàn)場單股鋼軌擦傷占總擦傷數(shù)量的71.07%；大坡度區(qū)段產(chǎn)生鋼軌擦傷的概率高于小坡度區(qū)段，在坡度大于14‰時單位里程鋼軌擦傷數(shù)量占45.42%；曲線區(qū)段產(chǎn)生鋼軌擦傷的概率高于直線區(qū)段，曲線區(qū)段單位里程鋼軌擦傷數(shù)量占62.72%；進出站頻繁啟停會增加產(chǎn)生鋼軌擦傷的概率，在坡度等級為-2‰ ～2‰時，76.92%的鋼軌擦傷出現(xiàn)在進出站前后1 km區(qū)域；下部基礎(chǔ)對鋼軌擦傷的產(chǎn)生影響較小。