吳浩

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州工務(wù)段，浙江 杭州 310000）

高速鐵路的鋼軌投入使用后，與輪對(duì)相互作用會(huì)產(chǎn)生滾動(dòng)接觸疲勞損傷，主要表現(xiàn)為斜裂紋、鱗狀裂紋或隱傷等，為高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)造成極大威脅。我國(guó)相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，在鋼軌隱傷研究方面起步較晚，所以目前依然沒(méi)有形成健全、完善的維護(hù)體系。對(duì)此，需要我國(guó)深入研究高速鐵路輪軌及線路工況之間存在的關(guān)系，深入分析鋼軌隱傷的形成機(jī)理和發(fā)展過(guò)程，進(jìn)而提出針對(duì)性維護(hù)建議，保證高速鐵路始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

1 高速鐵路鋼軌隱傷概述

鋼軌隱傷就是指鋼軌表面沒(méi)有明顯的傷痕，但內(nèi)部存在微觀缺陷或潛在損傷，如疲勞裂紋、夾雜物等。這些隱傷在初期通常不會(huì)對(duì)鋼軌安全運(yùn)行造成明顯負(fù)面影響，但隨著使用時(shí)間的推移，可能會(huì)逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼軌強(qiáng)度降低，進(jìn)而可能引發(fā)列車運(yùn)行顛簸、失穩(wěn)等問(wèn)題，會(huì)嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐芍卮蟀踩鹿??？梢詫⒏咚勹F路鋼軌隱傷的特點(diǎn)歸納為以下方面：（1）隱秘性強(qiáng)。由于鋼軌表面光滑，肉眼很難發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部的損傷。往往需要通過(guò)專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備和儀器才能發(fā)現(xiàn)。（2）危害性大。雖然這些隱傷外表看似無(wú)恙，但實(shí)際上卻可能引發(fā)列車脫軌、顛覆等嚴(yán)重事故。對(duì)乘客和貨物運(yùn)輸都構(gòu)成極大威脅。（3）不易修復(fù)。由于鋼軌損傷多位于內(nèi)部，修復(fù)難度較大。一旦發(fā)現(xiàn)需要更換整根鋼軌，成本高昂。

2 高速鐵路鋼軌隱傷形成機(jī)理

2.1 鋼軌擦傷白層組織形成機(jī)理

高速鐵路鋼軌運(yùn)行過(guò)程中，擦傷是較為常見的隱傷類型之一，輪軌在特定條件下滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一層微觀組織，主要為白色，如果不及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致軌面產(chǎn)生裂紋。鋼軌之所以產(chǎn)生擦傷，主要原因有兩種，（1）啟動(dòng)機(jī)車時(shí)出現(xiàn)“空轉(zhuǎn)”打滑現(xiàn)象；（2）制動(dòng)“抱死”。可以將形成機(jī)理歸納為以下方面：第一，在高速鐵路建設(shè)或養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，由于大軸重機(jī)車違規(guī)操作，所以會(huì)形成厚度超過(guò)0.5mm 的白層組織，馬氏體組織硬度一般在500～800HB，這種擦傷引發(fā)的微觀組織會(huì)導(dǎo)致軌面脫離，并非隱蔽性損傷。第二，動(dòng)車組的輪軌受多種因素影響導(dǎo)致黏著性被破壞，使其運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象，由于軸的重量較輕，所以形成的微觀組織厚度一般在0.2mm范圍內(nèi)，也正是因?yàn)椴羵讓咏M織較薄，所以隨著時(shí)間推移會(huì)逐漸形成隱傷。

2.2 延性耗竭形成機(jī)理

高速鐵路的鋼軌投入使用后，與輪對(duì)相互作用容易加大滾動(dòng)接觸疲勞損傷發(fā)生率，導(dǎo)致鋼軌出現(xiàn)鱗狀裂紋或斜裂紋。軌面組織在滾動(dòng)接觸疲勞長(zhǎng)期作用下，會(huì)逐漸產(chǎn)生延性耗竭，進(jìn)而導(dǎo)致鋼軌形成隱傷。在動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中，需要通過(guò)軌面為鋼軌提供黏著力，才能使鋼軌持續(xù)向前，通常調(diào)節(jié)黏著力大小需要對(duì)微滑區(qū)在滑移斑中的占比進(jìn)行合理調(diào)整。為了了解軌面在不同黏著系數(shù)下的縱向切應(yīng)力分布情況，需要采用有限元模擬方法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，在具體實(shí)施中，如果將鋼軌的廓形設(shè)置為60N，將軸的重量設(shè)置為17t，那么通過(guò)有限元模擬方法進(jìn)行計(jì)算，可以準(zhǔn)確得到軌面縱向切應(yīng)力分布情況。結(jié)合計(jì)算結(jié)果分析來(lái)看，如果軌面提供的黏著力系數(shù)不足0.2，那么軌面以下0 ～2mm 深度的位置，縱向切應(yīng)力相對(duì)較高，接近于表面裂紋。并且軌面的縱向切應(yīng)力會(huì)隨著黏著系數(shù)的增加而增加，如果黏著系數(shù)超過(guò)0.2，則容易導(dǎo)致軌面產(chǎn)生延性耗竭，進(jìn)而形成滾動(dòng)接觸疲勞損傷。所以，車輛在行駛過(guò)程中，軌面提供的黏著系數(shù)，與鋼軌隱傷的形成有密切聯(lián)系。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況總結(jié)來(lái)看，我國(guó)高速鐵路在運(yùn)行過(guò)程中一旦產(chǎn)生延性耗竭，那么造成的隱傷大多位于站內(nèi)區(qū)間或道岔區(qū)。這是因?yàn)檎緝?nèi)區(qū)間的鋼軌在動(dòng)車組啟動(dòng)、制動(dòng)、牽引作用下會(huì)承受較大作用力，而道岔區(qū)的鋼軌在軌底坡及超高影響下會(huì)產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，所以容易產(chǎn)生隱傷。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析情況來(lái)看，道岔區(qū)鋼軌相對(duì)正線鋼軌來(lái)說(shuō)，前者隱傷數(shù)量是后者的2 倍多。另外，鋼軌組織的特點(diǎn)也與滾動(dòng)接觸疲勞損傷的產(chǎn)生有密切聯(lián)系，主要可以從以下方面分析：（1）抗延性耗竭能力會(huì)隨著鋼軌剪切強(qiáng)度的提高而提高。（2）鋼軌表層的雜物數(shù)量、尺寸大小以及裂紋產(chǎn)生數(shù)量與純凈度成反比關(guān)系，也就是純凈度越高的情況下，雜物越少、尺寸越小、裂紋產(chǎn)生率越低。（3）高速鐵路的鋼軌越平直，隱傷裂紋數(shù)量越少。

3 高速鐵路鋼軌隱傷的維護(hù)策略

3.1 對(duì)鋼軌隱傷進(jìn)行檢測(cè)

由上文分析可以看出，高速鐵路出現(xiàn)隱傷本身具有隱蔽性特點(diǎn)，加上發(fā)展速度較快，所以如果不及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致鋼軌斷裂，進(jìn)而為動(dòng)車組安全運(yùn)行造成極大威脅。對(duì)此，需要通過(guò)專業(yè)探傷檢測(cè)的方式，及時(shí)識(shí)別隱傷并處理。具體如下。

（1）了解隱傷發(fā)生線路的主要特點(diǎn)。以上提到，高速鐵路中的鋼軌隱傷多發(fā)于站內(nèi)區(qū)間及道岔區(qū)，所以在維護(hù)管理過(guò)程中，可以適當(dāng)增加這兩個(gè)區(qū)段鋼軌的檢測(cè)次數(shù)，縮短檢測(cè)周期，尤其針對(duì)長(zhǎng)大坡道等容易發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生擦傷的線路，需要選擇合理方式開展探傷工作。另外，在隧道環(huán)境較為干燥的情況下，鋼軌隱傷發(fā)生率也相對(duì)較低，所以可以適當(dāng)減少檢測(cè)和探傷頻率。當(dāng)鋼軌出現(xiàn)隱傷裂紋后，受雨水、油脂產(chǎn)生的油楔作用，會(huì)導(dǎo)致隱傷裂縫加快拓展速度。例如，鋼軌出現(xiàn)隱傷裂紋后，如果雨水進(jìn)入其中，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)一層白色氧化物，而隧道內(nèi)部的鋼軌由于具備遮擋物，所以很少受雨水侵蝕，因此可以減少檢測(cè)次數(shù)。

（2）判斷初期隱傷損傷的主要依據(jù)。首先，根據(jù)鋼軌軌頂面硬度判斷隱傷損傷，鋼軌投入使用后，如果形成一定厚度的白色組織，那么軌面硬度一般在489HB左右，會(huì)在一定程度上造成延性耗竭，進(jìn)而導(dǎo)致軌面出現(xiàn)隱傷，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生硬化情況，硬度一般在431HB 左右。以上提到的隱傷，發(fā)生后軌面硬度相對(duì)較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出母材硬度。所以，在隱傷判斷過(guò)程中，可以將測(cè)量出的踏面硬度作為主要依據(jù)。其次，將鋼軌平直度作為判斷隱傷損傷的依據(jù)。在鋼軌隱傷不斷發(fā)展的同時(shí)，鋼軌也會(huì)出現(xiàn)斷裂、塌陷等問(wèn)題，以人工方式測(cè)量鋼軌平直度，或檢測(cè)車載垂向加速度，能夠有效提高隱傷判斷水平。再次，將鋼軌是否存在白色組織作為隱傷判斷的依據(jù)。國(guó)外有學(xué)者在研究中表明，珠光體組織和馬氏體組織的電磁性能存在差異，所以可以通過(guò)電磁信號(hào)檢測(cè)方式對(duì)鋼軌的白色組織進(jìn)行辨別，但這種檢測(cè)方式存在誤差大、干擾因素多、檢測(cè)效率低的弊端，所以應(yīng)用范圍有限。我國(guó)在鋼軌隱傷檢測(cè)中，可以定期檢測(cè)容易發(fā)生擦傷或已經(jīng)發(fā)生擦傷的線路，檢測(cè)過(guò)程可以將硝酸酒精溶液作為腐蝕劑，通過(guò)侵蝕鋼軌表面，觀察顏色變化情況。

3.2 隱傷鋼軌打磨方法

日本作為發(fā)達(dá)國(guó)家，在高速鐵路發(fā)展方面起步較早，但隨著新干線建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，鋼軌隱傷也逐漸增加，而隱傷打磨就是日本針對(duì)新干線隱傷維護(hù)制定的有效策略。結(jié)合大量實(shí)踐總結(jié)來(lái)看，經(jīng)過(guò)40Mt 通過(guò)總質(zhì)量時(shí)，鋼軌表面會(huì)產(chǎn)生“V”型裂紋，這種裂紋也是鋼軌初期形成的隱傷，通常深度在0.05mm 范圍內(nèi)，技術(shù)人員可以對(duì)裂紋進(jìn)行打磨，避免隱傷持續(xù)發(fā)展。如果沒(méi)有對(duì)隱傷進(jìn)行及時(shí)打磨，會(huì)在鋼軌塌陷的同時(shí)加大隱傷損害，導(dǎo)致裂紋進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。另外，在經(jīng)過(guò)100Mt 通過(guò)總質(zhì)量時(shí)，鋼軌會(huì)出現(xiàn)黑斑或剝離等情況，這種情況代表隱傷進(jìn)入中期階段，裂紋深度會(huì)相應(yīng)增加，一般在6mm 范圍內(nèi)，此時(shí)再使用打磨方式治理，效果則會(huì)大打折扣。在隱傷裂紋長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展中，會(huì)衍生出諸多新裂紋，并且裂縫較深，如果沒(méi)有及時(shí)通過(guò)打磨方式處理干凈，會(huì)為鋼軌安全運(yùn)行造成巨大威脅。結(jié)合日本鋼軌隱傷維護(hù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，可以將打磨周期設(shè)置為40Mt，盡可能將鋼軌隱傷控制在發(fā)展初期。除日本外，澳大利亞也在鋼軌隱傷打磨方面開展了一系列研究工作，并將打磨周期設(shè)置在10 ～15Mt 范圍內(nèi)，在打磨隱傷過(guò)程中，需要將深度控制在0.05mm 左右。而英國(guó)則是以年為周期，每年將磨耗量控制在0.2mm 左右，這一磨耗量既包括打磨產(chǎn)生的磨耗，也包括自然磨耗。可以看出，鋼軌母材的差異、運(yùn)行環(huán)境的不同、車輛特點(diǎn)的區(qū)別，均會(huì)對(duì)隱傷打磨提出不同要求，需要各國(guó)根據(jù)實(shí)際情況制定科學(xué)合理的打磨策略。另外，據(jù)上文研究分析可以看出，我國(guó)高速鐵路產(chǎn)生損傷的形式主要有兩種，一種為延性耗竭，另一種為白色組織引發(fā)。其中，隱傷裂縫大多在馬氏體周圍產(chǎn)生，形成隱傷的通過(guò)總量相對(duì)較小?，F(xiàn)階段，我國(guó)在高鐵隱傷打磨技術(shù)方面不斷加大投入力度，已經(jīng)形成了相對(duì)完善的技術(shù)體系。其中將區(qū)間線路的鋼軌打磨周期確定為60 ～90Mt 通過(guò)總質(zhì)量打磨1 次。但結(jié)合工作現(xiàn)狀來(lái)看，由于至今尚未形成完善的周期性打磨策略，導(dǎo)致隱傷維護(hù)效果不佳。眾所周知，高鐵出現(xiàn)隱傷后，不同線路的運(yùn)行工況不盡相同，所以相關(guān)部門需要根據(jù)站內(nèi)區(qū)間、道岔區(qū)等實(shí)際情況，制定針對(duì)性隱傷打磨周期。在打磨過(guò)程中，應(yīng)合理研究打磨方法，可以通過(guò)平直度及白層馬氏體檢測(cè)或軌面硬度檢測(cè)方式完成探傷作業(yè)。

3.3 鋼軌隱傷的預(yù)防策略

鋼軌隱傷是指肉眼不易察覺(jué)，但在特定條件下會(huì)影響列車行駛穩(wěn)定性和安全性的損傷。這些損傷可能包括微觀裂紋、表面氧化層脫落等。這些損傷如果不及時(shí)處理，可能會(huì)導(dǎo)致鋼軌疲勞裂紋的擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)鋼軌斷裂，造成重大安全事故。所以，相關(guān)部門需要不斷加大投入力度，探索鋼軌隱傷的有效預(yù)防策略。具體來(lái)說(shuō)：（1）遵循預(yù)防為主基本原則。對(duì)于鋼軌隱傷的維護(hù)，首先要樹立預(yù)防為主的觀念。通過(guò)加強(qiáng)鋼軌制造、運(yùn)輸、安裝過(guò)程中的質(zhì)量控制，降低出現(xiàn)隱傷的概率。同時(shí)，在列車行駛過(guò)程中，合理安排車速和載重，防止因過(guò)載或沖擊導(dǎo)致鋼軌損傷。（2）科技引領(lǐng)。積極引進(jìn)和研發(fā)先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)技術(shù)，提高鋼軌隱傷的檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。例如，利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)鋼軌聲波信號(hào)進(jìn)行分析，以提高超聲波檢測(cè)的自動(dòng)化水平和精度。（3）人員培訓(xùn)。加強(qiáng)鐵路維護(hù)人員的技能培訓(xùn)，提高維護(hù)人員對(duì)新設(shè)備、新技術(shù)的掌握和應(yīng)用能力，并對(duì)維護(hù)人員進(jìn)行定期考核，可以將考核結(jié)果與薪資待遇相掛鉤，以此來(lái)調(diào)動(dòng)維護(hù)人員工作的積極性，保證維護(hù)工作有條不紊進(jìn)行。同時(shí)，增強(qiáng)他們的安全意識(shí)，確保在維護(hù)過(guò)程中遵循安全規(guī)范，減少因操作不當(dāng)導(dǎo)致的安全事故。（4）定期檢測(cè)。對(duì)于已投入使用的高速鐵路鋼軌，需要制定科學(xué)合理的檢測(cè)計(jì)劃，并對(duì)鐵軌進(jìn)行定期無(wú)損檢測(cè)。通常采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)等。這些技術(shù)能夠在不損害鋼軌的前提下，檢測(cè)到鋼軌內(nèi)部的微觀損傷。如果在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隱傷，應(yīng)根據(jù)嚴(yán)重程度采取相應(yīng)的處理措施，如打磨、修復(fù)或更換鋼軌。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高速鐵路的運(yùn)行中，鋼軌的隱傷是威脅運(yùn)行安全的重要因素。如何及時(shí)檢測(cè)并有效維護(hù)這些隱傷，是鐵路管理部門必須面對(duì)的重要問(wèn)題。隱傷的維護(hù)需要樹立預(yù)防為主、定期檢測(cè)、科技引領(lǐng)和人員培訓(xùn)的理念。通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，不斷完善和優(yōu)化維護(hù)策略，如此才能夠有效地保障高速鐵路的運(yùn)行安全。相信在多方共同努力，鐵路事業(yè)的發(fā)展也會(huì)越來(lái)越好。