城市軌道交通鋼軌選用的探討

陳 鵬

(北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

城市軌道交通鋼軌選用的探討

陳 鵬

(北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

在系統(tǒng)分析國內(nèi)外鐵路鋼軌應(yīng)用情況基礎(chǔ)上，結(jié)合城市軌道交通的特點，對城市軌道交通用鋼軌的相關(guān)問題進行分析，并對提高鋼軌使用壽命的措施提出建議。

城市軌道交通;鋼軌選材;因素;建議

鋼軌的選用應(yīng)盡可能提高鋼軌及車輪的使用壽命，延長輪軌系統(tǒng)的養(yǎng)護維修周期。在車輛安全、平穩(wěn)運行的同時，盡可能確保鋼軌、車輪處于良好的使用狀態(tài)，避免車輪及鋼軌出現(xiàn)異常傷損。目前城市軌道交通用鋼軌的選擇主要基于鋼軌本身的優(yōu)缺點進行比選分析，從輪軌系統(tǒng)的角度，并結(jié)合城市軌道交通自身特點綜合考慮方面做的工作還較少?；诖?，筆者將從這些方面探討城市軌道交鋼軌選用的相關(guān)問題。

1 輪軌硬度的匹配性

輪軌硬度匹配要達到合理，至少需將4個方面可能產(chǎn)生的病害盡可能降低，即鋼軌磨耗、車輪磨耗、鋼軌疲勞傷損、車輪表面的擦傷和剝離。

若同時兼顧，則在一定程度上存在矛盾，因此在“輪比軌硬”還是“軌比輪硬”的問題上存在爭議。這兩種選擇對應(yīng)的優(yōu)缺點分析見表1，國內(nèi)外鐵路輪軌硬度值見表2。

由表2可見，國內(nèi)外車輪硬度的取值一般比鋼軌硬度略高，且實踐表明，當(dāng)車輪硬度比鋼軌硬度稍大時，一般不會出現(xiàn)輪軌硬度匹配有問題的情況。表2中各國輪軌硬度比例范圍約為 1.05∶1 ～1.45∶1，與俄羅斯關(guān)于輪軌硬度比例為1.2∶1～1.4∶1的研究結(jié)論基本一致。若除去表中較特殊的日本過高的輪軌硬度比，則輪軌硬度比例的均值約為1.05∶1 ～1.25∶1。

表1 輪軌硬度不同大小關(guān)系條件下的定性分析

表2 國內(nèi)外鐵路輪軌硬度值 HB

目前，輪軌硬度匹配有問題的情況主要因鋼軌硬度過大而起，體現(xiàn)在成段鋪設(shè)熱處理鋼軌地段的鋼軌出現(xiàn)較嚴(yán)重的疲勞傷損，導(dǎo)致鋼軌使用壽命降低，直線地段熱處理軌的使用壽命甚至不如U71Mn鋼軌。如在京廣、隴海、浙贛等鐵路線上，成段鋪設(shè)的熱處理鋼軌出現(xiàn)了嚴(yán)重的疲勞傷損，且相繼發(fā)生斷軌。因此，國鐵主要在客貨共線及重載線路側(cè)磨較嚴(yán)重的小半徑曲線上鋪設(shè)熱處理鋼軌，以提高鋼軌的抗側(cè)磨能力［2］。

綜合以上分析，若城市軌道交通的輪軌硬度比例借鑒國鐵比例范圍，定義為 1.05∶1 ～1.25∶1，若采用U71Mn，則車輪硬度應(yīng)為273～375 HB;若采用U75 V，則車輪硬度應(yīng)為294～400 HB。所得到的車輪硬度范圍與目前地鐵車輛中常用的CL-60車輪硬度范圍基本一致，表明只要實際的輪軌硬度比例在合適范圍，兩種鋼軌均可滿足輪軌硬度匹配的要求。

因此，在對城市軌道交通中的鋼軌材質(zhì)進行選擇時，應(yīng)與車輛專業(yè)就輪軌硬度合理匹配方面的問題進行充分協(xié)同。目前此方面的接口配合工作有待加強。

2 運營列車的軸重及線路年通過總重

國鐵中的重載鐵路(軸重25 t以上，年通過總重200 Mt·km/km以上)主要采用強度等級高、硬度大的鋼軌;對于客貨共線鐵路，根據(jù)年通過總重選擇相應(yīng)的強度等級及硬度;對于客運專線，則均采用強度等級低、硬度小的鋼軌。例如，年通過總重大于50 Mt·km/km的客貨共線鐵路一般建議選擇U75V，其余年通過總重小于25 Mt·km/km 的鐵路則采用 U71Mn［2］。高速鐵路客運專線車輛軸重范圍約14 t(CRH2)～17 t(CRH5)，與地鐵列車軸重范圍基本相當(dāng)(A型車軸重最大為17.5 t，B型車軸重為14 t)，曲線半徑大(一般在5 000 m以上)，相關(guān)規(guī)范中已明確指出鋼軌應(yīng)選用U71MnG［3］，力學(xué)性能與 U71Mn 相當(dāng)。

年通過總重的概念目前在地鐵行業(yè)中很少提及。筆者認為有必要在設(shè)計中引入國鐵的這一概念，作為鋼軌選型時定量分析的一種方法。因不同地鐵線路行車對數(shù)、車型、滿載率等的差異，導(dǎo)致年通過總重有些差異。依據(jù)北京已開通運營的幾條主干線目前運行的列車對數(shù)，計算得到的線路年通過總重見表3;依據(jù)在建線路行車資料，計算得到的線路年通過總重見表4。列車平均滿載率參考行車專業(yè)進行全日行車對數(shù)計算時的取值范圍，偏保守按55%考慮，每個人的質(zhì)量偏保守按70 kg考慮。

表3 北京已開通運營的主干線目前的年通過總重

表4 某些在建線路初、近、遠期的年通過總重

由表3、表4可見，總體而言，地鐵線路年通過總重均較小，在6輛編組條件下線路年通過總重一般不會超過30 Mt·km/km，8輛編組條件下線路年通過總重也不會超過40 Mt·km/km，與國鐵中的客運或運量較小的客貨共線鐵路相當(dāng)。因此，若按國鐵中依據(jù)年通過總重的大小選擇鋼種，則U71Mn鋼軌可滿足地鐵設(shè)計要求，且有利于輪軌磨合和降低疲勞傷損。

3 小半徑曲線鋼軌側(cè)磨的應(yīng)對

雖然地鐵列車與客專列車的軸重基本相當(dāng)甚至比客運專線略小，但地鐵系統(tǒng)最突出的特點之一是線路小半徑曲線較多(正線最小曲線半徑可達300 m)，側(cè)磨超限是目前小半徑曲線地段換軌的主要原因。因客運專線曲線半徑一般在5 000 m以上，故不能全線按客運專線標(biāo)準(zhǔn)選擇低強度等級(880 MPa)、低硬度(260～300 HB)的鋼軌，需針對小半徑曲線鋼軌側(cè)磨較快的問題采取措施。

雖然U75V鋼軌硬度、強度等級比U71Mn略大，但國鐵的實踐表明，其在曲線地段的耐磨性與U71Mn相比并無明顯優(yōu)勢，主要是其化學(xué)成分經(jīng)歷了一個調(diào)整過程。1998年前生產(chǎn)的U75V鋼軌在曲線地段鋪設(shè)時其使用壽命比U71Mn軌提高約50%，雖耐磨性不如熱處理鋼軌，但U75V鋼軌平直度較好、質(zhì)量穩(wěn)定。此外，當(dāng)時的熱處理鋼軌生產(chǎn)能力有限，且工藝不完善導(dǎo)致熱處理鋼軌質(zhì)量不夠理想(如采用噴霧冷卻導(dǎo)致硬化層硬度均勻性較差、質(zhì)量不穩(wěn)定等)。因此，U75V鋼軌在國鐵中得以推廣使用，但隨后發(fā)現(xiàn)其存在一些缺陷，如硬度提高后導(dǎo)致其韌塑性降低，對裂紋產(chǎn)生的缺口敏感性增加，可焊性差，且在鋼軌預(yù)彎矯直、鋸軌、卸軌作業(yè)及上道使用中易發(fā)生脆斷，危及行車安全。為此，攀枝花鋼鐵有限公司于1998年調(diào)整了U75V鋼軌的化學(xué)成分，如降低碳、硅、釩等的含量，以提高鋼軌的韌塑性，使脆斷現(xiàn)象有所減少，焊接性能也得到改善;但耐磨性能比調(diào)整前有明顯降低，從各路局的反饋看，其在小曲線上的耐磨性能與U71Mn相比已無明顯優(yōu)勢。

此外，地鐵線路的調(diào)研也表明，目前包括鋪設(shè)U75V鋼軌在內(nèi)的小半徑曲線(半徑400 m以下)地段鋼軌側(cè)磨速率較快。如正線上鋪設(shè)U75V的一些R300 m曲線5年左右即換軌，出入線地段甚至有2年即換軌的情況出現(xiàn)(正線側(cè)磨重傷標(biāo)準(zhǔn)為15 mm［4］)。因此，無論鋪設(shè)U71Mn還是U75V鋼軌的線路，有必要借鑒國鐵經(jīng)驗，在小半徑曲線地段采用熱處理鋼軌(硬度一般在330 HB以上)以延緩鋼軌側(cè)磨，尤其是對線網(wǎng)中年通過總重較大的主干線。

4 鋼軌材質(zhì)的純凈性

鋼軌的純凈性與鋼軌的抗疲勞性能密切相關(guān)，應(yīng)盡可能減少鋼軌中夾雜物、有害元素(硫、磷等)及氫、氧、氮等氣體的含量。因含有這些物質(zhì)的部位易產(chǎn)生疲勞裂紋，進而形成核傷，導(dǎo)致鋼軌強韌性能的降低。對于熱處理鋼軌而言其純凈性更為重要，各鋼種中的S(硫)、P(磷)含量見表 5［2-3，5］，一般而言，強度等級及硬度越高的鋼軌，S、P含量控制得越嚴(yán)。我國 U71Mn、U75V鋼軌的S、P含量相對較高(僅比UIC900A低)，熱處理鋼軌的S、P含量與國外熱處理鋼軌相比略高;國鐵客運專線上采用的U71Mn(k)與歐洲EN260的S、P含量及力學(xué)指標(biāo)一致。

城市軌道交通車輛的軸重輕、速度低，鋼軌輪軌力小，鋼軌磨耗較少，故與客運專線類似，鋼軌的疲勞傷損成為相對突出的問題，見圖1。這主要有兩方面原因:一是城市軌道交通車輛的發(fā)車間隔小(北京地鐵1號線高峰時段發(fā)車間隔達2 min 5 s)，過載頻率高;二是減振地段的軌道剛度低，鋼軌應(yīng)變相應(yīng)也較大。此外，小半徑曲線上因輪軌力相對較大，除存在側(cè)磨外，疲勞傷損問題也較突出，并伴隨剝離掉塊，見圖2。因此，城市軌道交通用鋼軌應(yīng)像國外鋼軌看齊，進一步降低鋼軌中S、P等有害元素的含量，提高鋼軌的抗疲勞性能，尤其是小半徑地段采用的熱處理鋼軌更應(yīng)如此。

圖1 直線上鋼軌出現(xiàn)的疲勞傷損(魚鱗傷)

圖2 曲線外股鋼軌伴隨側(cè)磨的疲勞傷損(魚鱗傷，局部剝離掉塊)

表5 國內(nèi)外鋼軌有害元素含量及力學(xué)指標(biāo)

5 提高鋼軌使用壽命的其他建議

除鋼種的合理選擇外，其他措施對于提高鋼軌使用壽命也至關(guān)重要。

1)鋼軌預(yù)打磨。新線上實施預(yù)打磨對于消除鋼軌表面脫碳層、軌面毛刺、銹跡等瑕疵，改善輪軌接觸關(guān)系，縮短輪軌磨合期以延緩鋼軌病害發(fā)生具有顯著效果。以往的軌道交通工程建設(shè)，對于新線開通的預(yù)打磨工作重視程度不夠，隨著新開通線路局部區(qū)段鋼軌異常磨耗的出現(xiàn)，目前這一問題也日益引起各相關(guān)單位的重視。對于建設(shè)的第一條地鐵線路，軌道設(shè)計單位一般應(yīng)要求將打磨車費用納入工藝專業(yè)概算，作為本城市線網(wǎng)中需優(yōu)先考慮配置的大型工務(wù)維修設(shè)備。由于銑磨車費用較高，考慮設(shè)備國產(chǎn)化率問題，第一條線上可不配置，在續(xù)建線路中需結(jié)合線網(wǎng)建設(shè)情況及各條線路的造價再綜合考慮何時配置。

2)鋼軌接頭焊接質(zhì)量的控制。城市軌道交通的鋼軌焊接因受鋪軌工期、下料口(地下線車站鋪軌基地下料口較小，一般約30 m×5 m)等原因影響，不具備基地焊的條件，故一般采用現(xiàn)場移動閃光接觸焊。鋼軌閃光焊后，焊接接頭組織尤其是奧氏體晶粒粗化，韌塑性下降較多。對于淬火軌而言，原淬火硬化層消失，運營后經(jīng)列車碾壓易形成低接頭。因此，需對焊接接頭進行焊后熱處理。目前，地鐵中普遍采用的移動閃光焊后熱處理方式為火焰加熱，溫度不易控制，導(dǎo)致熱處理質(zhì)量不穩(wěn)定，且地下線焊接時煙氣不易消散，作業(yè)環(huán)境差，操作不當(dāng)易導(dǎo)致焊接接頭的平直度較差(目前地鐵中焊接接頭的垂直不平順度控制得普遍不好)，這些因素均對接頭質(zhì)量的可靠性有一定影響。因此，今后有必要研究類似基地焊采用的電感應(yīng)加熱焊后熱處理裝置。接頭的平直度也應(yīng)嚴(yán)格控制，如采用精度較高、操作方便的數(shù)字顯示鋼軌平直度檢測儀檢測接頭的平直度。

3)曲線鋼軌涂油。曲線外股鋼軌涂油可有效減緩鋼軌的側(cè)磨，這在國內(nèi)外國鐵及地鐵領(lǐng)域均是成熟的經(jīng)驗。但應(yīng)注意，曲線鋼軌潤滑后，在磨耗降低的同時，有可能會加劇鋼軌的接觸疲勞傷損。通常做法是先打磨鋼軌消除疲勞源，再涂油潤滑。若有條件應(yīng)盡可能采用固體潤滑劑，實踐證明固體潤滑不僅可大幅減少鋼軌磨耗，且不會導(dǎo)致鋼軌剝離掉塊的發(fā)生，對于提高鋼軌的使用壽命效果明顯［6］，且可避免使用液體潤滑劑導(dǎo)致道床及扣件臟污等問題。當(dāng)然，涂油并非越多越好，應(yīng)合理確定涂油周期及涂油量，合理涂油的基本原則是確保鋼軌疲勞傷損和磨耗傷損的比例較接近［7］。

此外，對于小半徑曲線上的鋼軌波磨問題，可采用軌頂摩擦控制裝置，通過調(diào)整輪軌接觸面摩擦系數(shù)在一定范圍的方式減緩鋼軌磨耗。此類裝置在北京地鐵新線建設(shè)及既有線改造中已嘗試采用。

6 結(jié)語

通過對城市軌道交通鋼軌應(yīng)用方面相關(guān)問題的分析，有以下結(jié)論:

1)不同強度等級、硬度的鋼軌各有其優(yōu)缺點，除鋼軌自身特點外，應(yīng)從輪軌系統(tǒng)的角度，結(jié)合所設(shè)計工程自身的特點，綜合考慮后選擇合適的鋼軌。

2)從目前城市軌道交通鋼軌的使用情況看，U71Mn及U75V在小半徑地段的鋼軌側(cè)磨均較嚴(yán)重，因此無論是選用U71Mn還是U75V鋼軌，在小半徑地段采用熱處理軌均有必要，尤其是線網(wǎng)中年通過總重較大的主干線。

3)城市軌道交通用鋼軌的選擇，除鋼軌自身的耐磨性、經(jīng)濟性等因素的考慮外，還應(yīng)與車輛(軸重、輪軌硬度的匹配要求等)、行車(線路的年通過總重)等專業(yè)進行配合后，綜合考慮確定。目前城市軌道交通軌道設(shè)計時對于鋼軌的選擇主要從本專業(yè)角度考慮，與其他相關(guān)專業(yè)的接口配合有待加強。

4)城市軌道交通軸重輕，但過載頻率高、小半徑曲線多，減振地段鋼軌應(yīng)變較大，導(dǎo)致鋼軌接觸疲勞問題相對突出，因此應(yīng)更加重視鋼軌材質(zhì)的純凈性問題，盡可能降低鋼軌中有害元素(如S、P)及非金屬夾雜物的含量，尤其是小半徑曲線上采用的熱處理軌。

5)除鋼種的選擇外，其他措施是否到位對于提高輪軌系統(tǒng)的使用壽命也至關(guān)重要，如鋼軌預(yù)打磨、焊接接頭質(zhì)量的嚴(yán)格控制、合理涂油方式的選擇等。

此外，目前城市軌道交通用鋼軌尚處于直接采用國鐵鋼種的階段。由于城市軌道交通與國鐵在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、車輛類型、施工條件、施工方法、運營特點及養(yǎng)護維修模式等方面均有所差異，因此今后有必要針對城市軌道交通自身特點，研發(fā)城市軌道交通專用的鋼軌。

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Discussion on Application of Rails in Urban Rail Transit

Chen Peng
(Beijing Urban Engineering Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100037)

Abstract:In this paper，based on the analysis of domestic and internationalapplication of rails and in lightof the characteristics of urban rail transit，analysis is carried out on the related problems of rails used in urban rail transit.Suggestions on increasing rail service life are put forward.

Key words:urban rail transit;selection of rail material;factor;suggestion

U213.4

A

1672-6073(2012)02-0045-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2012.02.012

收稿日期:2011-11-28

2012-01-31

作者簡介:陳鵬，男，博士，工程師，從事城市軌道交通軌道工程及產(chǎn)品設(shè)計研究，njtucp04@126.com

(編輯:郝京紅)