高速鐵路輪軌硬度匹配試驗研究

張銀花，周韶博，周清躍，劉豐收，李　闖，張關震

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京　100081)

作為我國運營時間最長的高速鐵路，京津城際鐵路開通運營已8年多。多年的運營結(jié)果表明，高速鐵路的鋼軌磨耗量很少，加工硬化不顯著；而車輪磨耗量相對較大，車輪踏面出現(xiàn)凹磨，并且導致車輪鏇修周期短、養(yǎng)護維修成本高。針對中國高速鐵路由于運行距離較長、線路曲線半徑大、輪軌接觸點比較集中而容易出現(xiàn)車輪踏面凹磨等問題，2015年中國鐵路總公司立項，滾動開展高速鐵路輪軌關系研究，主要內(nèi)容包括輪軌型面匹配、輪軌硬度匹配、輪軌磨損規(guī)律等，通過系列和系統(tǒng)的研究，進一步深化輪軌關系的基礎理論，解決我國高速鐵路實際運營中存在的車輪踏面凹磨、多邊形磨耗、波磨等問題，降低養(yǎng)護維修成本。輪軌硬度匹配是輪軌關系研究中的重要內(nèi)容之一，輪軌硬度是否匹配將直接影響到鋼軌和車輪的使用壽命，以及維修養(yǎng)護的成本等。

本文在調(diào)研國內(nèi)外高速鐵路輪軌硬度匹配關系研究及應用現(xiàn)狀的基礎上，根據(jù)實驗室的輪軌硬度磨損試驗數(shù)據(jù)，提出高速條件下輪軌硬度匹配的合理范圍及解決目前車輪磨耗問題的初步方案。

1　國外輪軌硬度匹配研究及應用現(xiàn)狀

近些年來，國外圍繞輪軌硬度匹配開展了一系列的研究，得出了一些不同的結(jié)論。試驗室研究表明[1]，當車輪材質(zhì)固定時，隨著鋼軌硬度的增加其磨耗量逐漸降低，對應的車輪磨耗量也呈現(xiàn)增加趨勢；當鋼軌和車輪硬度比大于1∶1后，隨著鋼軌硬度的增加其磨耗量繼續(xù)降低，但車輪的磨耗量維持在一個穩(wěn)定的水平，且輪軌總磨耗量是逐漸降低的。歐洲鐵路聯(lián)盟UIC實驗室研究表明，當軌輪硬度比在0.7∶1～1.6∶1之間變化時，并不存在1個最佳的硬度匹配使得輪軌之間的總磨耗最小。俄羅斯學者根據(jù)本國輪軌使用情況和對輪軌關系的研究，提出了鋼軌頭部與車輪輪輞的最佳硬度比是1.2∶1～1.4∶1的觀點[2]。因此，國外有關研究對于輪軌硬度的匹配存在著不同的觀點。

在實際運用中，國外關于輪軌硬度匹配關系主要有兩大技術路線，其一是以日本為代表的高硬度車輪路線，其二是以歐洲為代表的低硬度車輪路線。

日本新干線除第1條高速鐵路(東海道新干線)采用斷面為50T的普通碳素熱軋鋼軌外，其他新干線一直采用強度等級為800 MPa級的普通碳素熱軋鋼軌，軌面硬度≥235 HB；而新干線列車的車輪硬度較高，其中SSW-Q3R車輪輪輞的硬度為311～363 HB，輪軌硬度比大于1∶1，達到1.2∶1以上。日本鋼軌和車輪的化學成分、力學性能指標及輪軌硬度比分別見表1、表2和表3(表中Rm為抗拉強度，A為斷后伸長率)。由于車輪硬度較高而鋼軌硬度較低，因此，日本有關輪軌關系的研究中很少出現(xiàn)車輪失圓和凹磨等問題，他們更關心由于頻繁地啟動和制動而導致的車輪踏面熱裂紋問題和小曲線半徑鋼軌的側(cè)面磨耗問題[3-4]，并就此開展了大量的研究工作。對于小半徑曲線鋼軌的磨耗問題，通過使用熱處理鋼軌、潤滑鋼軌、控制軌頂面摩擦系數(shù)等技術減少鋼軌磨損。

表1　國外高速鐵路使用的主要熱軋鋼軌的化學成分及力學性能

表2　國外高速鐵路使用的各種車輪的化學成分及力學性能

表3　國外高速鐵路車輪與鋼軌的硬度比值

歐洲高速鐵路初期鋪設UIC700 鋼軌，軌面硬度約為200～260 HB。歐洲一體化后，廣泛鋪用UIC900A普通熱軋鋼軌，軌面硬度約為260～300 HB。歐洲規(guī)定車速在200 km·h-1以上時，選用ER8車輪，其輪輞硬度≥245 HB，輪軌硬度比接近1∶1[5]。歐洲國家鋼軌和車輪的化學成分、力學性能指標及輪軌硬度比分別見表1、表2和表3。

德國鐵路鋼軌采取分級選用制度[6]，在客運線路和客貨混運線路普遍鋪設歐標R260(硬度260～300 HB)鋼軌，曲線半徑小于2 800 m的線路推薦鋪設R350HT(硬度350～390 HB)鋼軌，而重載線路則鋪設更高強度和硬度級別的R370CrHT(硬度370～410 HB)和R400HT(硬度400～440 HB)鋼軌。

德國早期使用硬度低的ER7車輪(硬度約為235 HB)，低于R260鋼軌的硬度。車輪出現(xiàn)凹磨及多邊形等問題，后逐漸采用硬度稍微高的ER8車輪。20世紀90年代，德國的高速鐵路普遍出現(xiàn)車輪失圓問題，因此不得不對車輪進行鏇修。頻繁地鏇修顯著降低了車輪的使用壽命。德國鐵路技術人員與日本車輪供應商住友金屬公司聯(lián)合研發(fā)了更高硬度的C64車輪(輪輞硬度277～341 HB)，C64車輪性能優(yōu)于ER7車輪，其鏇修頻率只有ER7車輪的1/3，平均壽命達250萬km，而ER7車輪的平均壽命為140萬km。針對基礎設施運營商擔心的車輪硬度較大而會加重鋼軌損傷的問題，德國鐵路又利用全尺寸輪軌試驗臺進行不同硬度的鋼軌與車輪材料的磨損研究，發(fā)現(xiàn)車輪硬度增加并未對鋼軌造成附加損害。目前德國鐵路已有近一半的ICE1和ICE2列車使用了日本車輪?？偟膩碚f，德國鐵路致力于逐漸提高輪軌硬度比，即提高車輪硬度解決車輪磨耗和多邊形等問題。

國外采用的輪軌材料硬度比各不相同。日本車輪的硬度高于鋼軌的硬度。歐洲高速鐵路線路狀況較為復雜，輪軌材料匹配也較為多樣。但從車輪等級由ER7到ER8的發(fā)展趨勢和德國鐵路采購日本車輪的事實來看，歐洲鐵路也在致力于提高輪軌的硬度比，即通過提高車輪的硬度解決車輪磨耗等問題。

2　國內(nèi)輪軌硬度匹配研究及應用現(xiàn)狀

我國高速客運鐵路鋪設U71MnG熱軋鋼軌，軌面硬度為260～300 HB(實際硬度270～280 HB，斷后伸長率13%～15%)；高速客貨混運鐵路鋪設U75VG熱軋鋼軌，軌面硬度為280～320 HB(實際硬度295～310 HB，斷后伸長率11%～13%)。我國高速動車組主要采用進口車輪，以進口歐洲的ER8車輪為主，少量采用歐洲ER9車輪、魯奇尼開發(fā)的ER8C車輪、日本SSW-Q3R車輪。在時速200～300 km高速鐵路上運行的動車組，其中CRH1型動車組的車輪材質(zhì)為ER9，輪輞硬度大于255 HB；早期的CRH2型動車組的車輪材質(zhì)為SSW-Q3R，輪輞硬度為311～363 HB(實際硬度≥320 HB)；CRH3型動車組的車輪材質(zhì)為ER8，輪輞硬度大于245 HB(實際硬度≥260 HB)；CRH5型動車組的車輪材質(zhì)為ER8C，輪輞硬度為260～302 HB。我國高速鐵路使用的主要用鋼軌和車輪的化學成分、力學性能及輪軌硬度比分別見表4、表5和表6。

表4　我國高速鐵路使用的主要熱軋鋼軌的化學成分及力學性能

表5　我國高速鐵路使用的各種車輪的化學成分及力學性能

表6　我國高速鐵路車輪與鋼軌的硬度比

我國高速鐵路的運營特點是曲線半徑大、運行距離長、輪軌接觸點比較集中。高速線路運營結(jié)果表明，直線鋼軌的垂直磨耗很少，每年或每15 Mt通過總重的鋼軌自然磨耗(扣除鋼軌打磨的影響)小于0.1 mm；鋼軌踏面加工硬化不顯著，3 a(45 Mt通過總重)約為10%。城際鐵路的小半徑曲線線路的鋼軌側(cè)面磨耗嚴重，如滬寧城際鐵路，在半徑為1 000 m的曲線線路上，每年或20 Mt通過總重的鋼軌側(cè)磨量為1.4～1.7 mm。車輪存在凹磨和不均勻磨耗等問題，根據(jù)西南交通大學的測試數(shù)據(jù)，鄭西城際鐵路用LMA型、哈大高速鐵路用S1002CN型車輪，在1個鏇修周期內(nèi)的凹磨基本在0.5～0.6 mm范圍內(nèi)，鄭西城際鐵路用XP55型車輪的凹磨最大深度在0.8～1.0 mm范圍內(nèi)。鋼軌踏面磨耗、硬度變化、車輪踏面磨耗情況如圖1—圖3所示[7]。

圖1京津城際鐵路鋼軌磨耗和踏面硬度隨通過總重的變化規(guī)律

3　輪軌硬度匹配實驗室試驗

近年來，中國鐵道科學研究院和國內(nèi)其他研究機構(gòu)圍繞輪軌硬度匹配開展了一系列實驗室試驗研究。試驗用鋼軌材料主要選自我國的U71MnK和U75V鋼軌(時速250 km·h-1)，車輪用材料主要選自ER7和CL60車輪。對實驗室試驗研究得出的初步結(jié)論可歸納為如下幾點：①當車輪試樣的硬度低于鋼軌試樣的硬度(輪軌硬度比為0.94∶1～0.87∶1)時，車輪試樣磨耗速率過大，總磨耗速率也較大；②當鋼軌試樣的硬度與車輪試樣的硬度相當時(輪軌硬度比為0.99∶1～1.01∶1)，車輪試樣的磨耗速率稍高于鋼軌試樣，總磨耗速率不大；③當鋼軌試樣的硬度低于車輪試樣的硬度時(輪軌硬度比為1.04∶1～1.11∶1)，鋼軌試樣的磨耗速率稍大于車輪試樣，但總磨耗速率最??；④車輪硬度對車輪和鋼軌試樣的表面損傷形貌具有一定影響，車輪硬度低時，車輪表面損傷主要表現(xiàn)為麻點式剝落，隨車輪硬度的增加，車輪試樣表面損傷剝落顆粒減小，鋼軌試樣表面損傷主要表現(xiàn)為剝離損傷機制[8-11]。

圖2　滬寧城際鐵路鋼軌磨耗隨通過總重的變化規(guī)律

圖3鄭西城際鐵路XP55型車輪磨耗示意圖(2011-04-15， 5040號車6車1位車輪運行20.5萬km時)

在前期研究的基礎上，鐵科院繼續(xù)在實驗室開展不同輪軌硬度比下的輪軌摩擦磨損試驗，研究不同硬度比下輪軌材料的磨損和變形規(guī)律。近期試驗中，鋼軌試樣主要取自目前大量使用的U71MnG和U75VG鋼軌，車輪試樣主要取自ER8，ER8C和SSW-Q3R車輪或者硬度相近的替代車輪試樣(ER8C材料由某輪箍材料替代，簡稱LG，SSW-Q3R材料由U71MnH替代，簡稱HW)，輪軌試樣的實測化學成分、硬度值以及輪軌硬度比分別見表7和表8。試驗所用試樣為內(nèi)徑16 mm、外徑40 mm，厚度為10 mm的環(huán)形試樣。鋼軌和車輪的取樣位置及試樣尺寸如圖4所示。試驗在AMSLER磨耗試驗機上進行，上軸安裝鋼軌試樣，轉(zhuǎn)速為180 r·min-1，下軸安裝車輪試樣，轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，試驗載荷為490 N，試驗每進行1萬轉(zhuǎn)后用無水乙醇清洗并稱量試樣。每組分別制取2個試樣，磨耗量取2個試樣的平均值。試驗過程中同時對輪軌試樣的變形、表面接觸疲勞傷損等進行了測量和觀測，詳細試驗數(shù)據(jù)參見文獻[7]。

表7　輪軌試樣的實測化學成分和硬度值

表8　輪軌試樣的實測輪軌硬度比

對所測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分別得到相同硬度車輪與不同硬度鋼軌、相同硬度鋼軌與不同硬度車輪對磨時輪軌磨損的規(guī)律，分別如圖5和圖6所示。由實驗結(jié)果可知：①輪軌試樣的磨耗量隨試驗循環(huán)次數(shù)的增加呈近似線性增長。②與3種鋼軌試樣對磨時，ER8車輪試樣的磨耗量均較大，而3種鋼軌試樣的磨耗量接近；ER8車輪試樣在磨損試驗后期均發(fā)生了明顯的表面塑性變形，表現(xiàn)為表面類多邊形磨耗；相比較而言，與硬度最低的U74鋼軌試樣對磨時ER8車輪試樣的磨耗量最小，表面接觸疲勞傷損和變形最為輕微。③LG車輪(替代ER8C)試樣與U71MnG和U75VG鋼軌試樣對磨時出現(xiàn)了類多邊形磨耗，而與U74鋼軌試樣對磨時則表現(xiàn)出了低磨耗、少損傷的理想狀態(tài)。④與HW(替代SSW-Q3R)車輪試樣對磨時，3種鋼軌試樣中U74和U71MnG的磨耗量相近，而U75VG的磨耗量相比較低20%～40%，且試樣表面也更為圓順；U71MnG鋼軌試樣分別與ER8和LG車輪試樣對磨時的磨耗量和變形差異不大，而與HW車輪試樣對磨時其磨耗量多出近1倍；U74鋼軌試樣變形較大，表面出現(xiàn)了塑形堆積形成的小臺階，而另2種鋼軌試樣未出現(xiàn)此類特征；U75VG鋼軌試樣與HW車輪試樣對磨時，表現(xiàn)出了輪軌總磨耗量較小和表面接觸疲勞傷損較輕。⑤隨著車輪試樣硬度的增加，其磨耗量逐漸降低，多邊形磨耗減輕，而對磨鋼軌試樣的硬度越高，車輪試樣的磨耗也越嚴重，輪軌硬度比過高會加速鋼軌材料損傷。⑥隨著鋼軌試樣硬度的增加，其磨耗量逐漸降低，而對磨車輪試樣的硬度越高，鋼軌試樣的磨耗也越嚴重。⑦輪軌硬度比在0.95∶1～1.15∶1范圍內(nèi)時，車輪和鋼軌的磨耗量及輪軌總磨耗量均較??；輪軌硬度比大于1∶1時，試樣的變形和表面接觸疲勞傷損較輕；輪軌硬度比在1.15∶1時的 LG車輪(替代ER8C)與U74鋼軌、HW車輪(替代SSW-Q3R)與U75VG鋼軌表現(xiàn)出了低磨耗、少傷損的理想狀態(tài)。

圖4　鋼軌和車輪試樣取樣位置與試樣尺寸示意圖(單位：mm)

圖6　9組對磨試樣的輪軌總磨耗量對比圖

由實驗室試驗結(jié)論并結(jié)合目前高速輪軌運營中存在的問題，提出如下解決目前車輪磨耗等問題的分階段實施方案：①提高目前國內(nèi)大量使用的ER8車輪的硬度均值，使其實際硬度指標控制在270～280 HB及以上，與U71MnG鋼軌的硬度比盡量控制在1∶1附近；②增加 ER8C或SSW-Q3R高硬度車輪的使用數(shù)量；③開展自主化車輪材料性能的精細控制研究，在保證韌性指標的前提下，適當提高車輪的硬度均值，其硬度指標控制在290 HB及以上，與U71MnG鋼軌的硬度比要大于1∶1。

4　結(jié)論及建議

(1)世界各國鐵路的輪軌材料硬度匹配技術路線各不相同。日本車輪硬度高于鋼軌硬度，輪軌硬度比超過1.2∶1；歐洲高速鐵路輪軌硬度相當，輪軌硬度比接近1∶1，但從目前情況來看，歐洲國家在致力于提高車輪硬度解決車輪磨耗等問題。

(2)我國高速鐵路廣泛鋪設U71MnG熱軋鋼軌，車輪大量使用進口ER8車輪，直線線路上鋼軌磨耗很少，每15 Mt通過總重的鋼軌自然磨耗小于0.1 mm； CRH2和CRH3與CRH5型動車組車輪在1個鏇修周期內(nèi)(約運行20～28萬km)，其凹磨分別在0.5～0.6和0.8～1.0 mm范圍內(nèi)；存在的主要問題有車輪凹磨和多邊型等，與歐洲國家相比鏇修周期短，運營維護成本高。

(3)輪軌試樣的磨耗量隨試驗循環(huán)次數(shù)的增加呈近似線性增長。ER8車輪試樣與3種鋼軌試樣對磨時的磨耗量均較大，在磨損試驗后期均發(fā)生了明顯的表面塑性變形；HW車輪試樣(替代SSW-Q3R)的磨耗量僅為ER8車輪試樣磨耗量的一半左右，車輪試樣均保持了圓順的表面狀態(tài)；LG車輪試樣(替代ER8C)與U74鋼軌對磨、HW車輪試樣與U75VG鋼軌對磨時，車輪表現(xiàn)出了低磨耗、少損傷的理想狀態(tài)；隨著車輪試樣硬度值增加，車輪試樣多邊形磨耗明顯減輕；鋼軌硬度較低時，車輪試樣的多邊形磨耗亦較輕。

(4)9組輪軌磨損試驗中，輪軌硬度比在0.95∶1～1.15∶1范圍時，輪軌總磨耗量較?。惠嗆売捕缺却笥?∶1時，試樣變形和表面接觸疲勞傷損較輕；輪軌硬度比在1.15∶1時，輪軌總磨耗量最小，且輪軌的接觸疲勞傷損也最輕。

(5)根據(jù)試驗研究，建議適當提高車輪的硬度，即通過提高輪軌硬度比解決車輪磨耗較大的問題，車輪與U71MnG鋼軌的硬度比控制在1∶1以上。

[1]STEELE R K, REIFF R P. Rail:Its Behaviour and Relationship to Total System Wear[C]//Proceedings of FAST (Facility for Accelerated Service Testing) Engineering Conference. Colorado Springs，1982:115-164.

[2]ПАШОЛОКИЛ. 車輪硬度的提高[J]. 國外鐵道車輛， 2001,38(3)：41-44.

(ПАШОЛОКИЛ. Improvement of Wheel Hardness[J]. Foreign Rolling Stock, 2001, 38(3): 41-44. in Chinese)

[3]HANDA Kazuyuki, KIMURA Yoshisato, MISHIMA Yoshinao. Surface Cracks Initiation on Carbon Steel Railway Wheels under Concurrent Load of Continuous Rolling Contact and Cyclic Frictional Heat[J]. Wear, 2010, 268:50-58.

[4]OKAGATA Y, KIRIYAMA K, KATO T. Fatigue Strength Evaluation of the Japanese Railway Wheel[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2007, 30(4):356-371.

[5]European Committee for Standardization. EN 13262—2004 Railway Applications-Wheelsets and Bogies-Wheels-Product Requirements [S].Brussel:CEN,2004.

[6]STOCKA R, PIPPAN R. Rail Grade Dependent Damage Behaviour-Characteristic and Damage Formation Hypothesis[C]// 9th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems： Session 15.1.Chengdu:Southwest Jiaotong University,2012:284-292.

[7]張銀花,周韶博,李闖，等.高速輪軌硬度匹配優(yōu)化研究報告[R].北京：中國鐵道科學研究院，2016.

[8]劉豐收，周清躍. 進口及國產(chǎn)客運專線鋼軌性能試驗研究[R].北京：中國鐵道科學研究院，2008.

[9]周清躍,李蘭. 高速鐵路輪軌廓面及硬度匹配技術研究[R].北京：中國鐵道科學研究院，2011.

[10]王文健,汪洪，劉啟躍.車輪材料對輪軌滾動摩擦磨損行為的影響[J].西南交通大學學報，2013，48(5)：909-914.

(WANG Wenjian，WANG Hong，LIU Qiyue. Effect of Wheel Material on Rolling Friction and Wear Behaviors of Wheel/Rail Rollers[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2013, 48(5): 909-914. in Chinese)

[11]王文健,張向龍，張繼旺，等.碳含量對車輪鋼滾動摩擦磨損性能影響[J].鐵道學報，2012，34(2)：32-35.

(WANG Wenjian，ZHANG Xianglong，ZHANG Jiwang，et al. Effect of Carbon Content on Rolling Friction and Wear Behavior of Wheel Steel[J]. Journal of the China Railway Society, 2012, 34(2): 32-35. in Chinese)