我國高速鐵路鋼軌早期傷損研究

劉豐收，李 闖，田常海

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

高速鐵路速度快，軸重輕，輪軌受力狀態(tài)和普速鐵路不同，鋼軌的傷損有其自身特點(diǎn)。日本新干線出現(xiàn)的主要鋼軌傷損為軌頭踏面的黑斑以及鋼軌焊接接頭部位低塌所引起的波浪形磨耗。法國高速鐵路鋼軌垂磨小，主要傷損為表面魚鱗裂紋，內(nèi)部傷損發(fā)生少，鋼軌使用壽命可達(dá)5億～6億t或25年以上。德國高速鐵路鋼軌使用中主要出現(xiàn)表面魚鱗裂紋，內(nèi)部損傷很少發(fā)生[1]。我國高速鐵路目前處于運(yùn)營初期，鋼軌服役時(shí)間較短，但已出現(xiàn)了多種形式的鋼軌傷損。本文介紹了我國高速鐵路鋼軌出現(xiàn)的幾種早期傷損，并對(duì)其原因進(jìn)行了分析。

1 鋼軌傷損及原因

1.1 鋼軌擦傷

鋼軌擦傷是因?yàn)檐囕喓弯撥壧っ婢植磕Σ廉a(chǎn)生高溫，組織發(fā)生馬氏體相變，造成鋼軌局部出現(xiàn)裂紋或者剝離掉塊[2-4]。普速鐵路鋼軌擦傷的原因一般包括機(jī)車啟動(dòng)時(shí)車輪空轉(zhuǎn)、下坡制動(dòng)、個(gè)別輪對(duì)抱閘行駛、輪軌接觸面相對(duì)滑動(dòng)。我國高速鐵路鋼軌早期也出現(xiàn)了鋼軌擦傷的情況，如圖1所示。

圖1 高鐵鋼軌擦傷

高速鐵路鋼軌擦傷一般具有如下特點(diǎn)：①擦傷既有成對(duì)出現(xiàn)，也有單股出現(xiàn)，成對(duì)出現(xiàn)時(shí)的間距一般為普通機(jī)車軸距，而非動(dòng)車組軸距；②擦傷一般都出現(xiàn)在坡道區(qū)段，上下坡區(qū)段都有；③擦傷一般都在新線開通1～2年后集中發(fā)現(xiàn)，之后數(shù)量逐漸減少。

通過對(duì)擦傷鋼軌的現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高鐵鋼軌擦傷是由開通前的工程車機(jī)車空轉(zhuǎn)引起的，和普速線路鋼軌擦傷原因相同。大多數(shù)鋼軌擦傷都是開通前已經(jīng)存在了，但由于鋼軌表面生銹等原因?qū)е麻_通時(shí)沒有被發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)營時(shí)間增加，原有的鋼軌擦傷就暴露出來。所以一般這種擦傷都是集中發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)營時(shí)間的增加，新發(fā)現(xiàn)擦傷鋼軌的數(shù)量也在逐漸減少。

1.2 鋼軌波磨

鋼軌波磨一般出現(xiàn)在普速線路的的小半徑曲線下股，其形成原因大多數(shù)是綜合性的，與鋼軌的強(qiáng)度、表面質(zhì)量、輪軌作用力、軌道彈性等因素都相關(guān)[5-6]。我國高鐵開通后，相繼在多條線路上出現(xiàn)了鋼軌波磨現(xiàn)象或打磨引起的周期性不平順，或稱為波磨(圖2)。個(gè)別波磨的波長和波深與動(dòng)車組行駛速度耦合導(dǎo)致扣件斷裂。

圖2 下行K677下股波磨宏觀形貌

1.3 鋼軌硌傷

近年來，我國高速鐵路發(fā)生了多起鋼軌硌傷[7]。鋼軌表面硌傷是由于輪軌間碾入金屬異物造成的一種鋼軌傷損。異物碾入分為2種，一種為異物碾壓進(jìn)鋼軌踏面，造成單處傷損；一種為異物碾壓至車輪踏面，隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)鋼軌造成連續(xù)碾壓，形成鋼軌踏面一系列凹坑(圖3)。2種硌傷的本質(zhì)都是由于較硬的金屬異物經(jīng)車輪碾壓造成鋼軌基體塑性變形形成凹坑，造成鋼軌踏面單處或多處傷損。

圖3 鋼軌硌傷

1.4 鋼軌銹蝕

目前在一些特殊環(huán)境或者線路上，高速鋼軌已經(jīng)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的銹蝕情況，已經(jīng)影響到了鋼軌的使用壽命，有的高速線路鋼軌因?yàn)殇P蝕，鋪設(shè)僅7年時(shí)間就開始集中下道更換了。

高速鋼軌的銹蝕原因主要分為2種，一種為大氣環(huán)境導(dǎo)致的銹蝕，例如潮濕環(huán)境、海洋性氣候等,如圖4所示；另一種則因?yàn)樘厥庠驅(qū)е碌?，部分客車為直排式，排泄物容易在扣件處聚集，引起銹蝕，一般迎車方向較為嚴(yán)重，如圖5所示。

圖4 潮濕隧道內(nèi)鋼軌嚴(yán)重銹蝕圖5 鋼軌扣件處的銹蝕

1.5 母材缺陷引起的鋼軌傷損

鋼軌在制造過程中會(huì)出現(xiàn)一些內(nèi)部或者外部缺陷，例如軋痕、氧化皮壓入、結(jié)疤等。一旦這些缺陷鋼軌漏檢而鋪設(shè)上道，將給高鐵運(yùn)行帶來安全隱患。圖6、圖7為2起現(xiàn)場探傷判定為重傷的鋼軌，經(jīng)過解剖后發(fā)現(xiàn)，圖6的重傷原因?yàn)橐睙捄蛙堉七^程的缺陷，而圖7則是因?yàn)檠趸喝雽?dǎo)致的重傷。

1.6 小半徑曲線鋼軌側(cè)磨

高速鐵路正線曲線均為大半徑曲線，但在一些進(jìn)出站位置還有一些小半徑曲線。高速鐵路小半徑曲線一般鋪設(shè)的都是和正線相同材質(zhì)的U71MnG鋼軌，所以強(qiáng)度和硬度較低。圖8為高速鐵路進(jìn)站位置半徑為600 m的曲線上股側(cè)磨情況，可以看出該處側(cè)磨已達(dá)6.56 mm。該曲線已經(jīng)因?yàn)閭?cè)磨超限更換過鋼軌。

圖6 冶煉和軋制缺陷引起的鋼軌母材重傷圖7 氧化皮壓入引起的鋼軌母材軌腰重傷

圖8 高速鐵路小半徑曲線上股側(cè)磨

2 傷損維修措施及建議

2.1 傷損程度分類及修理限值

針對(duì)以上幾種形式的鋼軌傷損，表1、表2根據(jù)相關(guān)維修養(yǎng)護(hù)規(guī)范，列出了傷損程度分類和相關(guān)的修理限值。對(duì)于上述傷損，達(dá)到修理限值后就應(yīng)該進(jìn)行修理，達(dá)到重傷標(biāo)準(zhǔn)的傷損應(yīng)立即進(jìn)行處理[8-9]。

表1 高速鋼軌傷損程度分類

表2 高速鋼軌傷損修理限值

2.2 修理措施及建議

通過以上對(duì)幾種傷損原因的分析可以看出，這些傷損的產(chǎn)生，有的和工程作業(yè)有關(guān)(擦傷、波磨)，有的和高鐵運(yùn)營相關(guān)(異物壓入、銹蝕、小半徑側(cè)磨)，也有的和母材性能相關(guān)(母材缺陷導(dǎo)致的重傷)。針對(duì)這些典型傷損及其原因，分別對(duì)現(xiàn)場工務(wù)部門和鋼軌生產(chǎn)廠家提出相關(guān)的維修措施和建議如下：

1)現(xiàn)場工務(wù)部門：對(duì)于達(dá)到了修理限值，深度<0.5 mm的擦傷或者硌傷鋼軌，可以通過大機(jī)打磨或者小型平磨機(jī)進(jìn)行人工修復(fù)；對(duì)于深度>0.5 mm的擦傷或者硌傷鋼軌，可以通過銑磨車進(jìn)行修理，或者進(jìn)行及時(shí)更換。目前對(duì)于高速鐵路鋼軌波磨，一般都是通過大機(jī)打磨來進(jìn)行修理。高速鐵路小半徑曲線一般鋪設(shè)的都是和正線相同材質(zhì)的U71MnG鋼軌，強(qiáng)度和硬度較低，建議更換為強(qiáng)度等級(jí)更高的熱處理鋼軌。新線建設(shè)時(shí)，小半徑曲線(<2 800 m)地段鋼軌使用與直線地段相同材質(zhì)的熱處理鋼軌；維修換軌建議采用U75V在線熱處理鋼軌，不建議采用U71Mn在線熱處理鋼軌，兩頭可以采用鋁熱焊與U71Mn直線鋼軌焊連，這樣可以進(jìn)一步延長鋼軌的使用壽命。

2)鋼軌生產(chǎn)廠家：針對(duì)鋼軌銹蝕，鋼軌生產(chǎn)廠家應(yīng)開發(fā)耐銹蝕鋼軌，同時(shí)鋼廠應(yīng)提高制造水平，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，進(jìn)一步提高和穩(wěn)定高速鋼軌的質(zhì)量，避免缺陷鋼軌上道,造成安全隱患。

3 結(jié)論

1)鋼軌擦傷、波磨、異物壓入軌面、銹蝕、母材缺陷產(chǎn)生的重傷以及小半徑曲線側(cè)磨是我國高速鐵路鋼軌早期傷損的主要形式。

2)傷損原因包括開通運(yùn)營前的工程作業(yè)(擦傷與工程車作業(yè)相關(guān)，波磨與打磨作業(yè)相關(guān))、高速運(yùn)營中的問題(異物壓入傷損與高速運(yùn)營后的車輪相關(guān)，銹蝕缺陷與運(yùn)營環(huán)境相關(guān)，小半徑曲線側(cè)磨與鋼軌使用不當(dāng)有關(guān))，而母材缺陷導(dǎo)致的重傷與母材性能相關(guān)。

3)可通過大機(jī)打磨手段進(jìn)行擦傷、波磨、異物壓入等傷損的修理，可以通過在小半徑曲線使用高強(qiáng)度的熱處理鋼軌來減少上股鋼軌的側(cè)磨。同時(shí)要求鋼廠開發(fā)耐銹蝕鋼軌以及提高鋼軌質(zhì)量的穩(wěn)定性,進(jìn)一步減少鋼軌傷損的發(fā)生。

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