30 t軸重重載鐵路鋼軌軌型和材質(zhì)對比試驗

張銀花，李　闖，俞　喆，李　偉，張生玉，干　鋒

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京　100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京　100081；4.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都　610031)

鋼軌是軌道交通運輸?shù)闹匾考?，在軌道交通運輸中起著至關(guān)重要的作用。隨著貨車軸重的不斷增加、車速的不斷提高，鋼軌斷面尺寸不斷增大、形狀不斷改進。我國以運輸煤炭為主的大秦等重載鐵路，貨車軸重主要為25 t。為了緩解我國煤炭資源運輸?shù)木o張局面，貨車軸重將進一步增大。近些年來，為了滿足我國重載鐵路發(fā)展需要，在借鑒重載鐵路發(fā)達國家鋼軌技術(shù)研究成果和成熟應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開展了適應(yīng)我國30 t軸重條件下鋼軌的軌型、廓形、材質(zhì)及維修養(yǎng)護策略、標(biāo)準(zhǔn)等研究，初步提出我國30 t軸重鐵路鋼軌技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)[1]。在國內(nèi)某重載鐵路上，通過鋪設(shè)不同軌型、不同廓形、不同強度等級的鋼軌，開展對比試驗，對提出的技術(shù)體系進行了現(xiàn)場驗證。

本文重點分析不同軌型、不同材質(zhì)鋼軌的輪軌接觸幾何關(guān)系、軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)、貨車動力學(xué)等的對比試驗結(jié)果，并結(jié)合前期研究成果，對鋼軌的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進行研究比選，提出30 t軸重重載鐵路的用軌策略。

1　鋼軌軌型和材質(zhì)對比試驗

在某重載鐵路通道上，選取91.8 km的線路進行軌道和車輛等的綜合試驗。在該段線路上，鋪設(shè)不同軌型(60和75 kg·m-1)、不同廓形(60，60N，75N)、不同材質(zhì)(U75V，U78CrV，U77MnCr，U76CrRE和貝氏體)共計8種組合的鋼軌，且直線線路鋪設(shè)熱軋鋼軌，半徑≤1 200 m曲線線路鋪設(shè)在線熱處理鋼軌。綜合試驗期間，主要開展輪軌接觸幾何關(guān)系、軌道動力學(xué)指標(biāo)、貨車動力學(xué)指標(biāo)等的測試試驗和仿真計算，貨車軸重為30 t，最大載重為12 000 t，最高試驗速度為110 km·h-1。

輪軌接觸幾何關(guān)系測試主要采用涂刷油漆的方式，測試貨車的速度為90和100 km·h-1、載重為8 000和12 000 t條件下的輪軌接觸幾何，測點位置見表1中的測點1-1—測點1-3。每個測點測試3次往返數(shù)據(jù)，取平均值。除此之外，在這3個測點處，采用Miniprof等設(shè)備，分別測試鋼軌的廓形、軌底坡、軌距，每個測點測試5組鋼軌數(shù)據(jù)，同時測試560個貨車車輪踏面數(shù)據(jù)。采用輪軌接觸幾何關(guān)系計算軟件計算車輪等效錐度。

采用在軌腰粘貼應(yīng)變片的方式，測試載重為8 000和12 000 t條件下，貨車以不同速度通過3種廓形鋼軌時的軌道動力學(xué)指標(biāo)(輪軌垂直力、輪軌橫向力、輪軸橫向力、振動加速度等)，測點位置見表1中的測點1-1—測點1-3。在試驗貨車上安裝測力輪對和加速度傳感器，測量輪軌垂向力和橫向力、車體橫向和垂向振動加速度等，測點位置見表1中的測點1-4—測點1-6。

采用Miniprof、便攜式里氏硬度計等設(shè)備，定期對試驗段上8種組合鋼軌服役性能進行測試，測試內(nèi)容主要包括鋼軌的軌面硬度、廓形、接觸光帶、焊接接頭平直度、傷損等數(shù)據(jù)，綜合試驗期間共測試4次，試驗結(jié)束后每年測試2次，測點位置見表2。

表1　輪軌接觸幾何、軌道動力學(xué)和貨車動力學(xué)的測點布置及測試內(nèi)容

表2　不同種類鋼軌使用性能測點布置及測試內(nèi)容

1.1　輪軌接觸幾何關(guān)系

對輪軌接觸幾何關(guān)系測試結(jié)果進行分析，得出如下初步結(jié)論：①60鋼軌的輪軌接觸光帶偏向軌距角一側(cè)，光帶寬度為46～52 mm，光帶距離工作邊一側(cè)最小距離為3 mm；②60N鋼軌的輪軌接觸光帶基本居中，光帶寬度為30～35 mm，光帶距工作邊一側(cè)最小距離為12 mm；③75N鋼軌的輪軌接觸光帶也基本居中，光帶寬度為36～43 mm，光帶距工作邊一側(cè)最小距離為11 mm；④鋼軌的光帶寬度與貨車的載重、速度和運行方向均無關(guān)。

根據(jù)實測得到的鋼軌和車輪外形數(shù)據(jù)，利用仿真手段分別計算60，60N，75N這3種鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)廓形、實測廓形與貨車LM型車輪標(biāo)準(zhǔn)型面的輪軌接觸關(guān)系和車輪等效錐度，結(jié)果如圖1—圖4所示。對計算結(jié)果進行對比分析，得出如下結(jié)論：①輪對橫移量在-9～9 mm范圍內(nèi)，60N和75N鋼軌的輪軌接觸點集中于踏面中心處，而60鋼軌則在軌距角處；②標(biāo)準(zhǔn)型面LM車輪與60N鋼軌接觸時，輪對橫移量在-9～9 mm范圍內(nèi)，車輪等效錐度均為0.1左右；與75N鋼軌接觸時，在輪對橫移量為±3 mm范圍內(nèi)，車輪等效錐度均為0.1左右，在輪對橫移量大于3 mm后，車輪等效錐度達到0.1～0.3；與60鋼軌接觸時，輪對橫移量在±3 mm范圍內(nèi)，車輪等效錐度為0.1左右，輪對橫移量大于3 mm后，車輪等效錐度達到0.2～0.3；③與實測60鋼軌接觸時，車輪等效錐度為與標(biāo)準(zhǔn)廓形75N鋼軌接觸時的1.35～1.50倍；與實測60N鋼軌接觸時，車輪等效錐度為與標(biāo)準(zhǔn)廓形75N鋼軌接觸時的0.77～0.86倍，而與實測75N鋼軌接觸時，車輪等效錐度為與標(biāo)準(zhǔn)廓形75N鋼軌接觸時的0.94～1.00倍。

圖4(a)中，由于編號為C96_134_2的車輪相比其他車輪而言踏面磨耗量大，導(dǎo)致計算得到的等效錐度有突變。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)廓形和實測廓形60鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)型面LM車輪的輪軌接觸關(guān)系

圖2　標(biāo)準(zhǔn)廓形和實測廓形60N鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)型面LM車輪的輪軌接觸關(guān)系

圖3　標(biāo)準(zhǔn)廓形和實測廓形75N鋼軌與標(biāo)準(zhǔn)型面LM車輪的輪軌接觸關(guān)系

圖4　不同廓形鋼軌與LM型面車輪匹配時的等效錐度對比

1.2　軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)

根據(jù)貨車以不同速度通過3種廓形鋼軌時的軌道動力學(xué)指標(biāo)等測試數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)，得到8 000 t載重條件下軌道動力學(xué)指標(biāo)的散點圖，如圖5所示。圖中：因左右軌數(shù)據(jù)相當(dāng)，只列出右軌的輪軌垂直力和橫向力平均值。

圖5　8 000 t載重條件下3種廓形鋼軌的軌道動力學(xué)指標(biāo)散點

對測試數(shù)據(jù)進行對比分析可知：①3種廓形鋼軌的脫軌系數(shù)平均值、輪重減載率平均值均較??；②60N和75N鋼軌的輪軸橫向力平均值接近，60鋼軌的最大， 60N鋼軌的輪軸橫向力較60鋼軌降低約50%；③輪軌垂直力平均值存在差異，60N和75N鋼軌的接近，而60N的略小， 較60鋼軌降低約8～15%；④3種廓形鋼軌的輪軌橫向力平均值均較小，其中60N和75N鋼軌的大致相同，60N鋼軌的略小，較60鋼軌降低約50%；⑤鋼軌振動加速度平均值分布分散；⑥輪軌垂直力和橫向力的分布規(guī)律類似，分布比例相同時，60鋼軌對應(yīng)的荷載最大，75N鋼軌次之，60N鋼軌最??；荷載相同時，小于此荷載的比例60N鋼軌最大，75N鋼軌次之，60鋼軌最??；綜上所述，3種廓形鋼軌的軌道動力學(xué)指標(biāo)存在差異，60N鋼軌的最小，75N鋼軌的與60N鋼軌的基本相當(dāng)，60鋼軌的最大。

12 000 t載重條件下軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)指標(biāo)與8 000 t載重條件下的有類似的結(jié)果。

1.3　貨車動力學(xué)性能

根據(jù)貨車通過3種廓形鋼軌時的動力學(xué)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)得到8 000 t載重條件下60，60N和75N這3種廓形鋼軌的貨車動力學(xué)指標(biāo)與里程的散點圖，如圖6所示。由圖6可知：由于實際測試的試驗速度為80～90 km·h-1，速度較低，貨車動力學(xué)指標(biāo)受60，60N和75N這 3種廓形鋼軌的影響不顯著，測試數(shù)據(jù)基本分布在同一范圍內(nèi)。

12 000 t載重條件下貨車動力學(xué)指標(biāo)與8 000 t載重條件下的有類似的結(jié)果。

圖68 000 t載重條件下3種廓形鋼軌對貨車動力學(xué)響應(yīng)的散點圖

1.4　鋼軌使用性能

綜合試驗期間，對鋼軌使用性能進行了4次測試，對測試數(shù)據(jù)進行對比分析，得出結(jié)論：①鋼軌踏面硬度存在輕微加工硬化現(xiàn)象；②直線線路和曲線線路下股鋼軌的光帶變化不明顯，曲線線路上股鋼軌的光帶明顯變寬；③由于通過總重較低，鋼軌廓形變化很小，鋼軌磨耗很少。

綜合試驗后，繼續(xù)跟蹤鋼軌使用性能，每年跟蹤觀測2次。由于該條線路的貨車數(shù)量少，鋼軌廓形、光帶等變化很小，未出現(xiàn)滾動接觸疲勞和其他傷損情況。

以75N(U78CrV)鋼軌為例，2次測量的宏觀形貌和磨耗對比情況如圖7所示。由圖7可見：直線線路鋼軌的磨耗很小，曲線線路鋼軌有磨耗，但磨耗量很小。

不同軌型、不同廓形、不同強度等級的鋼軌使用效果還需經(jīng)過長期的跟蹤試驗。

圖7攀鋼75N(U78CrV)鋼軌的2次跟蹤測試宏觀形貌和磨耗情況(K565+970處，左股)

2　鋼軌關(guān)鍵參數(shù)的選用

2.1　鋼軌廓形

目前，我國既有的普速鐵路干線主要采用60鋼軌，大秦等重載鐵路采用75鋼軌，線路上運行多種型面的車輪。運行結(jié)果表明，輪軌多在軌距角位置接觸，因輪軌長期在軌距角接觸，引起軌距角處滾動接觸疲勞傷損、曲線鋼軌剝離掉塊、核傷等。因此，有必要對60和75鋼軌的廓形進行優(yōu)化。為了實現(xiàn)直線上輪軌在踏面中心區(qū)域接觸，曲線上輪軌形成共形接觸的目標(biāo)，在借鑒國外重載先進技術(shù)和成熟經(jīng)驗及我國重載鋼軌應(yīng)用實踐的基礎(chǔ)上，僅改變軌頭的型式尺寸，設(shè)計了新軌頭廓形鋼軌，分別定義為60N鋼軌[2]和75N鋼軌，其中，75N鋼軌的型式尺寸如圖8所示[1-4]。

圖8　新軌頭廓形75N鋼軌的軌頭型式尺寸(單位：mm)

應(yīng)用有限元軟件分別對優(yōu)化前后的60與60N和75與75N鋼軌的輪軌接觸幾何和接觸應(yīng)力進行計算。結(jié)果表明：在與LM車輪匹配時，無論60N鋼軌還是75N鋼軌，優(yōu)化后的輪軌接觸區(qū)域均移向踏面中心部位；與60鋼軌比較，在曲線半徑R為300～600 m的曲線工況下，60N上股鋼軌的最大接觸應(yīng)力和Mises應(yīng)力降低最多，約19%，在直線工況下，在輪對橫移量為-4～2 mm范圍內(nèi)，60N鋼軌的最大接觸應(yīng)力和Mises應(yīng)力降低最多，約17%；與75鋼軌相比，在直線工況下，75N鋼軌的Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力降低最多，約20%，在R為300～800 m的曲線工況下，75N上股鋼軌的Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力降低最多，約29%。可見優(yōu)化后的應(yīng)力下降幅度均較大。輪軌接觸幾何和接觸應(yīng)力的仿真計算結(jié)果表用，新設(shè)計的60N和75N鋼軌顯著改善了輪軌接觸關(guān)系，降低了輪軌接觸應(yīng)力[1-2]。

本次綜合試驗，測試了60，60N和75N這3種廓形鋼軌與貨車車輪的輪軌接觸幾何關(guān)系，測試了3種廓形鋼軌對軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)和貨車動力學(xué)性能指標(biāo)的影響和相應(yīng)，并根據(jù)測試的鋼軌廓形、車輪型面等計算了輪軌接觸幾何和等效錐度。測試和計算結(jié)果表明：60N鋼軌無論是接觸幾何關(guān)系、等效錐度、動力學(xué)指標(biāo)，還是輪軌匹配關(guān)系均明顯優(yōu)于60鋼軌；60和60N鋼軌與LM車輪接觸時，應(yīng)優(yōu)先選用60N鋼軌；60N和75N鋼軌與LM車輪接觸時，它們的輪軌接觸幾何關(guān)系、等效錐度、動力學(xué)指標(biāo)均大致相同，輪軌匹配關(guān)系基本相當(dāng)，還需要結(jié)合鋼軌軌型的研究進行選擇。

2.2　鋼軌軌型

鋼軌是軌道運輸重要部件之一，強度、軌型、廓形等影響著鋼軌的使用壽命。鋼軌的整體強度受動彎應(yīng)力、溫度應(yīng)力和殘余應(yīng)力的影響，它們的綜合作用將導(dǎo)致鋼軌在使用過程中發(fā)生疲勞斷裂。不同軌型鋼軌的彎曲應(yīng)力(靜強度)和疲勞強度的仿真計算結(jié)果表明，鋼軌的彎曲應(yīng)力隨著單重的增加而降低，提高鋼軌的單重可提高其靜強度；提高單重有利于提高鋼軌的抗彎曲疲勞性能， 75 kg·m-1鋼軌的疲勞壽命估算值約為60 kg·m-1鋼軌的2倍[1]。從前期大秦和朔黃重載鐵路鋼軌的使用性能測試結(jié)果來看，75 kg·m-1鋼軌的使用壽命明顯高于60 kg·m-1鋼軌，60 kg·m-1鋼軌的傷損率約為75 kg·m-1鋼軌的4倍[1]。

本次綜合試驗，測試了2種軌型(60和75 kg·m-1)鋼軌的使用性能，因綜合試驗期間和綜合試驗后通過總重均較小，目前的測試結(jié)果沒有大的差別。根據(jù)前期不同軌型鋼軌疲勞強度的仿真計算結(jié)果和大秦等重載鐵路不同軌型鋼軌傷損的實測結(jié)果，建議30 t軸重條件下選用75 kg·m-1的鋼軌。

2.3　鋼軌材質(zhì)

大秦鐵路是我國重載鐵路線路，軸重為25 t及以上，目前開行2萬t貨車，年通過總重超過4億t。1988年開通運營時，全線鋪設(shè)使用U71Mn熱軋鋼軌，強度較低，耐磨性能較差。因此，20世紀(jì)90年代中后期，逐漸在直線線路上鋪設(shè)使用U75V熱軋鋼軌，在曲線線路上鋪設(shè)1 180 MPa級及以上熱處理鋼軌。近年來，隨著萬噸列車的開行及年運量的大幅增加，鋼軌傷損增加。根據(jù)對鋼軌的傷損統(tǒng)計情況看，2005年鋪設(shè)使用的攀鋼U75V鋼軌，累計通過總重達到9億t時，直線線路鋼軌的累計重傷率約為5.0處·km-1。為了延長重載鐵路鋼軌的使用壽命，2006年成功研發(fā)了U77MnCr和U78CrV高強新鋼種鋼軌，2007年開始在大秦重載鐵路線使用，在直線線路上鋪設(shè)熱軋鋼軌，在半徑小于1 200 m的曲線線路上鋪設(shè)1 300 MPa級及以上的熱處理鋼軌，同時考慮了提高鋼質(zhì)純凈度，采用科學(xué)的潤滑和合理的養(yǎng)護維修。2007年鋪設(shè)的鞍鋼U77MnCr鋼軌和攀鋼U78CrV鋼軌，直線線路鋼軌的(母材+廠焊)累計重傷率在通過總重9億t時約為2處·km-1，在通過總重17億t時約為5處·km-1，與2006年前鋪設(shè)的鋼軌相比，鋼軌的累計重傷率降至原來的一半。直線線路鋼軌的使用壽命由7～9億t提高至超過15億t通過總重，曲線線路鋼軌的使用壽命超過10億t通過總重[5-8]。2000年后，相繼開發(fā)了貝氏體和過共析鋼軌，目前分別在大秦和朔黃鐵路試用[9-10]。

綜合試驗期間和綜合試驗之后，因通過總重較小，幾種不同強度等級鋼軌的使用性能沒有發(fā)現(xiàn)大的差異。根據(jù)前期研究和試驗結(jié)果，在30 t軸重條件下，建議直線線路上鋪設(shè)強度等級為980 MPa級及以上的熱軋鋼軌，曲線線路上鋪設(shè)強度等級為1 300 MPa及以上的在線熱處理鋼軌，在小半徑曲線且傷損形式以滾動接觸疲勞為主的線路上可推廣使用貝氏體鋼軌。

國內(nèi)重載鐵路常用鋼軌性能指標(biāo)見表3。

表3　鋼軌抗拉強度、斷后伸長率和軌頭頂面硬度

3　結(jié)論及建議

(1)60，60N，75N這 3種廓形的鋼軌與貨車車輪接觸時，60鋼軌的輪軌接觸光帶偏向于軌距角一側(cè)，60N和75N鋼軌的則在踏面中心處；標(biāo)準(zhǔn)型面LM車輪與實測廓形60鋼軌接觸時的車輪等效錐度為與標(biāo)準(zhǔn)75N鋼軌接觸時的1.35～1.50倍；與實測廓形60N鋼軌接觸時的車輪等效錐度為與標(biāo)準(zhǔn)廓形75N鋼軌接觸時的0.77～0.86倍；與實測廓形75N鋼軌接觸時的車輪等效錐度為與標(biāo)準(zhǔn)廓形75N鋼軌接觸時的0.94～1.00倍。

(2)在8 000和12 000 t載重條件下，75N鋼軌對脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、輪軌垂直力、輪軌橫向力、鋼軌振動加速度等軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)指標(biāo)的影響與60N鋼軌的基本相當(dāng)，60N鋼軌的略小，60鋼軌的最大。

(3)在載重為8 000和12 000 t、速度為80和90 km·h-1條件下，60，60N和75N 3種廓形鋼軌對脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、橫向和垂向振動加速度等貨車動力學(xué)指標(biāo)的影響不顯著，測試數(shù)據(jù)基本分布在同一范圍內(nèi)。

(4)建議在30 t軸重重載鐵路上，選用軌型為75 kg·m-1、廓形為75N的鋼軌，在直線線路上鋪設(shè)980 MPa級及以上、曲線線路上鋪設(shè)1 300 MPa級及以上強度等級的鋼軌，在小半徑曲線且傷損形式以滾動接觸疲勞為主的線路上可推廣使用貝氏體鋼軌。

(5)建議繼續(xù)對綜合試驗段上8種組合的鋼軌磨耗、踏面硬度、廓形、接觸光帶、累計傷損率等隨著通過總重的變化規(guī)律進行跟蹤觀測，積累驗證數(shù)據(jù)，完善30 t軸重重載鐵路鋼軌技術(shù)體系。

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