27 t軸重條件下重載鐵路鋼軌適應(yīng)性研究

李 闖，張銀花，田常海，王宗新，王 猛，楊 光

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

重載運(yùn)輸是世界鐵路貨運(yùn)的重要發(fā)展方向，增加軸重是實(shí)現(xiàn)重載運(yùn)輸?shù)闹饕绞街?，是提高運(yùn)能和效益的有效途徑[1]。鋼軌是重載鐵路的重要組成部件，起著承載并導(dǎo)向列車的雙重作用，其性能直接影響著鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩玔2-4]。大秦重載鐵路是世界上年運(yùn)量最大的鐵路線，隨著大秦線運(yùn)量、軸重和單列最大載重的不斷增加，為滿足其運(yùn)營(yíng)要求，鋼軌斷面尺寸及強(qiáng)度等級(jí)不斷增加，目前重車線主要鋪設(shè)75 kg·m-1重型鋼軌[5-8]。2013年，中國(guó)鐵路總公司對(duì)既有線運(yùn)用27 t軸重貨車研究工作進(jìn)行了階段總結(jié)和部署，針對(duì)我國(guó)既有線條件，開展增加鐵路貨車軸重研究；2014年，太原鐵路局開始在大秦線運(yùn)行27 t軸重的C80E型貨車[9]。在軸重提高至27 t條件下，鋼軌的使用性能、傷損規(guī)律、使用壽命、維修養(yǎng)護(hù)技術(shù)等無成熟的經(jīng)驗(yàn)可循，針對(duì)鋼軌的適應(yīng)性等問題，尚未開展系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究工作。

本文通過資料調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)大軸重條件下鋼軌傷損發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析，研究鋼軌在大軸重條件下的適應(yīng)性。針對(duì)調(diào)研及分析結(jié)論，提出大軸重條件下鋼軌維修養(yǎng)護(hù)建議。

1 鋼軌傷損類型及發(fā)展規(guī)律

以大秦線K164+000—K326+345作為統(tǒng)計(jì)分析區(qū)段，該區(qū)段鋪設(shè)U78CrV在線熱處理鋼軌。利用重車線鋼軌傷損臺(tái)賬，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，獲得鋼軌傷損類型、累計(jì)通過總重與每公里鋼軌傷損率關(guān)系及鋼軌傷損發(fā)展規(guī)律。

1.1 鋼軌傷損類型

2011年，對(duì)大秦線該區(qū)段進(jìn)行大修更換鋼軌；2014年，該批鋼軌下道，下道時(shí)線路累計(jì)通過總重為1 670 Mt。2014年新軌鋪設(shè)上道，該批鋼軌于2018年進(jìn)行部分更換(K164—K238區(qū)間)，使用壽命約為2 060 Mt。

直線區(qū)段鋼軌上道至下道期間鋼軌傷損類型及位置分布如圖1所示。由圖1可知，重車線鋼軌傷損類型主要為焊接傷損，約占總傷損的70%；鋼軌傷損主要發(fā)生在軌頭和軌底，二者合計(jì)超過總傷損的90%，其余為軌腰傷損。

雖然大秦線該區(qū)段鋼軌傷損類型占比中閃光焊高于鋁熱焊，但是鋁熱焊的傷損率高于閃光焊。該區(qū)段2014年后開始使用75 m長(zhǎng)鋼軌，在焊軌基地將鋼軌焊接成長(zhǎng)軌條，軌條之間用鋁熱焊焊接，閃光焊與鋁熱焊接頭的數(shù)量比約為5∶1，由圖1(c)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知閃光焊與鋁熱焊的傷損占比約為2.5∶1，因此從焊接接頭總數(shù)和傷損占比可以推算，鋁熱焊的傷損率約為閃光焊的2倍。

圖1 鋼軌傷損類型及位置分布圖

1.2 鋼軌傷損發(fā)展規(guī)律

對(duì)該區(qū)段直線段累計(jì)通過總重與每公里鋼軌累計(jì)傷損率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：2011—2014年累計(jì)通過總重為1 000 Mt時(shí)，母材和焊縫累計(jì)傷損率分別為1.6和5.1處·km-1；2014—2016年累計(jì)通過總重為1 000 Mt時(shí)，二者累計(jì)傷損率分別為1.2和3.1處·km-1，焊縫傷損率約為母材的2～3倍，焊縫傷損較2014年前大幅降低。

圖2 直線區(qū)段累計(jì)通過總重與每公里鋼軌累計(jì)傷損量分布

月傷損量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，鋼軌傷損主要發(fā)生在溫度較低的12—2月份，溫度較高的6—8月份鋼軌傷損量最低，冬季鋼軌傷損量約為夏季的2倍。

圖3 直線區(qū)段鋼軌月傷損量分布

由圖2分析可知，2014年大秦線開行27 t軸重列車后，鋼軌傷損率反而降低。分析鋼軌使用情況發(fā)現(xiàn)，2014年上道新鋼軌均為75N新軌頭廓形鋼軌，鋼軌廓形的優(yōu)化改善了輪軌關(guān)系，有效避免或抑制軌距角剝離掉塊及母材疲勞核傷，減少鋼軌傷損，延長(zhǎng)了鋼軌使用壽命。2014年后，大秦線開始使用75 m長(zhǎng)鋼軌，焊縫數(shù)量減少，此外，焊接質(zhì)量的提高，都是焊縫傷損大幅降低的原因。由于27 t軸重貨車占比僅為10%，目前尚未引起鋼軌和焊縫傷損的增加，相反，由于采用了75N新廓形、75 m定尺長(zhǎng)鋼軌及近年來鋼軌和焊縫質(zhì)量的不斷提高，2014年后更換的鋼軌母材和焊縫的傷損量率明顯降低。

2 鋼軌使用壽命關(guān)鍵控制因素

2.1 直線區(qū)段

對(duì)大秦線直線區(qū)段鋼軌使用情況進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，分析鋼軌磨耗隨通過總重變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，直線段磨耗速率相對(duì)較小，磨耗速率約為0.002 mm·Mt-1。

圖4 大秦線直線區(qū)段鋼軌磨耗

直線段鋼軌軌面光潔，使用狀況較好(圖5)。因此在鋼軌磨耗小且表面狀態(tài)良好的情況下，鋼軌傷損是直線區(qū)段影響鋼軌使用壽命的主要因素。重載線路鋼軌的傷損類型主要有焊接接頭傷損、核傷、孔裂等，在各傷損類型中，焊縫傷損占比最高，約占總傷損的70%。

圖5 K390直線鋼軌軌面狀態(tài)

2.2 曲線區(qū)段

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤4條小半徑曲線，參數(shù)見表1。

由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制曲線，分析鋼軌磨耗隨著通過總重增加的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，曲線上股鋼軌的側(cè)磨發(fā)展較快，半徑為500 m的K306曲線和半徑為600 m的K308曲線，因上股磨耗嚴(yán)重，分別于2017年4月和2018年4月進(jìn)行了換軌，曲線下股鋼軌2014年更換后使用至今。而半徑為800 m的K390和K403曲線，上股鋼軌的側(cè)磨相對(duì)較小，2015年10月上道使用至今仍未換軌。K306曲線的上股鋼軌側(cè)磨速率約為0.02 mm·Mt-1，K390曲線的約為0.005 mm·Mt-1，K403曲線的約為0.002 mm·Mt-1；相同曲線半徑下，U77MnCr熱處理鋼軌磨耗量大于U78CrV熱處理鋼軌。

表1 大秦線小半徑曲線參數(shù)

曲線上股鋼軌主要的傷損形式為軌距角魚鱗紋和踏面中心的剝離掉塊，隨著鋼軌側(cè)磨的加劇以及鋼軌打磨的開展，軌距角魚鱗紋一般不會(huì)發(fā)展為剝離掉塊，而踏面中心的剝離掉塊也沒有發(fā)展為連續(xù)大面積的掉塊(圖7)。由此可見，側(cè)磨是影響曲線上股鋼軌使用壽命的關(guān)鍵控制因素，一般曲線半徑越小，鋼軌的磨耗越嚴(yán)重。

曲線下股鋼軌主要傷損形式為踏面中心的剝離掉塊及非工作邊的肥邊，但通過打磨(或銑磨)可得到明顯改善。曲線下股裂紋起源于鋼軌踏面中心表層，并以與鋼軌頂面成一定角度向軌頭內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)魚鱗紋擴(kuò)展到一定深度時(shí)，轉(zhuǎn)為橫向發(fā)展，形成剝離掉塊[10]。隨使用時(shí)間延長(zhǎng)，剝離掉塊有向兩側(cè)擴(kuò)展的趨勢(shì)，踏面中心位置傷損減輕(圖8)。分析認(rèn)為，鋼軌使用初期車輪主要與鋼軌踏面中心區(qū)域接觸，隨踏面中心位置磨耗增加，輪軌接觸區(qū)域面積增加，踏面中心區(qū)域剝離掉塊現(xiàn)象減輕，兩側(cè)區(qū)域開始產(chǎn)生剝離掉塊[11]。曲線下股鋼軌與直線地段使用壽命基本一致，因此傷損是影響曲線下股鋼軌使用壽命的主要因素。

圖8 K308曲線下股鋼軌軌面狀態(tài)

3 鋼軌適應(yīng)性討論及分析

3.1 鋼軌強(qiáng)度等級(jí)

線路上的鋼軌類型應(yīng)與運(yùn)量、線路允許速度和軸重相適應(yīng)，按不同線路要求科學(xué)合理選用不同材質(zhì)和強(qiáng)度等級(jí)的鋼軌。大秦線于2014年開行27 t軸重列車，對(duì)比2014年前后傷損情況可以看出，27 t軸重貨車的開行，未造成鋼軌傷損量增加，相反，2014年后1 000 Mt通過總重時(shí)累計(jì)總傷損率由6.7處·km-1降低至4.3處·km-1(圖2)。在大秦重車線，直線和曲線大多數(shù)鋪設(shè)強(qiáng)度等級(jí)為1 280 MPa級(jí)的U78CrV在線熱處理鋼軌，直線段鋼軌磨耗速率較小(圖4)。對(duì)于重載曲線，鋼軌使用壽命由上股鋼軌的側(cè)磨決定，半徑為800 m的曲線U78CrV在線熱處理鋼軌耐磨性能明顯優(yōu)于U77MnCr熱處理鋼軌(1 180 MPa級(jí))，半徑為500和600 m的曲線鋼軌磨耗速率較快，鋼軌的使用壽命約為500 Mt。既有研究表明，提高金屬材料的硬度可提高其耐磨性，因此對(duì)于27 t軸重的重載鐵路，磨耗較快的曲線可使用比U78CrV強(qiáng)度級(jí)別更高的鋼軌，目前研究和使用比較成熟的過共析鋼軌在重載小半徑曲線使用，耐磨性能可提高20%～25%，半徑500～600 m曲線鋼軌的使用壽命預(yù)期將會(huì)超過600 Mt。在此種情況下，結(jié)合前期研究成果，建議在27 t軸重條件下直線及半徑大于1 600 m的曲線區(qū)段選用強(qiáng)度等級(jí)不低于980 MPa的鋼軌，在半徑不大于1 600 m的曲線區(qū)段選用強(qiáng)度等級(jí)不低于1 180 MPa的鋼軌，半徑不大于800 m的曲線區(qū)段選用強(qiáng)度等級(jí)不低于1 280 MPa的鋼軌，側(cè)磨較快的小半徑曲線建議鋪設(shè)耐磨性能更好的過共析鋼軌。

3.2 鋼軌型面

我國(guó)重載鐵路目前主要采用75和60 kg·m-1鋼軌，包括60，60N，75和75N這4種鋼軌型面。LM車輪型面與不同鋼軌型面匹配時(shí)的輪軌接觸點(diǎn)分布情況如圖9所示。由圖9可知，相較于60，75鋼軌型面，LM車輪型面與60N和75N鋼軌型面匹配時(shí)輪軌接觸點(diǎn)能夠更加集中地分布于軌頭中心附近，可有效避免車輪輪緣根部與軌距角接觸，將有利于改善車輪輪緣根部和鋼軌軌距角疲勞傷損。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析27 t軸重下，4種輪軌型面匹配組合對(duì)應(yīng)的脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值情況如圖10所示。由圖10可知，4種輪軌型面匹配組合對(duì)應(yīng)的脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值均遠(yuǎn)小于其安全限值，60N和75N鋼軌型面與LM車輪型面匹配對(duì)應(yīng)的脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值均小于60和70鋼軌型面與LM車輪型面匹配時(shí)；60N鋼軌型面對(duì)應(yīng)的脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值略大于75N鋼軌型面。

從磨耗的角度看，75N鋼軌與60N鋼軌相比斷面尺寸更大，因此更加耐磨；從接觸應(yīng)力看，75N鋼軌輪軌接觸面積大于60N鋼軌，接觸應(yīng)力相對(duì)較小，滿足目前大軸重的要求。75N鋼軌的使用結(jié)果表明[12]，是否進(jìn)行預(yù)打磨對(duì)重載鐵路鋼軌的使用無明顯的影響，在鋼軌無表面?zhèn)麚p的情況下可以不進(jìn)行鋼軌預(yù)打磨，因此建議27 t軸重條件下優(yōu)先選用75N鋼軌。

圖9 LM車輪型面與不同鋼軌型面匹配關(guān)系

圖10 車輛運(yùn)行安全性指標(biāo)

3.3 鋼軌養(yǎng)護(hù)維修

由于大秦線運(yùn)輸繁忙，線路維修時(shí)間或“天窗”極其有限，采用每年4月和9月集中修策略，鋼軌打磨多在此期間進(jìn)行，重載鐵路打磨周期相對(duì)較長(zhǎng)。我國(guó)重載鐵路打磨深度在軌頂中心區(qū)域能達(dá)到0.1～0.2 mm，從實(shí)際打磨效果看，直線和大半徑曲線基本能去除掉鋼軌疲勞傷損，因此建議直線和大半徑曲線鋼軌預(yù)防性打磨按現(xiàn)有維修周期進(jìn)行。根據(jù)大秦線小半徑曲線傷損發(fā)展規(guī)律來看，新鋪設(shè)鋼軌鋪設(shè)上道約2個(gè)月后出現(xiàn)魚鱗紋，此時(shí)對(duì)應(yīng)通過總重約為70～80 Mt，因此建議27 t軸重條件下小半徑曲線地段打磨周期為50～100 Mt。此外，側(cè)磨及傷損嚴(yán)重地段可適當(dāng)縮短打磨周期。

為減緩曲線鋼軌的磨耗、抑制鋼軌剝離掉塊，應(yīng)科學(xué)合理的采用鋼軌潤(rùn)滑技術(shù)。建議當(dāng)鋼軌的側(cè)磨速率小于0.01 mm·Mt-1時(shí)，不采用任何形式的潤(rùn)滑。固體潤(rùn)滑劑可在輪軌接觸界面之間形成固態(tài)潤(rùn)滑膜，隔開輪軌摩擦副表面，不會(huì)加劇鋼軌剝離掉塊，是輪軌潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展方向。潤(rùn)滑劑應(yīng)準(zhǔn)確涂覆在曲線上股鋼軌軌距角部位以及軌頂面以下14～30 mm處的軌頭側(cè)面部位，不得涂覆在軌頂面上，以免影響輪軌有效黏著和牽引力，造成車輪打滑。在軌頂面以下14～16 mm處的軌頭側(cè)面部位未出現(xiàn)磨耗時(shí)，不得進(jìn)行潤(rùn)滑。

4 結(jié)論及建議

(1)大秦鐵路鋼軌主要傷損類型為焊縫傷損和母材核傷，焊接傷損約占總傷損的70%，母材傷損約占26%，焊縫傷損約為母材傷損的2～3倍。溫度對(duì)鋼軌傷損影響明顯，冬季傷損量約為夏季的2倍。2014年后1000 Mt通過總重時(shí)累計(jì)總傷損率由6.7處·km-1降低至4.3處·km-1，使用75N新廓形及75m長(zhǎng)鋼軌是傷損率降低的主要原因。

(2)直線和大半徑曲線區(qū)段鋼軌磨耗速率相對(duì)較小，鋼軌使用狀況較好，因此直線和大半徑曲線區(qū)段影響鋼軌使用壽命的域素主要為傷損。小半徑曲線鋼軌主要的傷損形式為魚鱗紋和剝離掉塊，隨著鋼軌磨耗的加劇及鋼軌打磨的開展，傷損并未明顯發(fā)展，上股鋼軌側(cè)磨速率相對(duì)較大，下股與直線區(qū)段使用壽命基本一致，因此小半徑曲線上股鋼軌使用壽命主要影響因素為磨耗，下股鋼軌使用壽命主要影響因素為傷損。

(3)對(duì)于27 t軸重線路，建議直線及半徑大于1 600 m的曲線區(qū)段應(yīng)選用強(qiáng)度等級(jí)不低于980 MPa的鋼軌，在半徑不大于1 600 m的曲線區(qū)段應(yīng)選用強(qiáng)度等級(jí)不低于1 180 MPa的鋼軌，半徑不大于800 m的曲線區(qū)段應(yīng)選用強(qiáng)度等級(jí)不低于1 280 MPa的鋼軌，側(cè)磨較快的小半徑曲線建議鋪設(shè)耐磨性能更好的鋼軌。選用75N新廓形鋼軌，保持良好的輪軌關(guān)系，大力推廣使用長(zhǎng)定尺的鋼軌。建議直線及大半徑曲線地段，按現(xiàn)有維修周期進(jìn)行打磨，小半徑曲線地段，每50～100 Mt打磨1次，側(cè)磨、傷損嚴(yán)重地段可適當(dāng)縮短打磨周期。