山区重载小半径曲线钢轨磨耗试验研究

吕玉梅　 李冬霞　 李世波

（石家庄铁路职业技术学院　 河北石家庄　050043）

山区重载小半径曲线钢轨磨耗试验研究

吕玉梅 李冬霞 李世波

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄050043）

朔黄铁路横跨晋、冀两省，穿越吕梁、太行两大山区，沿滹沱河谷地向东走行，沿线地形复杂，铁路路基高填深挖、桥隧相连、曲线多、半径小、坡度大。以往山区的线路上大多是存在很多接头的普通线路，接头维修与养护成本很高。所以在山区铁路中取消钢轨接头，铺设无缝线路，对于节约成本，减少养护维修工作量具有重要意义。朔黄线铁路从2005年5月尝试铺设无缝线路，虽然降低了接头的成本，但是随之而来的小半径曲线地段钢轨病害发展严重。对朔黄铁路无缝线路的病害进行了观察、检测以及试处理实验研究。

无缝线路 钢轨磨耗 小半径曲线 试验分析

1　发展现状

中国铁路“十二五”规划要求，推进区际干线、煤运通道、西部铁路等建设，加强煤炭运输通道建设。在繁忙干线实现客货分线基础上，加快区际干线新线建设和既有线扩能改造，强化煤炭运输等重载货运通道。坚持新线建设与既有线改造并举，加快建设晋、蒙、陕、甘、宁地区至华东、华中等地区煤炭运输通道，强化蒙东与东北地区煤运通道，加快推进新疆地区煤炭外运通道建设。加强煤炭集疏运系统的优化完善。

强化基础设施设备现代化水平。加强对既有线桥隧等基础设施和设备的加固与改造，提高抵御灾害、保障运输安全能力。全面推广跨区间无缝线路。建立完善高铁设备养护维修设施，实现大型养路机械作业和检测能力全覆盖。加快推广供电综合监控、数据采集及节能降耗技术，实现牵引供电系统监控自动化、远程化和运行管理智能化，提升供电装备现代化水平。

目前国内外新建的高速铁路都是无缝线路，在重载货运铁路，尤其是山区小半径曲线上跨区间无缝线路的应用都处于刚发展阶段。山区铁路大多都是小半径曲线，钢轨运营环境恶劣，坡度大，隧道多，同时由于小半径曲线的影响，所以目前山区铁路大多存在大量的钢轨接头，还是普通线路。轨道几何形位变化快，接头处轮轨动力作用大，直接导致接头的养护维修工作量大。据统计，对于山区普通线路，接头投入费用约占维修成本的30 %，而养护工作量约占养护工作总量的40 %。

无缝线路是用焊接长轨条铺设的轨道，因为长轨条没有轨缝而得名。据有关部门方面统计，与普通线路相比，无缝线路至少能节省15 %的经常维修费用，延长25 %的钢轨使用寿命。此外，无缝线路还具有减少行车阻力、降低行车振动及噪声等优点。

经过半个世纪的发展，我国铁路已焊接铺设了4 万多公里的无缝线路，约数千万个接头。1999 年初，在上海至南京间的铁路上，焊接铺设了1根长104.6公里的超长钢轨，表明我国铁路无缝线路已进入了一个新阶段。目前在我国很多山区铁路小半径曲线地段都已经开始铺设无缝线路，已经突破了300m曲线半径无缝线路的技术难题。无缝线路是铁路轨道现代化的重要内容，经济效益显著。

朔黄铁路西起山西省神池南站，终到河北省黄骅港口站，全长592.0 km，是我国西煤东运的第二条主干线。横跨晋、冀两省，穿越吕梁、太行两大山区，沿滹沱河谷地向东走行，沿线地形复杂，高填深挖、桥隧相连、曲线多、半径小、坡度大是其特点。轨道结构：朔黄铁路为国家Ⅰ级干线。本线新建时为60kg/m、U71mn、25.0m标准轨（强度为880MPa），Ⅱ型钢筋混凝土轨枕，配置1840根/公里；Ⅰ型弹条扣件，Ⅱ级碎石道床，厚550mm（垫层200mm、碎石面碴350 mm）、顶宽3.1m、边坡1：1.75。后将上行重车线更换为75kg/m钢轨区间和跨区间无缝线路。

75kg/m轨上道后，运营半年的时间开始发现少部分小半径曲线下股钢轨踏面表层出现裂纹纹路（通过总重约5000万吨·公里/公里），尔后逐渐发展出现轻微的鱼鳞状剥落掉块（通过总重为6500万吨·公里/公里）。不到3个月的时间，已发现有30个曲线计4.571km钢轨出现大范围的剥落掉块，而且发展趋向严重，发展速度较快。因此，减少运营铁路对曲线钢轨的磨耗，延长钢轨的使用寿命，在保证安全运营的基础上降低成本支出，是急待解决的问题。

2　试验研究分析

2.1病害情况

（1）裂纹剥离掉块

裂纹剥离掉块这一病害的发生和发展主要在曲线上，先下股后上股钢轨。只是发生的时间不同、发展的速度不同，伴随曲线半径不同而有差异。曲线半径越小，发生的早、发展速度快；曲线半径越大发生的就较晚。一旦出现裂纹和轻微掉块后发展速度基本相同。直线也出现裂纹但未发生掉块。其发展轨迹为：裂纹、掉块，掉块发展到严重程度时，目视裂纹较深，出现连续、面积较大的掉块，有似“龇牙咧嘴”的感觉，看上去十分严重，这时也可以说剥离掉块达到了高峰，从此不再继续恶性发展。即趋向回头，裂纹不再张合，而呈压平、压紧状态，掉块也减少或停止。在车轮的碾压磨耗下，目视轨面无裂纹或掉块现象，表面比较平整。但在此情况的掩盖下，其实裂纹并未消失。曲线上股的发生与发展与下股等同，只是晚于下股出现。如下图1。

图1　裂纹、掉块照片

（2）上股钢轨轮轨接触角掉块

曲线上股钢轨在轮轨接触角发生掉块主要在R-400m的曲线上和个别R-500 m的曲线上，这些曲线的特点是侧磨均较少；通过总重已达3.5亿吨。而侧磨基本上在2～5 mm间，钢轨接触疲劳处未能及时被磨掉，必将向深处发展，形成掉块。起始掉块较少、较小，逐渐发展成大的掉块或连续掉块达到重伤下线。

（3）曲线钢轨磨耗

上行重车线计有R≤1000 m的曲线137个/77659 m。均有不同程度侧磨。侧磨比较大的集中在R-500m、R-600m的曲线上，到目前侧磨8mm及以上的曲线86个，侧磨10mm及以上的曲线69个。分别为：R-。个、R-500 m28个、R-600m23个、R-650m1个、R-700m2个、R-800m8个、R-1000m6个。

侧磨接近或已达重伤标准，已进行了更换钢轨的曲线有19个/14km。侧磨普遍在16～21mm之间。通过总重平均每百万吨侧磨在0.06～0.08mm间。

小半径曲线的侧磨已成为钢轨使用寿命的关键所在，就75kg/m钢轨目前的使用情况看，在通过总重达2.7～3.5亿吨时侧磨即接近或达到重伤标准，需更换下线，对应现行行业标准的大修周期9亿吨时，一个大修周期中间还需要进行两次更换钢轨，才能与大修周期相匹配。

2.2试验方法

2.2.1钢轨打磨

借鉴国内外钢轨打磨经验，朔黄重载铁路新轨上道后，早期预防性打磨时机已过，但采取打磨仍有必要。安排钢轨打磨并进行试验。如图2所示。

图2　打磨前后钢轨磨耗对比

（1）安排管内上行线打磨钢轨97.7km即1+500～75+00，140+00～164+00，其中预防性打磨68.736km，修理性打磨29.164km。预防性打磨为3遍，维修性打磨为6～23遍。

（2）预防性打磨重点观测地段：

R－400m

①K3+975～K4+363. L－385m l－120m h－85mm i=-9.5‰

②K4+416～K4+654. L－233ml－90m h－80mm i=-9.5‰

R－500m

③K6+700～K6+967. L－260m l－100mh－90mmi=-8.0‰

④K53+815～K54+180. L－366m l－110mh－90 mm i=-11.0‰

R－600m

⑤K69+781～K70+252. L－471ml－110mh－75mm i=-10.9‰

（3）修理性打磨重点观测地段：

R－400m

①K16+774～K17+743. L－696m l－90m h－110mm i=-5.0‰

R－500m

②K38+431～K40+404. L－1973m l－100m h－90mm i=-9.4‰

③K54+314～K54+984. L－669m l－110m h－90 mm i=-10.5‰

R－600m

④K44+569～K45+320. L－751m l－140m h－75mmi=-10.0‰

（4）在一个曲线内，1/2修理性打磨、1/2预防性打磨重点观测地段：

R－500m

①K74+640～K75+059. L－419m l－100m h－90 mmi=-11.1‰

R－600m

②K70+627～K71+381. L－754m l－140mh－75mm i=-10.8‰

（5）直线不进行钢轨打磨试验观测地段：

①大坡道地段：75km～77km .长2000m. i=-12.0‰

②小坡道地段：89km～91km.长2000m. i=0～+3.0 ‰

2.2.2使用不同强度钢轨试验观测

试验地段：K86+214～K86+827曲线。R－500m L－613m l－110mh－90mmi=-7.0‰计划在圆曲线部分K86+433～533. 长100m，更换为U75V全长热处理钢轨，强度为1180MPa（HB-370）及k86+533-633，长100m，更换为普通U75V钢轨，强度为980Mpa（U75V），其余保留现状，定点进行试验、分析。

2.2.3对列车运行及操作情况调查分析

从机辆分公司下载有关运行资料，通过资料的对比、整理、分析，掌握各机车在朔黄线上运行时的行车速度、制动地点、操作状况等，再与现场实际钢轨伤损程度进行对照分析，寻找规律。

2.2.4合理调整曲线超高的试验

使曲线上下股钢轨的受力尽量达到均衡，超高的设置是关键，通过现场实测平均速度设置超高满足需要，对下列地点进行试验：

R－400m

①K18+310～K18+625，L－342m，l－90m，h－110mm，i=-9.0‰，现设超高为110mm，经测速之后计算应设超高为95mm，拟调整欠超高设85mm，进行观测。

R－500m

②K62+172～K62+735，L－563m，l－120m，h－90mm，i=-10.0‰，现设超高为90mm,符合行车速度，不进行调整继续观测。

R－600m

③K141+975～K142+688，L－713m，l－120m，h－150mm，i=-7.0‰，计算应设超高为75mm，现设超高150 mm（宽轨枕地段），为过超高继续观测。

2.2.5调整轨距值，进行对比观测，试验地点在94km处

R－500m

K94+463～K95+025，L－562m，l－130m，h－90mm，i=+3.4‰，现设轨距为1435mm，拟加宽5mm，改为轨距1440mm，进行观测。

2.2.6进行曲线涂油试验观测

通过对曲线涂覆油脂及固体润滑剂观测涂与不涂、涂油脂与涂固体润滑剂的效果对比，确定今后涂覆采用标准，试验地点如下：

R－500m

①K86+214～K86+827，L－613m，l－110m，h－90mm，i=-7‰，在曲线行车方向前半部涂覆固体润滑剂，后半部不涂，进行对比试验。

R－700m

②K95+643～K96+064，L－423m，l－90m，h－70，i=-1.0‰，全曲线涂覆固体润滑剂。

R－800m

③K95+178～K95+533，L－356m，l－120m，h－70，i=+1.0‰，在曲线行车方向前半部涂油脂，后半部不涂，进行试验，进行人工涂覆。

2.2.7对线路不同强度钢轨伤损程度进行化验

选定86km，R－500m的曲线下股剥离掉块严重、一般、较轻，三段从线路上换下，及未上道的一段素轨、一段热处理轨，共5根，长各为60cm短轨送到铁科院进行化验。对淬火质量、分层硬度、化学成分、及两种钢轨的金相组织进行化验。

2.2试验结果

（1）对线路不同强度钢轨伤损程度进行化验，经分析结论如下：

①经检验，U75V热轧钢轨母材组织和硬度均合格。

②所检的由呼和浩特焊轨段进行淬火处理的75kg/m U75V淬火钢轨，淬火层深度以及横断面硬度均未满足TB/T2635-2004规定的要求。

③下股钢轨踏面中心裂纹深度在1.3mm左右，并显现不同程度的剥离掉块。这是在较大的外力作用下发生的一种轮面滚动接触疲劳伤。裂纹萌生于钢轨轨头表面塑性流变层内，裂纹起始的发展与列车运行方向成一定锐角，出流变层后基本以垂直方向朝轨头内部扩展，最终导致剥离掉块。

④所检的热处理钢轨在下股出现较为严重的早期剥离掉块可能与其硬度分布特征有关。

（2）不同强度的钢轨进行试验

不同强度的钢轨进行试验，从监测到的发展情况是：铺设后约10天左右（通过总重约为435万吨·公里/公里）；淬火轨开始出现微小裂纹，普通轨正常；约1个月左右（通过总重约为838.2万吨·公里/公里），淬火轨裂纹发展亦较为明显，普通轨仍使用正常；运营50天左右（通过总重约为2250万吨·公里/公里）淬火轨裂纹仍在发展，个别处所有小的掉块。而普通轨也出现裂纹且发展较快；运营2个月（通过总重约为2817.3万吨·公里/公里），淬火轨、普通轨裂纹都在继续发展，而普通轨发展的较快并向严重的方向发展；运营约4个月（通过总重约为4988.7万吨·公里/公里），其发展情况，普通轨较淬火轨稍重，而呈现钢轨踏面向外推压外出的现象；运营约5个月（通过总重约为7185.5万吨·公里/公里）淬火轨明显发生掉块；运营约8个月（通过总重约为11314.3万吨·公里/公里），淬火轨掉块已很严重，达到了高峰，此后逐渐回缓；普通轨一直未发生较重的剥离掉块，只有压宽的现象。见下图3。

（3）其它试验检测

其它试验检测调整超高、加宽轨距、钢轨打磨、涂油等措施后，其裂纹、剥离掉块的发展情况均无大的差异。

图3　淬火钢轨　普通钢轨

3　总结

通过对朔黄铁路无缝线路的病害观察、检测以及试处理试验研究，我们对影响钢轨磨耗的主要原因进行了分析总结。大概有以下两点：一是钢轨是否淬火问题；二是钢轨打磨方法问题。希望这些结果对大家之后的研究有一些帮助。

[1]柳海清.山区铁路小半径曲线地段铺设无缝线路探讨.路桥科技,2012(2)

[2]任利平.曲线钢轨侧磨原因及预防措施.铁道建筑,2004年第12期:47-48

[3]柳瑞元,对小半径曲线钢轨侧面磨耗的研究.同煤科技,2005.6(2)39-40

[4]路华平,铁路线路小半径曲线病害成因及其整治.科技情报开发与经济,2006.9(24)316-317

[5]李建强.大温差地区重载铁路无缝线路设计关键问题研究.铁道建筑.2012(5)148-150

[6]田宝红.大秦线2亿吨重载扩能改造工程线路及轨道设计标准浅析.铁道标准设计.2005(3) 9-10

Experimental Study on Rail Wear at Heavy-Load and Small-Radius Curves in Mountainous Areas

LV Yu-mei LI Dong-xia LI Shi-bo
(Shijiazhuang Institute of Railway Technology ShijiazhuangHebei050043)

Shuohuang Railway runs through two provinces---Shanxi and Hebei and two mountainous areas---Lvliang and Taihang, travels east along the Hutuohe River. Due to the geographic complexity, the railway roadbed meets the problems of high-fill and deep-cut, bridges connecting tunnels, a lot of curves with small radius and steep slopes. In the past, most of the lines in mountainous areas have a lot of common jointed railroads, which leads to high costs in repair and maintenance. So it is significant to cancel the jointed sections on railroads and use CWR, which saves costs and reduces maintenance and repair work. From June 2005, Shuohuang Railway tried building CWR. Though it saved the costs of joints, some rails with small radius developed serious problems. This paper brings investigation and testing to those problems and makes experimental study on the solutions.

CWR rail wear small-radius curves experimental analysis

文献标识码：A文章编号：1673-1816(2016)03-0001-06

2016-06-18

吕玉梅（1979-），女，内蒙古呼和浩特人，讲师，硕士，研究方向职业教育研究。

课题名称：山区小半径曲线重载铁路无缝线路钢轨病害研究。项目编号：15275419 1