高速铁路钢轨磨耗的跟踪研究

刘丰收

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

高速铁路钢轨磨耗的跟踪研究

刘丰收

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

高速铁路列车轴重轻、速度快，钢轨的磨耗有其自身的特征。本文通过对京津城际、武广客专、京沪高铁、秦沈客专、沪宁城际等多条高速铁路钢轨磨耗情况的长期跟踪观测，分析总结了高速铁路钢轨的磨耗特征。结果表明:高速铁路直线段钢轨的垂直磨耗量及磨耗速度均较小，而小半径曲线地段钢轨的侧面磨耗严重，已影响到钢轨的使用寿命。建议在小半径曲线地段使用在线热处理钢轨，同时进行钢轨润滑，以减少钢轨磨耗。

高速铁路;钢轨;垂直磨耗;侧面磨耗

钢轨磨耗是影响钢轨使用寿命的重要因素，按照磨耗部位的不同，钢轨磨耗分为垂直磨耗和侧面磨耗，其中垂直磨耗在钢轨轨顶面宽1/3处(距标准工作边)测量，侧面磨耗在钢轨踏面(按标准断面)下16 mm处测量［1］。目前，普速铁路60 kg/m钢轨的垂直磨耗、侧面磨耗重伤标准分别为11 mm和19 mm，高速铁路60 kg/m钢轨的垂直磨耗、侧面磨耗重伤标准分别为10 mm和12 mm［2］。直线段钢轨的磨耗以垂直磨耗为主，而曲线段钢轨上股以侧面磨耗为主，下股以垂直磨耗为主。

高速铁路列车轴重轻、速度快，钢轨的磨耗有其自身的特征。我国高速铁路钢轨磨耗虽然已经开展了一些研究［3-10］，但由于我国高速铁路尚处于运营初期，高速铁路钢轨的磨耗特征及规律还需持续跟踪研究。本文通过对我国高速铁路钢轨磨耗情况的长期跟踪测量，分析总结了高速铁路钢轨磨耗的一些规律及特点。

1　磨耗的跟踪观测情况

从2008年我国第一条高速铁路——京津城际高速铁路开通以来，开始对多条高速铁路钢轨的磨耗情况进行了长期的跟踪观测，表1为测点布置及观测时间。利用轨头廓形测量仪对表1中的钢轨测点测量了轨头外形，然后利用软件计算出钢轨的垂直磨耗和侧向磨耗。

表1　测点布置及观测时间

2　结果及分析

2.1直线段钢轨外形及磨耗

高铁线路以直线或大半径曲线为主，因此，京津城际、武广客专、京沪高铁、秦沈客专等线路重点测量了直线段钢轨的磨耗及外形变化情况。

京津城际从2008年8月开通以后，进行了持续定期跟踪观测，最近一次观测是2015年12月份。对多次测量的轨头外形数据进行了比较分析。图1为下行K22左股钢轨的轨头外形变化情况，从图中可以看出，除钢轨轨距角部位稍有变化外，外形变化不明显，轨距角有变化是因为钢轨大机打磨所致。2014年和2015年的外形基本重合，这2年之间钢轨未进行大机打磨。将6个直线段钢轨测点的垂直磨耗数据平均后，绘制了平均垂直磨耗随运量的变化曲线，如图2所示。从图2可以看出，相对于原始廓形，第1次测量时候的垂直磨耗较明显，这主要是因为实测外形和标准钢轨外形的差异以及打磨的原因，最近一次测量的平均垂直磨耗量为1.6 mm，和第1次测量相比，相对垂直磨耗量为0.56 mm，7年的观测时间内钢轨预防性打磨2次，1次打磨垂直磨耗量0.1 mm左右，由此可以估算出7年轮轨的自然磨耗为0.36 mm，自然磨耗速率仅为0.05 mm/年。

从2010年开始，对武广客专金沙洲隧道直线段钢轨的外形及磨耗情况进行了持续定期跟踪观测。从图3金沙洲隧道内K2275+100上行右股钢轨的外形变化可以看出，2011年的外形和2010年外形在轨距角处稍有差别，这是因为在2010年底对该处钢轨进行了打磨;2015年外形和2011年外形比较变化不明显。图4为金沙洲隧道直线段钢轨所有测点的平均垂直磨耗随运量的变化曲线，从图中可以看出:武广客专运行6年多的垂直磨耗量为1.06 mm，和第1次测量相比，相对垂直磨耗量为0.46 mm，6年的观测时间内钢轨预防性打磨1次，1次打磨量0.1 mm左右，由此可以估算出6年轮轨的自然磨耗为0.36 mm，自然磨耗速率仅为0.07 mm/年。

图1　京津城际K22左股轨头外形变化情况

图2　京津城际钢轨垂直磨耗随运量变化曲线

图3　武广客专K2275+100上行右股外形变化

图4　武广客专钢轨垂直磨耗随运量变化曲线

京沪高铁的钢轨磨耗和外形变化情况和京津城际、武广客专基本相同，钢轨轨头外形变化不明显。图5为京沪高铁直线段钢轨所有测点的平均垂直磨耗随运量的变化曲线，从图中可以看出，京沪高铁运行3年时的垂直磨耗量1.65 mm，和第1次测量相比，相对的垂直磨耗量为0.34 mm，3年的观测时间内钢轨预防性打磨1次，1次打磨量0.1 mm左右，由此可以估算出3年轮轨的自然磨耗为0.24 mm，自然磨耗速率仅为0.08 mm/年。

图5　京沪高铁钢轨垂直磨耗随运量变化曲线

秦沈客专于2003年10月12日开通运营，至今已运行了将近13年。2015年5月份对其直线段钢轨的磨耗情况进行了跟踪观测，从图6结果可以看出，钢轨垂直磨耗量为2.5 mm，假使秦沈客专钢轨在运行的13年中共打磨6次(2年进行1次大机打磨)，每次打磨量为0.1 mm，由此可以推算轮轨的自然磨耗量为1.9 mm，磨耗速率为0.15 mm/年。因为秦沈客专不但运行高速动车，还要运行普速客车，普速客车的轴重较高速动车要重，所以其磨耗速率要比只运行高速动车的京津、武广和京沪高铁大。

图6　秦沈客专直线段钢轨磨耗情况

2.2曲线段钢轨外形及磨耗

高速铁路正线以直线和大半径曲线为主，但进出站及联络线仍存在一些小半径曲线。图7为沪宁城际南京南站和镇江站进出站小半径曲线上股钢轨的磨耗情况，从观测结果可以看出:小半径曲线钢轨的主要磨耗是侧面磨耗，但也有一定的垂直磨耗，其中南京南站曲线半径为600 m，最大侧面磨耗6.6 mm，镇江站曲线半径为900 m，最大侧面磨耗4.9 mm。这2个曲线地段铺设了和正线相同材质的U71MnG高速钢轨，因为该材质钢轨的强度、硬度较低，因此钢轨的抗磨耗能力也较低。这些小半径曲线地段磨耗严重的钢轨寿命只有2～3年，因此建议小半径区段铺设使用在线热处理钢轨。

图7　沪宁城际小半径曲线上股钢轨磨耗情况

2.3分析讨论

从以上几条高速铁路钢轨磨耗的跟踪观测结果可以看出，高速铁路钢轨磨耗具有以下特点:

1)高速铁路直线地段的垂直磨耗量及磨耗速率均较小。从几条线路的轮轨自然磨耗速率来看，京津、武广、京沪等高速铁路直线段的轮轨自然磨耗速率都＜0.1 mm/年，既运行高速动车又运行普速客车的秦沈客专轮轨自然磨耗速率也只有0.15 mm/年。

高速铁路直线段钢轨的磨耗包括了轮轨的自然磨耗和大机打磨，大机打磨每次的打磨量比较固定，按照现行的打磨指导意见，2年1次，1次的垂直磨耗量在0.1 mm左右，则大机打磨的磨耗速率可以按照0.05 mm/年计算，另由跟踪观测可以推算出最大自然磨耗速率是0.1 mm/年，由此可推算出最大的垂直磨耗量为0.15 mm/年。目前高速铁路钢轨垂直磨耗的重伤标准为10 mm，按照推算的直线段钢轨的最大磨耗速率计算，要达到垂直磨耗重伤至少需要66年。从高速铁路直线段钢轨的磨耗速率可以看出，在直线地段，垂直磨耗并不是影响钢轨使用寿命的主要因素。

2)高速铁路在进出站和联络线仍有一些小半径曲线，高速列车在这些小半径曲线上以相对低的速度通过。虽然动车轴重轻，但小半径曲线钢轨的磨耗和普速线路的特征相同，即上股主要是以侧面磨耗为主。而这些高速线路的小半径曲线地段也铺设了和直线区段相同的相对低强度、低硬度的热轧钢轨(U71MnG或者U75VG钢轨)，导致这些小半径区段钢轨侧面磨耗严重，寿命只有2～3年，有些严重的线路，如京津城际天津站半径400 mm的曲线，最短1年时间就需要更换钢轨。为解决高速铁路小半径曲线的磨耗问题，应更换在线热处理钢轨(U71Mn或者U75V)，提高钢轨的强度和硬度。在一些磨耗严重的地段，除了提高钢轨的强度和硬度外，还应该采用钢轨润滑的方式来进行减磨。

3　结论

通过对京津城际、武广客专、京沪高铁、秦沈客专、沪宁城际等高速铁路钢轨磨耗情况的跟踪观测，对我国高速铁路钢轨的磨耗特点及初步规律进行了总结，结论如下:

1)高速铁路因为轴重轻、速度快，直线段钢轨的垂直磨耗量和磨耗速率均较小，从观测的几条线路的轮轨自然磨耗速率来看，京津、武广、京沪等高速铁路的轮轨自然磨耗速率都＜0.1 mm/年，既运行高速动车又运行普速客车的秦沈客专轮轨自然磨耗速率也只有0.15 mm/年。

2)高速铁路小半径曲线地段钢轨侧面磨耗较严重，已严重影响到高速铁路钢轨的寿命及运行安全。建议在小半径区段使用在线热处理钢轨，同时采用钢轨润滑的方式来减少钢轨磨耗。

［1］中华人民共和国铁道部．铁运［2006］146号铁路线路修理规则［S］．北京:中国铁道出版社，2006．

［2］中华人民共和国铁道部．铁运［2012］83号高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)［S］．北京:中国铁道出版社，2012．

［3］孙宏，杜新民．提速200 km/h线路曲线病害及钢轨磨耗发展规律研究［J］．铁道建筑，2007(11):84-86

［4］徐会杰，刘启宾，彭华，等．基于轮轨接触的高速铁路钢轨磨耗量［J］．北京交通大学学报，2014，38(3):44-49．

［5］李振基．重载铁路曲线上钢轨磨耗和剥离原因及整治措施．铁道建筑，2014(3):107-110．

［6］刘启宾．基于Archard磨耗模型的合金钢心轨组合辙叉道岔钢轨磨耗研究［J］．铁道建筑，2015(2):107-111．

［7］任洪俊．曲线钢轨磨耗的原因及防治［J］．中州煤炭，2003 (1):38-39．

［8］李海锋，陈文，陈雯．高速铁路钢轨型面变化的跟踪观测及仿真分析［J］．城市轨道交通研究，2012，15(2):61-68．

［9］陈岳源．铁路轨道［M］．北京:中国铁道出版社，1998．

［10］JENDEL T，BERG M．Prediction of Wheel Profile Wear ethodolgy and Verification［J］．Wear，2005，258:1055-1063．

(责任审编 周彦彦)

Tracing Research on Rail Wear in High Speed Railway

LIU Fengshou
(Metals and Chem istry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

High speed railway train has its own characteristics such as light axle load，high speed and different wheel/rail wear．Based on long-term tracing inspection and testing works in Beijing－Tianjin intercity railway，Wuhan－Guangzhou passengers dedicated line，Beijing－Shanghai high speed railway，Qinhuangdao－henyang passengers dedicated line and Shanghai－Nanjing intercity railway，the rail wear characteristics of high speed railway were summarized and analyzed in this paper．The results show that the vertical wear volume and wear rate of rails in straight line section of high speed railway are both small，while side wear of rails in small radius curve section is severe，which has affected the rail service life．The application of on-line heat treated rails combing with rail lubrication in small radius curve section is recommended in order to reduce rail wear．

H igh speed railway;Rail;Vertical wear;Side w ear

U213．4+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．32

1003-1995(2016)11-0120-04

2016-06-14;

2016-08-15

中国铁路总公司科技研究开发计划(2015G008-A)

刘丰收(1978—)，男，副研究员，硕士。