重载条件下PG4钢轨擦伤监控对策研究

柴 志 强

(大秦铁路股份有限公司大同工务段，山西 大同 037005)

重载条件下PG4钢轨擦伤监控对策研究

柴 志 强

(大秦铁路股份有限公司大同工务段，山西 大同 037005)

结合工程实例，分析了重载条件下PG4钢轨擦伤断轨的特点及形成原因，并从建立有效防控联络机制，建立探伤监控制度、探伤数据对比分析等方面，阐述了钢轨擦伤的监控及处理措施，从而杜绝断轨隐患发生，保证行车安全。

重载，PG4钢轨，断轨，监控制度

1 概述

大秦铁路是我国第一条双线电气化重载运煤专线，全长653 km，设计年运量是1亿t，但为了保证西煤东运能力的最大化，从2004年起对大秦线实施逐年扩能改造，年运输任务也逐年攀升。同时，在大秦线增开1万t，2万t等组合重载列车，在2014年年初，成功实验开行了3万t组合列车。在如此条件下，大秦线运量近年来一直保持在4.5亿t范围，这就给我们的线路养护维修带来巨大压力，特别是在如此繁忙运营条件下，钢轨疲劳伤损发展较快，钢轨磨耗伤损十分严重。大同工务段管辖大秦重车线K2+100～K164+000,全长范围内铺设了攀钢产第四代钢轨，简称“PG4钢轨”。PG4钢轨上线以来，以其突出的耐磨性深受现场认可，但随着硬度的提高，钢轨脆性增大，造成伤损的发展速率加快，特别是擦伤后监控难度大，伤损发展无规律可循，超出了常规的处理及监控手段，给行车安全带来隐患。

2 问题的提出

我段大秦重车线所铺设的PG4钢轨，使用初期，以其高耐磨性解决了现场曲线上股侧磨轨更换频繁问题，同时在钢轨的修理上也减轻了劳动强度，得到了现场认可，但在PG4钢轨高硬度特点的另一面，也表现出脆性增大，钢轨脆断的情况时有发生，特别表现在钢轨表面轻微擦伤后，一是容易发生脆断，二是轨面打磨后轨面向下仍迅速发展形成核伤，造成断轨，给日常的监控、处理带来了巨大难度。下面是我段擦伤的几起实例。

2.1 钢轨擦伤后迅速折断

2014年1月14日，大秦重车线K93+500 m处出现机故，当机车再次启动时，车轮空转造成大秦重车线K93+20号左股钢轨顶面长150 mm、最大深度1.2 mm的擦伤(见图1)。1月16日，该擦伤处钢轨折断，此时距擦伤尚不足48 h，此次擦伤造成了轨头内紧贴擦伤下有一与擦伤同宽度的12 mm×23 mm的核伤(见图2)。

2.2 钢轨擦伤后迅速发展为核伤

2016年3月3日，大秦重车线K94+500 m～K94+800 m处，由于机车停车，再次启动时，左右股钢轨共擦伤24处，最大深度为0.7 mm，当天上午我们对擦伤处所进行打磨处理，打磨后经探伤检测，轨顶面下已存在核伤5处，在后续一周内又相继发现伤损8处且伤损发展4处，其中重车线K94+29号左股9 d后探伤检测发现核伤发展接近轨头全断面，我段切除后掰开伤损已发展为68 mm×36 mm(见图3)。

由于PG4钢轨的特性，在每次钢轨擦伤后，虽然深度不深，甚至未达到轻伤标准，但钢轨擦伤处顶面核伤的形成及发展快，常规的手段不能很好地监控伤损的发展，现已成为我段目前防断的重点、难点。为此建立一个完善的监控制度，合理的维修养护手段十分必要。

3 钢轨擦伤的形成和特点

3.1 钢轨擦伤的形成

钢轨的擦伤主要是由于机车牵引功率达不到启车条件以及紧急制动过程中，机车车轮空转或滑动，在轮轨接触面产生高温，接触应力急速增大，造成局部过热和粘着，在列车通过后急速冷却形成的金属塑变和分离。

3.2 PG4钢轨擦伤的特点

1)钢轨裂纹形成速度快。

从以上多起PG4钢轨擦伤导致断轨的情况看，在数小时内，钢轨的擦伤处所就形成裂纹，在极短的时间内导致钢轨脆断，完全不同于以往其他类型钢轨擦伤后伤损的发展规律。

2)钢轨核伤形成速度快。

通过多起擦伤案例，PG4钢轨在擦伤后，普遍在擦伤部位迅速形成核伤，按照以往及时进行打磨处理程序，也不能从根本上解决已形成的核伤。

3)钢轨伤损发展速度快。

PG4钢轨擦伤后，形成的核伤在发展过程中，均无明显发展痕迹，均是由极小伤损短时间内直接发展为轨头全断面(见图3)；同时，PG4钢轨擦伤产生的核伤均为垂直伤损，这也不同于我们以往其他材质钢轨核伤一般存在倾斜角度的特点。

4 PG4钢轨擦伤断轨原因

4.1 强度的影响

1)含碳量的提高。PG4钢轨含碳量达到0.78%(见表1)，明显高于其他任何类型钢轨，随着含碳量的增加，钢轨的强度、硬度上升，但塑性、韧性下降。

2)Cr—V合金的运用。PG4钢轨加入Cr—V合金，有效地减小珠光体的团尺寸、片间距和渗透碳厚度的效果，同时提高了钢轨的屈服强度和抗拉强度。

综合各项成分材料，虽然PG4钢轨的强度级别达到了1 300 MPa以上，但钢轨的韧塑性性能也大大下降。

4.2 合金元素含量的影响

PG4钢轨中控制Cr—V合金含量不得超过0.7%(见表1)。因为随着Cr元素含量提高后，将降低珠光体的开始转变温度，不利于组织控制，尤其是在热处理时，如处理不当，将产生马氏体组织。同时钢轨在热处理后，当冷却速度超过一定值时，就会出现贝氏体或马氏体。

表1 PG4,U75V钢轨主要元素成分含量百分比 %

4.3 断轨的诱因

由于钢轨擦伤时，接触应力急速增大，在轮轨接触面产生高温，导致钢轨局部金属温度瞬间升高，并达到奥氏体化温度，而由于PG4钢轨特殊的化学成分，在随后的快速冷却中生成了硬而脆的马氏体组织，而马氏体具有较大的裂纹敏感性，加之PG4钢轨与其他钢轨相比较韧性较差、裂纹扩展速率相对较快，导致了PG4钢轨擦伤快速发展为核伤并导致钢轨脆断。因此，擦伤时的高温是造成PG4钢轨脆断的主要诱因。

5 钢轨擦伤的监控及处理手段

5.1 牢固树立PG4钢轨擦伤就意味着断轨的意识

通过对PG4钢轨多起擦伤情况的现场分析，由于其特有的性能决定了伤损的迅速发展，短则数小时就会发生脆断。因此，要牢固树立擦伤就意味着断轨的意识，不得掉以轻心，特别是针对擦伤程度轻微地段，也要及时作出处理，并要有计划进行更换，防止伤损扩散造成断轨。

5.2 建立有效防控联络机制

钢轨的擦伤主要是由于机车功率不足，牵引过程中车轮空转，还有就是司机操作不当，紧急制动车轮滑行，因此从源头上卡控擦伤的影响显得尤为重要。所以说，首先要加大与机务段联系，建立钢轨擦伤相互沟通机制，机务段与工务段都要定部门、定专人负责此事，加强信息沟通，保证第一时间掌握擦伤信息。其次，机务段要加大对司机操作的培训，减少人为因素造成的钢轨擦伤，如发现操作中车轮空转、采取紧急制动等情况，要立即向工务段提供可能发生擦伤的具体地点位置，由工务段及时安排进行现场检查，确保现场情况及时发现，及时处理。

对于长大坡道、区间停车标、曾经发生过擦伤等易发生擦伤的地段，工务段及车间要建立台账，线路车间在日常巡检中要当作重点地段来巡视，探伤作业通过时，要密切注意钢轨状态，保证擦伤病害的及时发现。

5.3 钢轨擦伤后的处理

经现场检查确认钢轨擦伤后，要立即进行处理。对PG4钢轨擦伤的判定不能再以《铁路线路修理规则》中对擦伤轻、重伤标准来判别。《铁路线路修理规则》中规定“线路允许速度小于等于120 km/h的轨顶面擦伤，轻伤标准为深度超过1 mm；重伤标准为深度超过2 mm”，而PG4钢轨多数擦伤虽未达到重伤标准，甚至未达到轻伤时，擦伤处轨顶面下已形成核伤。因此，我们要采取“严格”的标准对待PG4钢轨擦伤的处理。

1)打磨钢轨处理。

打磨处理主要针对擦伤程度较轻，一般对于PG4钢轨来说，未达到轻伤标准，擦伤深度在1 mm以下时，采取打磨方式进行处理。采用打磨机进行擦伤面的打磨处理时，要保证打磨处所出现新的钢轨晶体组织，将擦伤表面的马氏体组织及细小裂纹清除干净，彻底清除裂纹源。如擦伤处所已形成核伤，则需及时安排进行更换处理。

2)更换钢轨处理。

当擦伤深度较深，对于PG4钢轨来说，达到轻伤标准1 mm以上时，虽然为轻伤，但由于PG4钢轨的特性，打磨处理已不能够解决裂纹源的问题，只能作为临时处理方式，打磨后做好临时加固，密切监控伤损的发展，在后续48 h内要及时安排更换钢轨处理。如擦伤深度达到2 mm及以上时，钢轨随时都有脆断的可能，必须及时安排进行换轨处理。

5.4 建立严密探伤监控制度

5.4.1 探伤现场伤损监控

在探伤监控手段上，当现场发现PG4钢轨有擦伤时，探伤作业人员要立即进行逐处复核。探测时，一是要提高增益、放慢速度，注意调整70°探头的位置，发现异常波形及时用多种方法进行校对(侧校、鄂校)；二是要加大水量，提高探头的耦合度，确保仪器波形显示完整。

对于探伤检测波形异常地段，探伤车间要将存在伤损的处所精确定位，由线路车间及时安排打磨处理。打磨后，由探伤车间进行再次复探，对仍存在异常波形的处所，由线路车间安排换轨处理。对于一时无法处理的处所，由线路车间采取临时加固的措施，并派人不间断巡视，直至进行换轨处理。在此期间，探伤车间保证不少于24 h进行一次探测，密切注意伤损的发展。

5.4.2 探伤数据回放对比分析

在探伤现场探测后，要立即将数据进行回传，由三级回放人员分别进行回放对比分析。同时，各级回放人员要结合现场伤损判别情况，分析伤损发展趋势，加大对伤损发展的监控，如发现伤损有发展迹象时，要立即通知探伤现场监控人员，必要时要缩短复查时间，加密探测频次，对发展速率明显加快的处所要立即进行上报，由线路车间组织及时进行换轨处理。

6 结语

重载线路较之于普通线路由于列车轴重大，更容易产生钢轨擦伤，且PG4钢轨是重载线路主要钢轨材质，我们通过以上一系列加强措施，使得每次擦伤后，伤损的发展均在监控范围以内，有效地杜绝了断轨隐患的发生，取得了良好效果。

[1] 铁运[2006]200号，钢轨探伤管理规则[Z].

[2] TB/T 2340—2012,钢轨超声波探伤仪[S].

[3] TB/T 2658.9—1995,工务作业标准钢轨超声波探伤作业[S].

[4] 钢轨探伤工[M].北京：中国铁道出版社,2010.

[5] 钢轨失效分析伤损图谱[M].北京：中国铁道出版社,2010.

[6] 铁路线路修理规则[M].北京：中国铁道出版社,2006.

[7] 张银花，周清跃，陈朝阳，等.重载铁路高强钢轨的试验研究[J].中国铁道科学,2010，31(4)：20-26.

On monitoring strategies for PG4 rail burns under heavy loading

Chai Zhiqiang

(DatongTrackMaintenanceDivision,Datong-QinhuangdaoRailwayCo,Ltd,Datong037005,China)

Combining with the engineering cases, the paper analyzes the features of broken rails of PG4 rail burn under the heavy loading and its reasons, and illustrates the monitoring over the rail burn and treatment from the establishment of the effective prevention and control liaison mechanism, construction of burn monitoring regulation, and comparative analysis of the burn data, so as to avoid the hidden hazards of broken rails and ensure the safety of the traffic.

heaving loading, PG4 rail, broken rail, monitoring regulation

1009-6825(2017)21-0118-03

2017-05-17

柴志强(1979- ),男，工程师

U213.4

A