普速铁路钢轨伤损的分布规律

田常海 张金 俞喆 李闯 梁旭 林云蕾

（中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081）

钢轨伤损主要与钢轨材质、钢轨焊接、列车轴重、运行速度、轨下基础弹性、养护维修等因素有关。由于影响因素较多，在钢轨伤损前很难使用解析方法预测和评估，只能使用统计、拟合、概率方法等预测钢轨伤损［1-2］。

为确保铁路行车安全，必须掌握钢轨伤损发生发展规律和主要伤损类型，研究钢轨伤损分布规律。课题组依据上海局提供的2004—2016年上海局管内京沪线、沪杭线及全局普速铁路钢轨伤损数据，统计分析钢轨伤损类型、分布及伤损规律。

1 普速铁路干线钢轨伤损分析地段

依据上海局提供的近年钢轨铺设及下道情况，选择2004年上道至2016年前下道钢轨进行伤损统计，结果见表1。京沪线钢轨达到了目前规定的钢轨大修周期，沪杭线钢轨还未达到钢轨大修周期［3］。

表1 钢轨伤损分析区段

2 钢轨主要伤损类型及其分布特点

经过多年钢轨失效分析工作，形成了我国铁路钢轨伤损图谱［4］。钢轨伤损分为母材伤损、焊接伤损、使用过程中造成的擦伤等。母材伤损主要分为核伤和孔裂［5］。核伤主要包括白核、黑核、鱼鳞纹、轨头垂直或水平裂纹。焊接伤损分为铝热焊伤损、气压焊伤损和接触焊伤损。

对钢轨核伤的研究较多［6-9］。核伤在未发展到外表面时肉眼不可见，端口呈白色，称“白核”；已扩展到外表面时，因氧化变为黑色，称“黑核”。

根据上海局提供的钢轨库、伤损库、曲线库、运量库以及2004—2016年间上道及下道钢轨情况，对局管内京沪线和沪杭线及全局普速铁路钢轨伤损进行了伤损类型统计和对比分析。结果表明：①京沪线主要伤损为焊接伤损、核伤和孔裂，约占总伤损的50%，21%和20%；沪杭线主要伤损为孔裂、核伤和焊接伤损，约占总伤损的44%，33%和18%。②全局无缝线路主要伤损为核伤、孔裂、焊接伤损、擦伤及其他伤损，分别占总伤损的27%，28%，25%，5%和15%。③全局无缝线路核伤占比由2002年的34%下降到2014年的27%、焊接伤损占比由2002年的30%下降到2014年的25%。虽然京沪线焊接伤损达到了总伤损的1/2，但从全局看焊接质量和养护维修水平显著提高。④2014年全局无缝线路钢轨轨头、轨腰和轨底伤损约占总伤损的25%，30%和45%，钢轨伤损主要发生在接头区域，约占总伤损的95%。⑤2014年上海局全局无缝线路钢轨核伤中白核、黑核、鱼鳞纹、轨头垂直或水平裂纹分别占总伤损的4%，11%，7%和5%。⑥2014年全局无缝线路钢轨孔裂伤损主要是胶结绝缘接头伤损，约占64%，普通孔裂伤损约占36%。⑦2014年全局无缝线路钢轨焊接伤损主要是铝热焊伤损和气压焊伤损，分别占总焊接伤损的72%和24%，接触焊伤损仅占总焊接伤损的4%。因此，可提高铝热焊和气压焊的焊接质量以及胶结绝缘接头质量，减小焊接伤损和孔裂；按目标廓形对钢轨进行周期性打磨，减少钢轨核伤。

3 钢轨伤损随季节的变化规律

按月份统计2010—2014年上海局管辖的无缝线路钢轨伤损（见表2），发现孔裂伤损、焊接伤损和总伤损量均随月份同步变化，冬季（12月—次年2月）钢轨伤损占全年总伤损的31%，夏季（6—8月）钢轨伤损占全年总伤损的17%，冬季钢轨伤损率是夏季的1.8倍。建议冬季加强钢轨探伤。

表2 2010—2014年上海局管辖的无缝线路月份钢轨伤损占比 %

4 站区线路和区间线路钢轨伤损量

站区线路为车站两端最远信号机之间的线路区域，站区线路因包含大量道岔是铁路线路的薄弱环节。对于普速铁路60 kg/m钢轨在站区线路和区间线路伤损量还没有准确数据。利用上海局提供的钢轨、伤损、运量等数据库，将站区线路和区间线路钢轨伤损量分开统计。结果表明：京沪线累计通过总质量7.00～7.89亿t时，站区线路每公里钢轨平均伤损量为7.79处，区间线路每公里钢轨平均伤损量为1.20处，站区线路每公里钢轨平均伤损量约为区间线路的6.5倍。

大秦重载线茶坞工务段管辖地段平均站间距约30 km［5］，站区线路长度一般在2 km左右。当站间距较大时，虽然站区线路钢轨伤损量较高，由于区间线路长度远远大于站区线路长度（区间线路长度与站区线路长度之比约14∶1），所以包含站区与区间的线路钢轨平均伤损量与区间线路的钢轨平均伤损量相差不大。蚌埠工务段管辖的京沪线曹山站（K833+409）—担子站（K1 102+682），长269.273 km，车站26个，平均站间距10.771 km，站区线路长度一般在2 km左右，区间线路长度与站区线路长度之比约为4︰1。站区线路钢轨伤损量较高导致包含站区和区间的线路钢轨平均伤损量与区间线路钢轨平均伤损量相差较大。可以计算出包含站区和区间的线路每公里钢轨平均伤损量为2.54处，区间线路每公里钢轨平均伤损量为1.20处，前者约为后者的2.1倍。

京沪线各地段每公里钢轨伤损量与累计通过总质量关系曲线见图1。可见：①每公里钢轨伤损量与累计通过总质量呈二次函数关系，每公里钢轨伤损量随累计通过总质量增加而增加，不存在突变点；②累计通过总质量7.0～7.9亿t时，每公里钢轨伤损量为1.72～4.22处，平均值约2.54处。

图1 京沪线每公里钢轨伤损量与累计通过总质量关系曲线

5 钢轨磨耗情况

2016年6月课题组对京沪线上行K177+000附近直线地段钢轨进行了现场测试。该段钢轨材质为U71Mn，2003年铺设上道，截止2016年6月累计通过总质量约7.55亿t。将该段钢轨实测廓形与标准廓形对比可得，左、右股钢轨垂磨量分别为3.58，3.75 mm，均值为3.67 mm。下行K135+000附近直线地段U71Mn钢轨垂磨量约4.5 mm，对应累计通过总质量为10.5亿t。由于京沪线进行了钢轨打磨，因此钢轨自然磨耗量（不含打磨量）应小于测试值。累计通过总质量8～10亿t时钢轨垂磨量（含钢轨打磨量）约3.5～4.5 mm，远未达到钢轨垂磨重伤标准11 mm。

6 结论

依据上海局管内京沪线和沪杭线2004—2016年上道及下道钢轨伤损数据，对钢轨伤损率进行全面统计分析。得到主要结论如下：

1）京沪线主要伤损为焊接伤损、核伤和孔裂，约占总伤损的50%，21%和20%；沪杭线主要伤损为孔裂、核伤和焊接伤损，约占总伤损的44%，33%和18%；与2002年相比，2014年上海局全局无缝线路焊接伤损和核伤占比下降5%～7%，从全局来看焊接质量和养护维修水平显著提高。

钢轨伤损主要发生在接头区域，孔裂伤损主要是胶结绝缘接头伤损，焊接伤损主要是铝热焊和气压焊伤损。可提高铝热焊和气压焊的焊接质量及胶结绝缘接头质量，减少焊接伤损和孔裂；按目标廓形对钢轨进行周期性打磨，减少钢轨核伤。

2）冬季钢轨伤损率是夏季的1.8倍。建议冬季加强钢轨探伤。

3）站区线路每公里钢轨平均伤损量约为区间线路的6.5倍，包含站区和区间的线路每公里钢轨平均伤损量约为区间线路的2.1倍。

4）每公里钢轨伤损量与累计通过总质量呈二次函数关系，每公里钢轨伤损量随累计通过总质量增加而增加，不存在突变点。累计通过总质量8～10亿t时钢轨垂磨量约3.5～4.5 mm，远未达到钢轨垂磨重伤标准11 mm。