大准铁路线路设备寿命管理与分析

路宜驰 张建民 石江河

（神华新朔铁路有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

大准铁路于 1990 年 7 月 17 日开工建设，1997 年11月19日全线开通，是全国首条开行万吨重载列车的单线电气化铁路［1］。东起山西省大同东站，西至内蒙古自治区鄂尔多斯市薛家湾站，正线全长264 km，运营里程302 km，最小曲线半径为400 m，限制坡度上行线4‰，下行线9‰，点支线12‰［2］。大准铁路沿线地形起伏大，高填方和深挖方路段多，小半径曲线和长大坡道较多。随着运量逐年增加，线路设备使用寿命在迅速降低，如何加强线路设备寿命管理已经成为亟待研究的课题。

为了解大准铁路实际轮轨动态作用特点，同时为延长钢轨使用寿命的理论研究提供数据支持，对大准铁路小半径曲线、长大坡道等典型地段钢轨进行长期观测，并对测量结果进行统计分析。

1 钢轨磨耗和伤损情况调查

选取4 条典型的曲线轨道和1 段直线长大坡道进行钢轨磨耗测量。每条曲线轨道上均分别选取磨耗或剥离掉块严重和相对较轻的断面，直线上选取3～5个断面。测量结果表明：

1）对于曲线半径R=400，500 m这种半径较小的曲线地段，外轨侧磨比较明显，严重处达到10 mm 左右。外轨顶面的垂直磨耗相对较小，为1～5 mm。

2）对于R≥800 m这种半径较大的曲线地段，外轨侧磨比小半径曲线地段明显减小。外轨顶面的垂直磨耗不超过5 mm。

3）对于各种半径的曲线内轨，无论是磨耗严重的断面还是磨耗相对较轻的断面，其侧面磨耗均较小，不超过3 mm。顶面的垂直磨耗相对较大，为2～6 mm。

4）对于长大坡道直线段，钢轨的磨耗较曲线轨道明显小很多，且主要体现在顶面的垂直磨耗上。

为深入了解钢轨伤损与磨耗间的关系，掌握伤损钢轨特别是重伤钢轨的伤损类型、数量、分布情况，对大准铁路2018年全年累计钢轨伤损进行统计，分析磨耗伤损钢轨与线路参数间的关系。

1.1 重伤钢轨的伤损类型与分布

大准铁路2018 年全年共更换伤损钢轨437 根，伤损类型分布见表1。可知，轨端或轨顶剥落掉块、轨头内部裂纹、钢轨表面裂纹是钢轨重伤的主要类型，这3类伤损占总数的78.7%。

表1 大准铁路2018年更换伤损钢轨统计

437根重伤钢轨在各区间的分布见图1。可知，伤损主要集中在燕庄—丹洲营、丹洲营—九苏木等超期服役地段以及点岱沟—南坪、点岱沟—唐公塔运量较大的单线地段。

图1 重伤钢轨在各区间的分布

1.2 重伤钢轨在直线和曲线地段的分布

437 根重伤钢轨在直线地段和曲线地段的分布见表2。可知，曲线地段的钢轨伤损率高于直线地段；曲线半径越小，钢轨重伤的伤损率越大。

表2 重伤钢轨在直线和曲线地段的分布

2 轨道结构与参数优化

通过对钢轨磨耗和伤损的分析可知，轨道结构和参数的优化能改善轮轨的接触状态及动态响应，合理配置钢轨、橡胶垫板等轨道主要部件以及曲线线形、超高等轨道参数，可有效减轻小半径曲线钢轨的侧磨，延长钢轨使用寿命［3］。

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2.1 轨道结构配置

重载铁路由于列车编组长、轴重大，轨道结构使用状态容易出现明显的破坏特性。大准铁路建设初期采用60 kg/m 的重型轨道结构，随着运量增加，钢轨顶面裂纹、疲劳伤损明显增加。自2015 年4 月开始逐步更换为75 kg/m 的超重型跨区间无缝线路轨道结构。U75V 钢轨热处理后硬度可达320 HB。在多年的实际使用中，既有U75V 钢轨存在侧磨严重、钢轨重伤率较高等问题，于是在部分地段试铺攀钢集团有限公司生产的PG4钢轨。PG4钢轨为含铬低合金高强耐磨钢轨［4］，是在原U75V钢轨的基础上加入适量的能推迟珠光体转变的合金元素热轧而成。PG4钢轨热处理后硬度可达 370 HB，强度≥1 280 MPa，伸长率≥10%。PG4 钢轨的强度和硬度明显高于U75V 钢轨。在2015年至今的换轨大修中，大准线上的U75V 钢轨已逐步更换为PG4钢轨。

轨枕由原来的Ⅱ型混凝土枕全部更换为Ⅲ型混凝土枕，配置根数为1 667 根/km。在部分R≤600 m 区段，采取设置地锚拉杆、轨撑等加强措施提高线路的稳定性。在曲线上股采用橡胶楔形垫板，用于调整钢轨轨底坡，减缓曲线钢轨侧面磨耗。扣件采用与Ⅲ型混凝土枕配套的Ⅱ型弹条扣件。道床为Ⅰ级道砟。

2.2 曲线参数优化

曲线参数包括曲线半径、曲线长度、缓和曲线长度、转角和超高。曲线参数值设置不当或发生变化时，会引起局部轨道质量指数（Track Quality Index，TQI）的升高，甚至有可能出现轨道动态检测Ⅲ级分或发生晃车现象。根据曲线的设计几何形位，采用GPS+全站仪的测设方式，每隔5 m采集1点线路中心，绘制出完整的实际线路线形；再对曲线半径、转角和缓和曲线长度值进行适当的调整，拟合出一条标准的曲线线形，通过和实际线形对比来计算各点的拨道量；最后通过大机捣固和实施拨道作业，达到优化曲线几何形位和参数的目的。优化后曲线轨道质量明显提高，晃车点和Ⅲ级分明显减少。2014 年至2018年，已累计完成32条小半径曲线的线形优化。此项工作现已下放到各区段检查工区，当曲线地段参数不良时，可随时随地进行调整优化。

在曲线超高优化分析中，分别计算R =400，500，600 m 条件下，C80货车在不同速度、不同超高值下的动力响应，行车速度为70～80 km/h，曲线超高从欠超高-20%至过超高20%不等。通过观察钢轨的磨耗状态发现，曲线超高从均衡超高降低至欠超高时，虽然外轨横向作用力增大，但钢轨磨耗和轮轨冲角都有所降低；在欠超高10%时，与均衡超高相比，钢轨磨耗降低2%，轮轨冲角降低3%左右。因此，曲线超高应优化设置为欠超高，欠超高比例宜取10%～15%。另外，轨距偏差管理值控制在-2 ～0 mm，曲线下股轨底坡调成1∶20，也可以减少轮对的冲击，改善轮轨接触。

3 钢轨打磨制度

大准铁路上行线钢轨使用寿命受制于滚动接触疲劳裂纹和磨耗。疲劳裂纹影响钢轨探伤、轮轨运行状态，增加养护维修成本，缩短钢轨使用寿命，甚至引起断轨。磨耗特别是曲线外轨侧磨则导致钢轨过早下道。钢轨和轮缘磨耗加剧，会增加轨道和车辆轮毂的养护维修工作量，并且需占用天窗，影响生产运输［5］。随着铁路运量的持续增加和万吨列车的开行，钢轨伤损的范围也在扩大，从小半径曲线到较大半径曲线，钢轨伤损率都在上升，因此需要采用现代化的钢轨养修技术。钢轨打磨可以清除钢轨表面已经发生疲劳的金属层，阻断微裂纹向钢轨深处发展，恢复与车轮型面的良好匹配，得到接触应力较小的钢轨型面，从而延缓钢轨滚动接触疲劳和磨耗伤损的发展，延长钢轨使用寿命，降低管理和日常养护成本［6-7］。

引起钢轨轨面出现裂纹的因素包括轴重、钢轨材质、轨道结构、轮轨接触情况等。要判断典型小半径曲线钢轨疲劳裂纹萌生寿命就要从这些方面入手，确定疲劳裂纹萌生和通过总质量的关系。在大准铁路选取3～5 条不同半径的曲线轨道进行观测，发现新轨铺设后，如未进行预打磨等表面处理措施，经过几小时车轮碾压，新轨表面锈蚀层被磨损，出现轮轨接触带，表面锈蚀层在不断累积的轮轨滚动接触中逐渐被磨损。在沿列车运行的纵向，一般轨头内侧首先受磨，钢轨顶面磨损存在一定的不均匀性。因此，新轨上道后，须进行预打磨，消除新轨表面的锈蚀层、轧制的脱碳层、原始硬弯以及制造公差，使轨头表面处于良好的状态［8-9］。

当累计通过总质量为5～10 Mt 时，钢轨疲劳裂纹在钢轨表面开始萌生，在轨头内侧发展成肉眼可见的、较为密集的斜裂纹，触摸有粗糙感，并伴随有较小的剥离掉块。

当累计通过总质量达到100 Mt 时，轨头内侧仍然保持密集的短细斜裂纹，钢轨顶面形成长斜裂纹并且互相连接，在一些地段形成严重的、露出轨头金属层的剥离掉块。

当累计通过总质量达到200 Mt 时，钢轨顶面裂纹和剥离掉块被轮轨磨耗所控制，裂纹被压紧，掉块地带被磨损，裂纹不再明显地快速发展，外侧边出现较严重的金属剥离层。

因此，在新轨上道后，累计通过总质量15～25 Mt时，需进行一次预防性打磨。累计通过总质量达到100 Mt 时，需进行修理性打磨，打磨量根据现场实际钢轨伤损、表面不平顺度、波磨深度等确定。按照钢轨廓形设计，将轨头打磨成预先设定好的目标形状，使钢轨头部与车轮踏面完全匹配，保证良好的接触状态，从而减少钢轨磨耗，抑制钢轨伤损的形成和发展。

4 检养修分开制度

检养修分开制度是将检修任务细化，各车间按照各自功能分别承担不同的生产任务，从而加强线路寿命管理［10-11］。“检”分为动态检测和静态检查。动态检测即检测线路不平顺的动态质量，包括轨道检查车每月对大准铁路线检测2 次、车载添乘仪每日检查及人工定期添乘检查。静态检查即检查轨道静态几何尺寸，通过人工徒步检查或轨道检查仪检测。“养”即线路养护，主要是区段、线桥工区采用内燃捣镐、螺栓机等小型养路机械进行日常维护，通过不间断的养护作业使线路保持良好的技术状态。“修”即综合维修，主要是指在天窗内进行大型机械维修作业。推行计划修+状态修的维修模式，对重车线、空车线曲线地段实行计划修，对空车线直线地段、轨检车检测3年内轨道动态检测未出分地段及其他线路实行状态修。利用每年春秋季的集中修对全段正线、道岔进行大型机械捣固。

近年来，大准铁路公司工务段不断探索检养修分开模式，由以往的线路工区作为基本生产单元转化为由车间作为生产主体。从2016 年开始整合轨检车和检查工区资源，成立了轨道检查监控室，负责动态检测和静态检查，并根据每月检查结果下达下个月的维修计划。通过职能分工减轻了线桥工区的工作负担，使其主要精力转移到维修作业上。充分发挥了轨道检查监控室的作用，定期对轨检车、轨检仪等动静态数据进行对比分析，查找轨道动态检测重复出分地段的病害原因，采取针对性的整治措施，对重点区段、重点项目安排重点整修［12］，使动静态检测数据更好地发挥了指导作用。

实行检养修分开制度后，线路设备质量明显提高，大准铁路轨道优良率一直保持在98%以上，TQI值控制在10以内，有效地延长了线路设备使用寿命。

5 结语

大准铁路钢轨伤损主要发生在曲线地段，而且曲线半径越小，钢轨重伤的伤损率越大。全面了解钢轨上道后的运行状态，对钢轨磨耗和伤损发展情况进行分析后，确定了一系列措施，包括适时改善轨道结构和优化曲线参数，按周期进行钢轨打磨，持续推行检养修分开制度等，有效地延长了线路设备使用寿命。建议继续深入研究各项管理措施和技术手段，力争实现线路设备寿命的最大化。