高速铁路钢轨预防性打磨周期研究

田常海,张 金,俞 喆,梁 旭,周韶博,张训全

(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)

引言

我国高速铁路自开通以来，通过轮轨关系的深化研究，结合钢轨和道岔打磨车性能，提出了我国高速铁路60 kg/m钢轨(以下简称“60轨”)打磨目标廓形-设计廓形60D(线路仅运行动车组)或60N(线路既运行动车组又运行普通客车及铺设60N钢轨的线路钢轨按目标廓形60N打磨)[1-2]，中国铁道科学研究院金属及化学研究所指导了京沪[3]、哈大、京广等高铁60 kg/m钢轨和60N钢轨预打磨，通过2010年至2014年成功整治动车组异常振动的钢轨打磨实践[4-6]，初步形成了我国高铁钢轨和道岔打磨技术[7-8]及打磨验收标准[9-11]。

我国高速铁路钢轨和道岔打磨分为预打磨、预防性打磨及修理性打磨[10-11]。预打磨是对铺设上道新钢轨的打磨，预打磨后应对钢轨进行周期性的预防性打磨，对已产生病害钢轨应及时进行修理性打磨。

日本高速铁路更换新钢轨一年内进行钢轨预打磨，打磨深度为0.3 mm。钢轨预防性打磨周期以累计通过总质量或年为指标[6，12]，每通过总质量30～80 Mt打磨1次，环境质量较高地段每通过总质量30 Mt打磨1遍，既，每年打磨1遍，其他地段每通过总质量60～80 Mt打磨1次，大约是每2年1次；法国高速铁路钢轨铺设上道正式开通前用打磨列车打磨，随后根据线路状态进行不定期预防性打磨，主要是磨去被高速行驶列车溅起的道砟对钢轨造成的伤损以及磨去钢轨表面疲劳伤损，最严重地段每年最多打磨1次，每次打磨钢轨深度为0.1 mm[6，12]；自1991年德国汉诺威—维尔茨堡、曼海姆—斯图加特两条客货混运高速铁路投入运营后，每年使用被动式快速打磨车打磨2～4次，每次打磨深度0.1 mm，每4年对钢轨进行1次修理廓形打磨[6，12]。

在我国高速铁路运营初期，钢轨预打磨后还没有经历完整预防性打磨周期，只能借鉴国外钢轨预防性打磨周期制定我国高速铁路钢轨预防性打磨周期，2012年发布的《高速铁路无砟轨道线路维修规则》规定[11]：已开通运营的高速铁路，预防性打磨周期按通过总质量和运行状态确定，原则上每30～50 Mt通过总质量进行1次钢轨预防性打磨，一般不宜超过2年。文献[10]引用了上述规定。

图1 京石高铁上行K65+200钢轨实测廓形与设计廓形60D及60轨标准廓形比较和宏观形貌

尽管我国高速铁路使用的钢轨打磨车与国外基本相同，但我国高速铁路轨道结构、运行车辆类型、维修体系及管理与国外高速铁路差异较大。例如，法国高速铁路为有砟轨道，我国高速铁路主要为无砟轨道，法国预防性打磨周期每年打磨1遍，主要打磨道砟对钢轨造成的伤损，我国基本不存在此类情况；德国高速铁路为客货混运，而我国高速铁路大多数线路只运行动车组，少数线路运行动车组和普通客车，客货混运对钢轨造成损伤较动车组对钢轨造成损伤严重得多。我国的路情决定我国高速铁路预防性打磨周期不可能照搬国外高速铁路钢轨预防性打磨周期。

通过对按打磨目标廓形-设计廓形60D及60N预打磨(或修理性打磨)后多条高速铁路钢轨轨头廓形、磨耗、硬度和焊接接头平直度及轨头宏观形貌观测研究结合仿真分析，研究获得我国高速铁路钢轨预防性打磨周期。

1 60 kg/m钢轨按设计廓形60D预打磨后轨头廓形和光带变化

2012年9月，课题组指导了京石高铁钢轨预打磨，上、下行铺设60轨(除下行有15 km线路铺设60N钢轨，打磨目标廓形为60N)打磨目标廓形为设计廓形60D，针对北京局GMC-96B型钢轨打磨车性能，进行了打磨程序调试，获得了预打磨工艺，打磨遍数为2遍，9月—10月间按设计廓形60D进行了京石高铁全线预打磨，2012底开通运营，运营后每半年进行1次观测，观测项目包括钢轨廓形、硬度、波磨和焊接接头平直度。

京石高铁2012年9月预打磨后于2012年年底开通运营，2017年至2018年进行了第一次钢轨预防性打磨，期间未发生动车组构架横向加速度报警、晃车和抖车现象。

图1为2013年7月和2017年6月测试的京石高铁上行K65+200位置钢轨廓形和宏观形貌。测试结果表明：(1)钢轨预打磨廓形与设计廓形60D吻合，竖向偏差满足标准[9]要求；(2)经过4年半时间运营，钢轨实测廓形趋向60轨标准廓形，在轮轨接触区域实测廓形与60轨标准廓形竖向偏差在0.2 mm内；(3)钢轨宏观上没有疲劳裂纹、波磨等伤损，钢轨光带宽度由预打磨后22 mm发展到40 mm。

2012年5月—7月，课题组指导了哈大高铁钢轨预打磨，哈大高铁铺设60轨，打磨目标廓形为设计廓形60D，针对北京局GMC-96B型和广铁集团公司GMC-96X型钢轨打磨车进行了打磨程序调试，分别获得了预打磨工艺，打磨遍数均为2遍，5月—7月间按设计廓形60D进行了全线预打磨，运营后每年进行1次观测。

哈大高铁预打磨后于2012年12月1日开通运营，严格按设计廓形60D进行预打磨的上行K332～K366地段2014年11月使用快速打磨车进行了均匀性打磨，2017年9月后进行了第一次预防性打磨，上行K332～K366地段预打磨至预防性打磨期间没有发生动车组构架横向加速度报警、晃车和抖车现象。

图2为2012年5月和2017年7月测试的哈大高铁下行K365+900位置钢轨廓形和宏观形貌。测试结果表明：(1)哈大高铁钢轨预打磨廓形与设计廓形60D吻合，竖向偏差满足标准[9]要求；(2)经过4年零8个月时间运营，哈大高铁钢轨实测廓形趋向60轨标准廓形，在轮轨接触区域实测廓形与60轨标准廓形竖向偏差在0.2 mm内；(3)钢轨宏观上没有疲劳裂纹、波磨等伤损，钢轨光带宽度由预打磨后23 mm发展到39 mm。

图2 哈大高铁下行K365+900钢轨廓形与设计廓形60D及60轨标准廓形比较及宏观形貌

2014年上半年课题组指导了京沪高铁北京局管内线路钢轨修理性打磨，打磨目标廓形为设计廓形60D。2014年打磨后至2019年7月(2019年打磨一半线路，另一半线路2020年打磨)进行第一次京沪高铁北京局管内钢轨预防性打磨，期间没有发生动车组构架横向加速度报警、晃车和抖车现象。2014年3月和2019年5月对京沪高铁下行K209+900进行的钢轨实测廓形与设计廓形60D及60轨标准廓形比较如图3所示。测试结果表明：(1)2014年3月进行的京沪高铁钢轨修理性打磨廓形与设计廓形60D吻合，竖向偏差满足标准[9]要求；(2)经过5年零4个月时间运营，京沪高铁钢轨实测廓形趋向60轨标准廓形，在轮轨接触区域实测廓形与60轨标准廓形竖向偏差在0.4 mm内；(3)钢轨宏观上没有疲劳裂纹、波磨等伤损，钢轨光带宽度由预打磨后23 mm发展到39 mm。

图3 京沪高铁下行K209+900钢轨廓形与设计廓形60D及60轨标准廓形比较

2 60N钢轨按60N标准廓形预打磨后轨头廓形和光带变化

2012年9月，课题组指导了京石高铁下行K63+368～K78+368铺设60N钢轨预打磨，打磨目标廓形为60N钢轨标准廓形，打磨遍数为1～2遍，其中，K63+368～K64+616打磨1遍，K64+616～K74+616打磨2遍。

2012年9月和2017年6月对京石高铁下行K65+200进行的钢轨实测廓形与60N及60轨标准廓形比较见图4，测试结果表明：(1)2012年9月进行的京石高铁钢轨预打磨廓形与60N吻合，竖向偏差满足标准[9]要求；(2)经过4年半时间运营，60N钢轨实测廓形在轮轨接触区域趋向60轨标准廓形，在轨角区域仍趋向60N钢轨标准廓形，在轮轨接触区域实测廓形与60轨标准廓形竖向偏差在0.4 mm内；(3)钢轨宏观上没有疲劳裂纹、波磨等伤损，钢轨光带宽度由预打磨后20 mm发展到36 mm。

图4 京石高铁下行K65+200钢轨廓形与60N及60轨标准廓形比较及钢轨宏观形貌

3 高速铁路钢轨廓形变化及磨耗测试

比较钢轨廓形变化方法是：先后两次测试同一位置钢轨廓形，采用未磨耗区域重合比较廓形的变化，图5为2014年5月—2019年5月京沪高铁下行K209+900左股和2013年7月—2017年6月京石高铁上行K65+200右股钢轨廓形比对情况，从图5中可以看出，打磨后因为轮轨磨耗造成2019年实测的京沪高铁下行K209+900左股、2017年实测的京石高铁上行K65+200右股轮轨接触区域钢轨廓形分别较2014年、2013年有所降低，其他区域完全重合。测试表明：相邻两次打磨期间，高速铁路钢轨廓形改变来自于轮轨接触区域磨耗，轮轨接触区域发生磨耗导致该区域钢轨廓形降低，其他区域廓形不变，宏观上没有发生塑性变形。

图5 京沪高铁和京石高铁钢轨廓形比对情况

京沪高铁下行K209+900位置位于沧州西站最外端道岔约300 m处，2014年3月修理性打磨后至2019年5月间没有进行打磨作业，5年间钢轨轨顶中心最大自然磨耗量为0.38～0.50 mm(表1)，平均自然磨耗量约为0.45 mm，每年自然磨耗量为0.08～0.1 mm，平均每年自然磨耗量约为0.09 mm。

京沪高铁K62+500地段，钢轨预打磨后2011年7月至2018年5月(6年零10个月)钢轨自然磨耗量为0.45～0.80 mm(表1)，平均值为0.58 mm，每年磨耗量为0.07～0.12 mm，平均每年自然磨耗量约为0.09 mm。

表1 京沪高铁钢轨自然磨耗量

京石高铁K64+800及K65+200地段，上行按设计廓形60D进行钢轨预打磨后，2012年12月至2017年6月(4.5年)钢轨平均自然磨耗量为0.28 mm(表2)，每年自然磨耗量约为0.06 mm；京石高铁下行60N钢轨按60N标准廓形预打磨后，2012年12月至2017年6月(4.5年)钢轨平均自然磨耗量为0.45 mm(表2)，每年自然磨耗量约为0.07 mm。

京沪高铁和京石高铁钢轨磨耗分析结果与文献[13]测试分析结果基本相同。

本文测试的磨耗仅在高速铁路直线地段。测试表明：(1)按设计廓形60D打磨，京沪和京石高铁钢轨平均每年自然磨耗量分别约为0.09 mm和0.06 mm；(2)按60N廓形打磨，京石高铁钢轨平均每年自然磨耗量约为0.07 mm。

表2 京石高铁钢轨预打磨后4.5年钢轨自然磨耗量

4 60轨和60N钢轨预打磨后硬度变化

由于硬度检测方法简便易行，便携式硬度计携带方便，容易操作，经过校核的便携式硬度计检测结果准确，且不损伤测试设备，金属材料硬度与强度密切相关[14]，因此，通过测试钢轨硬度间接测试钢轨强度，分析钢轨硬度变化推算钢轨强度变化。

2011年至2018年多次进行我国高铁钢轨母材硬度测试，每次测试前均对硬度计进行校核，满足测试标准要求才进行测试。每次至少测试5个点，测试间距大于200 mm，测试区域为钢轨踏面中心。京石高铁和京沪高铁钢轨中心区域布氏硬度测试情况见表3，京石高铁和京沪高铁均铺设U71MnG钢轨，新钢轨布氏硬度范围与文献[15]测试结果相同，为260～300HB，均值约为280HB。分析表3布氏硬度数据：钢轨上道后U71Mn钢轨布氏硬度在257～298HB之间，均值为276HB；京石高铁上行K64+800及K65+200同一位置测试钢轨硬度均值271～276HB，4年上升不足1.9%，综合京沪高铁不同位置硬度随时间增长有升有降情况，并考虑硬度计测试误差，可以认为钢轨硬度基本保持不变；打磨后测试硬度虽然有小幅度下降(均值4%内)与打磨后造成钢轨表面粗糙导致测试值降低有关。

综上所述：(1)京石和京沪高铁U71MnG钢轨布氏硬度在257～298HB间，均值约为276HB；(2)钢轨母材硬度基本保持不变，基本没有发生循环硬化现象。

表3 京石和京沪高铁钢轨中心区域布氏硬度

5 京石高铁钢轨焊接接头平直度变化

钢轨预防性打磨作用除恢复钢轨廓形和预防疲劳伤损外，还需保持线路钢轨平顺，预防钢轨波磨，确保线路钢轨平顺性满足标准要求。研究表明，正常情况下我国高速铁路直线和大半径曲线钢轨不会发生波磨[16]。在焊接接头中平顺性较差的是移动焊接接头。

在2015年和2017年间，使用便携式电子平直尺进行了京石高铁移动接触焊焊接接头平直度测试，选择测试的34个焊接接头进行了统计(图6)，两年期间焊接接头高点变化平均值为-0.006 mm，一年焊接接头高点变化平均值位-0.003 mm。因此，焊接接头高点基本保持不变。

图6 2015年和2017年测试京石高铁K36+006～K41+935地段移动焊接接头平直度比较

6 高速铁路钢轨预防性打磨周期

在打磨技术层面上，钢轨打磨周期一般以通过总质量指标给出；在计划管理方面，钢轨打磨周期以年为单位制定打磨计划；在钢轨状态方面，以光带宽度(或廓形偏差)为依据决定是否进行预防性打磨。

我国高速铁路运行的动车组轴重仅为14～17 t，高速铁路线路钢轨所受的轮轨接触应力较小，京石高铁和京沪高铁钢轨硬度测试表明，钢轨基本没有发生循环硬化现象；分析高速铁路钢轨廓形变化规律表明，钢轨廓形改变来自于轮轨接触区域磨耗，轮轨磨耗导致轮轨接触区域钢轨廓形降低，其他区域廓形不变，宏观上没有发生塑性变形，因此，直线和大半径曲线地段钢轨疲劳问题不是控制预防性钢轨打磨周期的因素。

分析钢轨焊接接头变化表明，钢轨焊接接头高点基本不变，正常情况下我国高速铁路直线和大半径曲线钢轨不会发生波磨[16]，因此，直线和大半径曲线地段钢轨焊接接头平顺性及钢轨波磨问题也不是控制预防性钢轨打磨周期的因素。

控制预防性打磨周期因素主要是轮轨关系，通过钢轨周期性预防性打磨避免动车组出现异常振动。在动车组车轮镟修周期内，车轮发生一定范围的凹磨，只要保持钢轨廓形在合理范围，确保等效锥度在0.08～0.35范围内，就可以避免动车组出现异常振动[6，8]。按目标廓形60D和60N对钢轨进行打磨，当钢轨廓形接近60轨廓形或光带宽度达到40～45 mm以上时动车组易发生构架横向加速度报警[6，8]。课题组跟踪的京石高铁预打磨至第一次预防性打磨时间约为4.5～5.5年，按2018年京石高铁年通过总质量约20 Mt计算，对应累计通过总质量为90～110 Mt；京沪高铁2014年修理性打磨至第一次预防性打磨时间为5.5～6.5年，按2018年京沪高铁北京局管段年通过总质量30 Mt计算，对应累计通过总质量165～195 Mt；哈大高铁上行K332～K366地段预打磨至第一次预防性打磨时间也达到了4.8年，按2018年的年通过总质量12 Mt计算，对应累计通过总质量约60 Mt；根据哈大、京石、京沪高铁打磨试验结果，按打磨年限预防性打磨周期为4.5～6.5年，取较小整年4年作为预防性打磨周期。根据哈大、京石和京沪高铁预防性打磨实践，考虑到我国高铁线路较多，钢轨打磨质量水平参差不齐，廓形控制的差异，按较小的通过总质量作为预防性打磨指标，提出预防性打磨周期按通过总质量为60～90 Mt。根据哈大、京石、京沪等高铁发生动车组异常振动[4，6-8]情况，反映钢轨廓形的光带宽度可作为预防性打磨状态修指标，针对哈大、京石、京沪等高铁第一次预防性打磨时钢轨光带宽度为36～40 mm，提出仅运行动车组的线路，钢轨光带宽度日常应保持在20～40 mm范围，并且宽度均匀，直线区段钢轨光带宽度达到35 mm制定年度打磨计划，光带宽度达到40 mm应及时进行钢轨预防性打磨。我国高速铁路运营里程逐渐增加，2020年底，运营里程已经达到3.8万km，而各局打磨车并没有同步增加，按“每30～50 Mt通过总质量进行一次钢轨预防性打磨，一般不宜超过2年”[10-11]的预防性打磨周期进行打磨不仅不现实，而且没有必要，同时造成打磨资源浪费。

根据轮轨关系、大机打磨能力研究结果，并结合我国高速铁路钢轨打磨实践，提出我国高速铁路预防性打磨周期为：已开通运营的高速铁路，钢轨预防性打磨周期按通过总质量和钢轨运用状态确定；原则上每60～90 Mt通过总质量进行一次钢轨预防性打磨，年通过总质量15 Mt以上线路一般不宜超过4年；仅运行动车组的线路，钢轨光带宽度日常应保持在20～40 mm范围，并且宽度均匀。直线区段钢轨光带宽度达到35 mm制定年度打磨计划，光带宽度达到40 mm应及时进行钢轨预防性打磨。

按60D或60N目标廓形打磨线路钢轨，并满足《高速铁路钢轨与道岔大型机械打磨验收技术规范》，将“每30～50 Mt通过总质量进行一次钢轨预防性打磨，一般不宜超过2年”的预防性打磨周期提高到“每60～90 Mt通过总质量进行一次钢轨预防性打磨，年通过总质量15 Mt以上线路一般不宜超过4年”提高经济效益1～2倍，同时节约大量“天窗点”，极大减轻打磨工作人员晚间上线时间和打磨对周围环境污染，具有极大的社会效益。

7 结论

本文针对我国高速铁路钢轨预防性打磨周期问题，全面测试和分析了按60D和60N目标廓形进行打磨后廓形变化规律、钢轨光带变化、轨顶中心区域母材硬度变化、钢轨焊接接头高点变化，获得了钢轨廓形、磨耗、硬度及焊接接头高点变化规律。在此基础上，结合我国高速铁路轮轨关系研究成果、高速铁路路情及钢轨打磨实践提出了我国高速铁路钢轨预防性打磨周期。得到如下主要结论。

(1)按目标廓形60D或60N进行打磨的线路钢轨经过4.5～6.5年时间运营，钢轨实测廓形趋向60轨标准廓形；按目标廓形60D打磨后光带宽度从22～23 mm发展到39～40 mm，按目标廓形60N打磨后光带宽度从20 mm发展到36 mm。

(2)相邻两次打磨期间，只运行动车组高速铁路钢轨廓形改变来自于轮轨接触区域磨耗，非轮轨接触区域廓形不变，宏观上没有发生塑性变形，也没有疲劳裂纹伤损。京沪高铁和京石高铁钢轨平均每年自然磨耗量分别为0.09 mm和0.06～0.07 mm。

(3)京石高铁和京沪高铁U71Mn钢轨布氏硬度在257～298HB之间，均值约为276HB；钢轨母材硬度基本保持不变，基本没有发生循环硬化现象。

(4)京石高铁预打磨后至预防性打磨前，焊接接头高点基本保持不变。

(5)提出我国高速铁路钢轨预防性打磨周期为：钢轨预防性打磨周期按通过总质量和钢轨运用状态确定。原则上每60～90 Mt通过总质量进行一次钢轨预防性打磨，年通过总质量15 Mt以上线路一般不宜超过4年，仅运行动车组的线路，钢轨光带宽度达到40 mm应及时进行钢轨预防性打磨。