P60N型钢轨的地铁服役效果试验研究

向世雄 梁进学 薛晨红 周剑华 郑建国

(1.武汉地铁运营有限公司，430030，武汉；2.宝钢股份中央研究院(青山)，430080，武汉∥第一作者，工程师)

1 背景与现状分析

武汉地铁2号线(以下简称“2号线”)一期工程，于2012年12月28日开通试运营。其正线全长为27.73 km，最大坡度为35‰，采用的是P60型钢轨；车辆类型为B型车，车轮踏面采用的是LM磨耗型踏面。

2号线开通试运营初期，正线钢轨服役状态正常，而9个月后在广埠屯站—虎泉站、常青花园站—长港路站等区间的钢轨陆续出现了轨面点状、带状剥离掉块及轨距角条状拉痕等伤损。伤损出现的区域包括直线、曲线，无明显发展规律。钢轨典型伤损形貌见图1。

a)带状剥离掉块

对上述伤损钢轨进行取样检验。由检验结果知：钢轨的化学成分、拉伸性能、金相组织等各项性能指标均满足铁道行业标准(TB/T 2344.1—2020)的要求。经分析认为：钢轨出现剥离掉块为滚动接触疲劳伤损[1]，与轮轨接触状态关系密切。

针对我国铁路P60型钢轨与多种型面车轮混用，以及钢轨轨面接触疲劳伤损的现状，为改善轮轨接触关系，文献[2]从P60N型钢轨的廓形设计原理，与LM磨耗型踏面车轮接触时的接触应力和等效锥度仿真计算，以及在客货混运铁路和高速铁路上的试用试验等方面，开展了研究工作。研究表明，P60N型钢轨因轮轨接触点更靠近轨顶踏面中心，可明显改善轮轨接触关系，减少了接触应力，从而减缓钢轨接触疲劳伤损的产生和发展。

本文开展了在地铁服役环境下P60N型钢轨对轮轨接触关系改善方面的实践研究。

2 P60N型钢轨试用及效果

P60N型钢轨与P60型钢轨相比较，只对距轨头踏面14.2 mm以内的轨头圆弧半径进行了优化，即从P60型钢轨的三段圆弧(R13 mm、R80 mm和R300 mm)调整为四段圆弧(R8 mm、R16 mm、R60 mm和R200 mm)。两者在距轨头踏面14.2 mm以下的尺寸完全相同。两种型号钢轨轨头廓形见图2。在材质、化学成分以及制造工艺等方面均未作调整。

尺寸单位：mm

为对比两种型号的钢轨廓形服役效果，选取了轨面剥离掉块较严重的2号线小龟山站—洪山广场站下行JD 34小半径曲线上股作为试验段。开展了P60N型钢轨的试用试验，以考察对钢轨滚动接触疲劳的改善效果。

2.1 试验段基本情况

该区段曲线半径为350 m，曲线长度为264 m，坡度为-18.5‰，线路既有钢轨为热轧U75V的P60型钢轨。2015年10月25日—29日，将曲线上股200 m既有钢轨更换为P60N型钢轨，并保持原线路轨底坡不变[3]。

既有钢轨下道时服役近3年，钢轨轨距角剥离掉块伤损严重，如图3所示。钢轨最大垂磨量为1.15 mm，最大侧磨量为5.52 mm，如图4所示。

图3 既有P60型钢轨下道时的轨面状态

图4 既有P60型钢轨下道时的廓形

试验段P60N型钢轨上道后，分别在圆曲线和缓和曲线设置了跟踪观测点，从2015年11月至2021年10月定期对轮轨接触面状态、钢轨硬度以及磨耗情况开展观测。铺设至今，除进行电动客车轮缘润滑外，未采取打磨、铣磨等其他轨面治理措施。

2.2 P60N型钢轨轨面状态

P60N型钢轨服役6年，除有25 m的钢轨轮轨接触面存在轻微无刺手感鱼鳞纹外，其他轮轨接触面均光洁、无剥离掉块。圆曲线与缓和曲线光带均靠近钢轨内侧，光带宽度约为40 mm，见图5。对比该区段使用3年的P60型钢轨，虽然P60N型服役年限是P60型钢轨的2倍，但其轨面状态明显优于P60。

图5 P60N型钢轨服役6年后的轨面状态

2.3 P60N型钢轨轨面加工硬化率变化规律

P60N型钢轨在地铁服役过程中，在轮轨接触应力的作用下，表层金属会发生塑性变形；随着塑性变形的不断累积，表层金属会发生加工硬化，当加工硬化达到一定程度后，表层金属容易产生微裂纹[4]。同时，由于轮轨之间的接触摩擦，钢轨表层金属不断被磨耗，当钢轨的磨耗速率大于钢轨的加工硬化速率，其表面硬度会降低，反之硬度会增加。

采用便携式硬度计对跟踪点钢轨的踏面和轨距角硬度进行定期测量，每个跟踪点测5个有效值并取平均值。对比P60N型钢轨服役6年的轨面硬度值，圆曲线测点踏面、轨距角硬度分别从 291 HB和323 HB增至320 HB和363 HB，硬化率分别为10.0%和12.4%(圆曲线P60N型钢轨加工硬化率变化规律见图6)；缓和曲线测点踏面、轨距角硬度分别从306HB和331HB增加至315HB和369HB，硬化率分别为2.9%和11.5%(缓和曲线P60N型钢轨加工硬化率变化规律见图7)。

图6 圆曲线P60N型钢轨加工硬化率变化规律

图7 缓和曲线P60N型钢轨加工硬化率变化规律

从图6和图7可以看出，圆曲线与缓和曲线钢轨的加工硬化率变化规律基本相同。因为圆曲线与缓和曲线段轮轨接触均靠近钢轨内侧，钢轨踏面的加工硬化轻微，轨距角的加工硬化相对严重。在钢轨服役9至11个月时，轨距角的硬化率达到最大值，之后不断降低;使用2年时，钢轨轨顶面硬化率基本趋于稳定，说明轮轨接触状态良好，钢轨磨耗和硬化达到平衡状态，钢轨不容易出现鱼鳞纹等疲劳伤损。

2.4 P60N型钢轨磨耗变化规律

采用RM2012W钢轨磨耗测量仪对P60N型钢轨上道至服役6个月的磨耗进行测量，侧磨发展速度相对较快直至侧磨达1.4 mm，后期逐步趋缓。服役6年后圆曲线最大侧磨为3.58 mm，缓和曲线最大侧磨为1.85 mm，圆曲线钢轨侧磨发展略快于缓和曲线，如图8所示。试验段最大垂磨为1.8 mm，位于缓和曲线，略大于圆曲线的1.3 mm。服役 6 年后圆曲线P60N型钢轨廓形见图9。

图8 P60N型钢轨侧磨变化规律

图9 服役6年后圆曲线P60N型钢轨廓形

对比该区段使用3年下道的P60型钢轨，虽然P60N型服役年限是P60型钢轨的2倍，但其侧磨量仅为P60型钢轨的64.86%。说明P60N型钢轨可显著改善小半径曲线地段轮轨接触状态，减少接触应力，减缓钢轨磨耗发展。

2.5 钢轨波磨情况

由于试验段只更换了曲线上股钢轨，而下股既有钢轨已存在一定程度波磨，这加快了试验段P60N型钢轨轻微波磨的形成。采用RMF1100波磨测量小车进行检测，试验段钢轨波磨超限占比分布如图10所示。P60N型钢轨波磨的波长λ为30 mm≤λ<100 mm时超限(限值为0.01 mm)占比为10.1%；波长为100 mm≤λ<300 mm时超限(限值为0.015 mm)占比为20.4%；10 mm≤λ<30 mm、300 mm≤λ<1 000 mm时超限占比分别为1.7%和0.8%。总体来说，试验段钢轨上道6年存在一定波磨，但其发展速率较慢，服役效果理想。

图10 试验段钢轨波磨超限占比分布

3 P60型钢轨仿形打磨成P60N型前后服役效果对比

武汉地铁3号线(以下简称“3号线”)范湖站—菱角湖站小半径曲线段(曲线半径为350 m，曲线长为197 m)列车运行轮轨噪声大，啸叫及晃车现象明显。经测量，该区段行车速度为38 km/h，司乘室噪声值为85 dB，钢轨最大侧磨量为0.6 mm，曲下股光带宽为25～45 mm，曲上股光带宽为27～48 mm，光带分布不均匀，且曲上股鱼鳞纹较严重；缓圆点处下股光带宽为40 mm，偏向工作边一侧，上股光带宽为29 mm。

鉴于2号线P60N型钢轨试验段良好服役效果，同时参考由第三方开发的钢轨廓形打磨策略软件的指导意见，于2021年5月将该曲线上股既有P60型钢轨仿形打磨成P60N型，下股保持P60廓形不变[5]。经过一年的服役观察，司乘室噪声为73 dB，较打磨前降低了12 dB；钢轨最大侧磨量为0.8 mm，曲下股光带宽为25～34 mm，上股光带宽为29～36 mm，光带光亮且分布均匀，轨面无明显鱼鳞纹，轨面状态良好。缓圆点处下股光带宽为26 mm且相对居中，上股光带宽为33 mm。钢轨轨面波磨主要分布于波长100～300 mm，超限占比为1.7%，波磨发展速率慢。

采用miniprof钢轨廓形测量仪测量分析打磨前和打磨仿形为P60N型钢轨服役1年后的轮轨接触关系，如图11、图12。相比较，P60N型钢轨轮轨关系更理想，轮轨接触面增大，减少了轨距角处轮轨接触和剥离掉块等病害。

图11 打磨前轮轨接触关系示意图

图12 打磨使用1年后轮轨接触关系示意图

4 不同线路P60型钢轨与试验段P60N型钢轨服役效果对比

武汉地铁运营线网的正线除2号线试验段采用P60N型钢轨外，其他区域均采用P60型钢轨。经统计，在与P60N型试验段曲线半径(R=350 m)相同，曲线长度、超高、轨底坡等指标相近的情况下，服役年限超过5年的P60型钢轨普遍存在较明显的鱼鳞纹、波磨等疲劳伤损及局部剥离掉块，曲上股最大侧磨普遍在6 mm以上。武汉地铁类似工况条件下钢轨服役效果对比统计见表1。

表1 武汉地铁类似工况条件下钢轨服役效果对比统计表(R=350 m)

相比较而言，2号线是武汉轨道交通线网中最繁忙的骨干线路，其行车间隔最小，日均客流量最大(约为100万乘次/d)，日均客运量是其他线路的1.6倍以上。但该线路铺设的P60N型钢轨无明显的滚动接触疲劳伤损，轨面状态优于2号线及其他线路类似工况条件下的P60型钢轨。此外，由于改善了轮轨匹配关系，P60N型钢轨磨耗速率降低，最大侧磨值仅有P60型钢轨的36%～60%。

5 结语

通过观测2号线小半径曲线段试铺的P60N型钢轨以及3号线既有P60仿形打磨成P60N型钢轨的服役效果，可得出以下结论：

1)P60N型钢轨服役6年后，轮轨接触面光洁，无剥离掉块，光带分布合理，同时磨耗发展速度较慢，最大侧磨量只有3.58 mm。曲线段钢轨轨距角加工硬化率趋于稳定，硬化率为11.5%～12.4%，钢轨磨耗和加工硬化达到平衡状态，不易出现疲劳伤损，钢轨整体服役状态良好。

2)将出现接触疲劳伤损的P60型钢轨仿形打磨成P60N型钢轨服役1年后，轨面无明显鱼鳞纹，轨面状态良好，达到预期效果。这说明通过打磨形成P60N型廓形，也能很好地改善轮轨匹配关系，其效果显著。武汉地铁P60N型钢轨试验段现铺设的数量相对较少，但试验结果与铁路上广泛应用P60N型钢轨所得到的结论一致：P60N型钢轨可有效改善轮轨匹配关系，减少和减缓轨面疲劳的发生和发展。现计划在新建线路中进一步加大P60N型钢轨铺设范围，同时继续跟踪分析各工况条件下钢轨服役效果。

3)P60N型钢轨服役效果与理论研究分析结论一致，效果理想。建议在新建线路或大修改造施工中优先选用P60N型钢轨，以延长钢轨服役年限，降低运维成本，同时降低打磨、铣磨和钢轨更换等大型施工所带来的安全风险。