高速铁路钢轨擦伤特征及影响因素

张彦博 刘秀波 刘勇 陈茁 魏剑梅

1.中国铁道科学研究院 研究生部， 北京 100081； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所， 北京 100081；3.中国铁路成都局集团有限公司， 成都 610082

我国高速铁路钢轨早期伤损的主要形式包括钢轨擦伤、波磨、硌伤、母材缺陷等［1］。其中钢轨擦伤会影响轮轨接触状态，影响列车运行平稳性，长期轮轨作用会引起钢轨的剥离掉块或横向裂纹，导致钢轨折断，严重威胁行车安全。

相关学者对钢轨擦伤的特征和成因进行了诸多研究。胡二根［2］分析了钢轨擦伤的特征、分布规律和原因，发现车站和制动地段为上坡道时，机车会因启动困难造成车轮空转从而擦伤钢轨。张艳良［3］对矿区机车擦伤的分布进行了统计，发现坡度大于6‰时重车上坡、坡度大于20‰时空车上坡和空车连续上坡易产生钢轨擦伤，进而导致裂纹、核伤、剥离掉块等伤损出现。王栋［4］研究发现，在信号机前后，机车启动空转会产生钢轨擦伤；在长大坡道，机车加速闯坡会导致车轮空转而产生钢轨擦伤；在小半径曲线区段，钢轨擦伤与垂直磨耗、侧面磨耗交互作用，会加剧钢轨擦伤的发展；司机操作不当、运输组织不当、线路养护维修不良、轨道不平顺等也会导致钢轨擦伤。根据对某高速铁路伤损成因的研究，邓勇等［5］总结得出，钢轨擦伤分为列车启动打滑擦伤和列车制动擦伤，前者为椭圆形擦伤，后者为长条形擦伤。魏堂建等［6］探究了某城际铁路的钢轨擦伤原因，认为线路平纵断面、机车类型和运输组织模式对钢轨擦伤形成的影响较大。刘丰收、李闯等［1，7］认为钢轨擦伤可由机车车轮空转、下坡制动、抱闸行驶和轮轨接触面相对滑动4 种原因产生，坡度和轴重增大会增加产生钢轨擦伤的可能性。赵康云［8］发现动车组紧急制动也会造成钢轨擦伤，擦伤产生的白层组织厚度较薄，检查难以发现。戚志刚等［9］调研了银西客运专线的钢轨擦伤情况，并根据现场形貌特征将钢轨擦伤分为点状、连续点状和长条状。

钢轨擦伤表面的白层组织的形成机理、微观结构和裂纹扩展也是研究重点。由于白层组织的硬脆特性（维氏硬度高达1 200 HV），通常认为是裂纹形成的位置，会降低钢轨的使用寿命［10］。刘佳朋等［11］认为白层组织的成因主要有两类：大轴重机车擦伤形成的白层组织，厚度较大（大于0.5 mm），更易发展为剥离掉块；动车组启动或制动擦伤产生的白层组织，厚度较小（小于0.2 mm），更易发展为隐伤。为深入研究钢轨擦伤的特征，本文通过对9 条高速铁路线路实地调研和2019—2021年的钢轨擦伤统计数据的分析，对高速铁路钢轨擦伤的形貌特征和分布特征进行研究。

1 钢轨擦伤形貌特征

现场调研了多条高速铁路，根据钢轨擦伤形貌特征，可分为车轮空转擦伤和车轮滑行擦伤两类。

1.1 车轮空转擦伤

车辆启动或运行时，牵引力不足会导致车轮产生空转，进而造成钢轨踏面局部的椭圆形擦伤，见图1。擦伤较为严重时，局部踏面呈凹陷状，在擦伤边缘处形成堆高；擦伤较为轻微时，会在钢轨表面形成白层组；部分白层组织会在车轮的循环加载下发展形成剥离掉块。现场的车轮空转擦伤长度为20 ～ 40 mm，深度为0 ～ 2 mm，硬度为520 ～ 600 HB，均高于邻近母材，发生在上坡牵引区段，为机车擦伤。

1.2 车轮滑行擦伤

车辆制动或行驶过程中，车轮滑行会造成钢轨踏面产生长条形或椭圆白层组织，见图2。现场发现的擦伤深度较浅，钢轨表面无明显塑性变形，长条形擦伤长0.15 ～ 1.00 m，椭圆形擦伤长20 ～ 40 mm，硬度为395 ～ 600 HB，均高于邻近母材，发生在下坡制动区段。其中一条坡度为25‰（行车方向下坡）的高速线路在换轨后仍出现了长条形擦伤，可以初步确定动车组在制动滑行时会造成钢轨擦伤。

图2 车轮滑行擦伤的宏观形貌

2 钢轨擦伤分布特征

统计9 条高速铁路线路钢轨擦伤情况，结合牵引制动状态，从单双股、平纵断面（坡度和线形）、下部基础、车辆类型等方面研究钢轨擦伤分布特征。线路总长3 398 km，其中长大坡道较多，坡度大于14‰的区段（包括上坡和下坡）占16.21%，钢轨擦伤共682 处。发生钢轨擦伤的直线和曲线，路基、桥梁和隧道以及不同坡度的里程长度不同。为消除里程长度对不同区段钢轨擦伤出现概率的影响，按C=N/D进行归一化处理。其中：C为单位里程钢轨擦伤数量；N为某区段的钢轨擦伤数量；D为对应区段的里程长度。

2.1 单双股

理想情况下，钢轨擦伤为双股对称分布。但是，根据现场统计数据，单股分布较多，占71.07%；双股对称分布较少，占28.93%。

2.2 坡度

为明确坡度对钢轨擦伤形成的影响，将坡度分为9个等级，分别为小于-14‰、［-14‰，-10‰）、［-10‰，-6‰）、［-6‰，-2‰）、［-2‰，2‰］、（2‰，6‰］、（6‰，10‰］、（10‰，14‰］和大于14‰，其中负坡度表示在列车运行方向下坡。对9条线路不同坡度等级的钢轨擦伤数量和里程长度进行统计，计算每条线路不同坡度等级的单位里程钢轨擦伤数量，见图3。

图3 不同坡度等级的钢轨擦伤数量和里程长度分布

由图3可知：①坡度在-6‰ ～ 6‰的钢轨擦伤里程较长，但是坡度小于-14‰和大于14‰时单位里程钢轨擦伤数量较大，占45.42%，这表明大坡度会促进钢轨擦伤的产生。②坡度-2‰ ～ 2‰的单位里程钢轨擦伤数量也较大。调研发现车站中心前后1 km 内的坡度主要分布在-1‰ ～ 1‰，因此对坡度-2‰ ～ 2‰的钢轨擦伤数量进行再统计，规定车站中心前后1 km 内为靠近车站，1 km 外为远离车站。结果表明，有76.92%的钢轨擦伤出现在靠近车站区域，可见进出站启动制动频繁的区域出现钢轨擦伤的概率更高。

2.3 线形

由于坡度因素影响较大，对于直线、曲线区段钢轨擦伤的分析要综合考虑坡度和线形的影响。对9个坡度等级中直线、曲线区段的钢轨擦伤数量和里程长度进行统计，见图4。可知：不同坡度等级下直线区段的钢轨擦伤里程长度均大于曲线区段，但整体上曲线区段的单位里程钢轨擦伤数量大于直线区段，占总擦伤数量的62.72%，可见曲线区段比直线区段更易产生钢轨擦伤；坡度小于-14‰和大于14‰时，曲线区段钢轨擦伤数量较为突出，可见大坡度上下坡的曲线区段更容易产生钢轨擦伤。

图4 不同坡度等级的直线和曲线区段钢轨擦伤分布

2.4 下部基础

对路基、桥梁和隧道地段钢轨擦伤数量和里程长度进行统计，见图5。可知：路基、桥梁和隧道的钢轨擦伤里程长度较为接近，隧道单位里程钢轨擦伤数量多于路基和桥梁，路基、桥梁和隧道地段分别占总擦伤数量的28.20%、29.54%和42.26%。

对9 个坡度等级的路基、桥梁和隧道地段单位里程钢轨擦伤数量和里程长度进行统计，见图6。可知：大坡度和靠近车站区段单位里程钢轨擦伤较多，可见坡度和进出站启动制动对擦伤的影响较大；路基、桥梁和隧道的里程长度接近，其中隧道处单位里程钢轨擦伤数量较大，但无明显对应规律，可知下部基础对钢轨擦伤的影响较小。

2.5 车辆类型

一高速铁路区段的钢轨擦伤分布见图7。可知：钢轨擦伤呈双股对称分布，以3个擦伤为一组，组内擦伤间距为1.8 m，两组擦伤中间位置的间距为12 m。该区段位于隧道内，线路坡度为18‰，行车方向为下坡，平面线形为直线，铺设有砟轨道。该线路运行的机车和动车的主要类型和参数见表1。

表1 一高速铁路线路运行车辆参数

图7 一高速铁路区段的钢轨擦伤分布

由表1 可知：DF4D转向架轴距为（1.8 + 1.8）m，且转向架中心距为12 m，和线路实测的钢轨擦伤间距最相近。结合调研信息，分析此处为车轮滑行擦伤，是由DF4D机车牵引卸砟作业过程中制动滑行产生的。

3 结论

1）钢轨擦伤可分为车轮空转擦伤和车轮滑行擦伤。车轮空转擦伤会在机车启动和上坡牵引过程中产生，并在钢轨表面形成白层组织，继而引发剥离掉块或者横向裂纹，严重时可瞬时在钢轨表面产生凹陷。车轮滑行擦伤在机车或动车组制动或行驶过程中产生，并在钢轨表面形成椭圆形或者长条形白层组织。

2）现场单股钢轨擦伤占总擦伤数量的71.07%；大坡度区段产生钢轨擦伤的概率高于小坡度区段，在坡度大于14‰时单位里程钢轨擦伤数量占45.42%；曲线区段产生钢轨擦伤的概率高于直线区段，曲线区段单位里程钢轨擦伤数量占62.72%；进出站频繁启停会增加产生钢轨擦伤的概率，在坡度等级为-2‰ ～2‰时，76.92%的钢轨擦伤出现在进出站前后1 km区域；下部基础对钢轨擦伤的产生影响较小。