朔黄重载铁路延长钢轨使用寿命技术措施 薛继连1，贾晋中1，孟宪洪1，徐涌2，张格明2，翟婉明3，许玉德4，马战国2，李伟2（1.朔黄铁路公司，北京；2.铁道科学研究院，北京；3.西南交通大学，成都；3.同济大学，上海） 摘 要：朔黄重载铁路年运量已突破1.8亿吨，但山区大量小半径曲线75kg/m钢轨过度疲劳伤损和严重磨耗已阻碍朔黄铁路运能进一步提高，为此，朔黄铁路公司联合国内科研院校开展了为期两年多的系统试验研究，从重载铁路轮轨相互作用关系源头出发，着重开展了曲线设置参数、轮轨型面匹配关系的优化和分析，以及钢轨打磨、曲线钢轨润滑技术的研究与试验工作，提出了延长朔黄重载铁路钢轨使用寿命的综合技术措施，并经过现场实际应用考核，证实了其有效性和实用性。

关键字：铁路；重载；钢轨；寿命1 概述朔黄重载铁路西起山西省神池县神池南站，东至河北省黄骅市黄骅港口货场，正线总长近600公里，是我国西煤东运的第二条重载运煤铁路。

朔黄重载铁路于2000年5月18日建成通车，新建时为60kg/m配套轨道结构，600kg/m、U71Mn、25m标准轨、II型混凝土轨枕、轨枕配置1840根/公里、I型弹条、II级碎石道床，道床厚550mm，道床顶宽3.1m、边坡1:1.75。

自2005年5月19日开始，朔黄重载铁路上行线进行跨区间或区间无缝线路改造，钢轨更换为U75V 75kg/m钢轨，2005年11月底全部完成正线换铺工作，换轨总长557.5km，其中在半径800m及以下曲线地段铺设了强度等级高的全长淬火钢轨（1180MPa）。

朔黄重载铁路上行线自2005年开始更换U75V 75kg/m钢轨后，运营半年左右时间，小半径曲线（R500m~R800m）内股钢轨轨面表层开始出现鱼鳞状裂纹，并逐步发展成鱼鳞状剥落掉块，到2006年2月底已发现有30条曲线共计4.571km钢轨出现大范围的剥落掉块，而且发展趋向严重。

小半径曲线外股钢轨也同样出现裂纹掉块，但出现时间晚于内股，其发展情况与外股基本相同。

曲线钢轨磨耗和疲劳伤损是世界各国重载铁路钢轨病害的基本形式，但在如此短的在役时间和较小的累计通过总重情况下，朔黄铁路上行线75kg/m钢轨病害形成和发展速度如此之快，病害程度如此之严重，预示着朔黄重载铁路75kg/m钢轨线路与运行的机车车辆间存在极为不利的相互作用，为此，朔黄铁路公司于2006年联合北京铁路局、中国铁道科学研究院、西南交通大学、同济大学协同研究延长朔黄铁路钢轨使用寿命技术措施。

2 朔黄铁路75kg/m钢轨伤损朔黄铁路于2000年5月18日开通，当年完成运量547万吨，2004年完成7470万吨，超过近期设计能力6800万吨，2006年完成1.12亿吨，超过远期设计能力1亿吨，比大秦线提前5年达到亿吨。

2010年完成1.8亿吨，现行运行图铺画日均115对列车，最高日达129 对，包括12对万吨重载列车。

随着朔黄重载铁路运量逐年快速增长，75kg/mU75V钢轨的疲劳伤损和曲线钢轨侧磨速率加快，尤其是小半经曲线R500~800，钢轨伤损和磨耗已成为控制钢轨下道的直接原因，平均寿命大约在通过总重4~4.5亿吨。

（1） 钢轨磨耗图式图2.1为小半经曲线钢轨典型磨耗图式，其中内股钢轨磨耗主要发生在钢轨轨顶面上，且轨顶常常由于塑性变形的原因而被压平、出现肥边；外股钢轨磨耗在轨距面和轨顶均出现，且侧磨量较垂磨大，轨距侧金属塑性变形而出现肥边。

外轨内轨图2.1 朔黄铁路小半经曲线钢轨典型磨耗图式（2） 钢轨疲劳伤损图式朔黄铁路小半经曲线75kg/m钢轨病害表现出以下特征：曲线钢轨裂纹及剥离掉块普遍发生，严重程度随曲线半径不同而有差异，曲线半径越小，钢轨裂纹和剥离掉块发生的越早、发展速度越快；出现严重钢轨病害的曲线集中体现在R500m~R800m；一旦钢轨出现裂纹和微掉块后，钢轨裂纹和剥离掉块发展速度基本相同。

当钢轨鱼鳞状剥离掉块发展出现连续、面 积较大的掉块时，达到高峰，随后趋向稳定，此时曲线外股钢轨侧磨速度加剧，成为钢轨下道的关键因素。

外股钢轨侧磨呈非均匀磨耗状态，进曲线和出曲线位置钢轨侧磨相对严重，尤其是靠近曲线圆缓点（靠近曲线出口方向）的钢轨平均磨耗大于曲中和缓圆点的钢轨平均磨耗，且钢轨平均磨耗（外轨侧磨、外轨垂磨、内轨垂磨）都较大。

图2.2是小半经曲线典型钢轨病害区段（R=500m，K64+400）的钢轨表面伤损图式，不难看出，R500曲线的内轨，轮轨接触点分布比较广，整个轨顶面基本都与车轮踏面发生接触，主要轮轨接触带为从轨距边至轨顶面中心，宽度约33~46mm，说明轮对在通过该曲线时，横向移动幅度可能很大，轮轨接触几何关系不合理。

R500曲线的外轨，接触带为轨距边向外侧边约50~60mm 的宽度，随着侧磨的加剧，接触带逐渐向外侧边扩展，宽度超过60mm。

除了侧磨外，外轨在轨距边存在45度斜裂纹、在靠近轨距边的轨顶面存在剥离，而在靠近外侧边约20mm 处存在垂直裂纹，这表明外轨轨距边、轨顶面和外侧边附近存在不良轮轨接触的情况。

图2.2 朔黄铁路小半经曲线钢轨典型磨耗图式 3延长钢轨使用寿命技术措施3.1 钢轨型面优化朔黄重载货车车轮采用LM 踏面，它是根据我国铁路60kg/m 钢轨轨头断面尺寸和钢轨轨底坡1:20而设计的，轮缘根部采用R14mm 圆弧段与钢轨轨头R13mm 弧段配合，在轮缘根部和踏面之间采用R100m 弧段作为过渡段弧段，踏面中部为R500mm 圆弧。

U75V 75kg/m 钢轨轨头宽75mm ，轨顶采用500mm 圆弧，与车轮踏面的中部圆弧相等，轨顶与轨距角的过渡圆弧半径为80mm ，轨距角采用R15mm 与轮缘R14mm 圆弧匹配。

图3.1a 显示新LM 车轮与新75kg/m 钢轨外形轮廓匹配的示意图，接触点主要集中在内侧上圆角处，接触面相对较小。

由于车轮踏面的形状，如果要实现车轮与钢轨之间出现更大接触面积的共形接触，则需要钢轨和车轮大量的磨耗才能达到。

图3.1b 为磨耗形车轮与新钢轨轮廓匹配的示意图，同样出现钢轨内侧接触应力集中的现象。

由此可以推断，LM 车轮与75kg/m 钢轨型面匹配关系欠合理，适当优化轮轨型面可实现轮轨共形接触、减小轮轨接触应力、产生良好的曲线通过性能和直线运动稳定性。

(a)新轮/新轨 (b)典型磨耗型车轮与新轨图3.1 LM 车轮与75kg/m 钢轨型面匹配关系 朔黄铁路轮轨型面优化可从LM 车轮型面、75kg/m 钢轨轨头型面两方面入手进行，通过外股钢轨 内股钢轨对朔黄铁路LM车轮踏面尺寸统计分析发现，实测的朔黄重载货车车轮踏面虽出现不同程度的磨耗，但踏面上不同位置处的磨耗量基本相当，车轮踏面仍基本保持原有的外形，未出现明显的凹形踏面，因此，优化朔黄铁路轮轨型面匹配关系可立足于钢轨型面优化。

为分析75kg/m钢轨不同轨头型面设计方案的效果，选取两种车轮型面作为分析基准，一是新LM型面，二是对实测的朔黄铁路Z8A、K2、K6三种实际运营转向架的360个车轮踏面数据统计分析，选择具有典型代表性的K6转向架的磨耗车轮踏面作为车轮匹配方案。

两种基准车轮型面如图3.2所示。

图3.2 朔黄铁路轮轨型面优化中基准车轮型面在确定了基准车轮型面后，通过对朔黄重载铁路现场大量测试的钢轨型面数据的统计分析，应用SIMPACK软件对大量钢轨型面初步设计方案的轮轨接触几何关系进行了分析，在此基础上，运用车辆－轨道耦合动力学仿真软件TTISIM对初选后的型面进行了动力性能分析、比选，以减小轮轨横向力和冲角、降低轮缘与钢轨侧面接触的可能性、降低轮轨接触力为优化目标，研究提出了适合于朔黄重载铁路运营条件的小半径曲线内、外侧钢轨的最佳型面，如图3.3所示。

优化型面与基准车轮型面接触关系比较见图3.4，动力学参数比较列入表3.1。

图3.3朔黄铁路75kg/m钢轨轨头型面优化结果(a)新轮/新轨(b)典型磨耗车轮/新轨(c)典型磨耗车轮/型面优化钢轨图3.4 基准车轮型面与新轨、型面优化钢轨轮轨接触点比较表3.1 轮轨动力学参数比较动力学参数典型磨耗车轮/型面优化钢轨 新轮/新轨 典型磨耗车轮/新轨 轮轨横向力(kN)-4.35 -7.73 -6.28 轮轨垂直力(kN)118.80 118.16 118.36 磨耗功(Nm/m）1134.57 1468.24 1600.72 钢轨横向位移(mm)-2.98 -6.80 -3.10 轮轨冲角(mrad)0.35 0.70 0.52 轮轨接触应力 (MPa) 1470 2000 1850为考核优化的75kg/m 钢轨轨头型面对轮轨相互作用和钢轨磨耗的影响，朔黄铁路在正线上选择了一条R600小半经曲线用于试验验证，钢轨型面按优化型面进行打磨，打磨前后进行了轮轨动力学参数测试，同时定期进行钢轨磨耗观测。

试验曲线动力学测试数据表明，钢轨优化型面打磨后，轮轨动力性能指标得到了改善，钢轨优化型面打磨前后，外侧轮轨垂向力最大值的范围分别是120~160kN 和110~160kN；外侧轮轨横向力最大值的范围分别是50~65kN 和35~60kN；而轮轴横向力最大值的范围则分别是21～43kN 和20～41kN。

钢轨优化型面打磨前外轮脱轨系数最大值的范围是0.35～0.60，而钢轨优化型面打磨后的外轮脱轨系数最大值的范围是0.30～0.60；钢轨优化型面打磨前内轮轮重减载率最大值范围是High Rail High Rail High Rail Low RailLow Rail Low Rail0.10～0.55，而钢轨优化型面打磨后内轮轮重减载率最大值范围是0.10～0.45。

对比试验曲线型面改进后外侧钢轨侧磨量与试验曲线前后有历史磨耗记录数据的连续4条曲线（运营条件与试验段较为接近）的历史磨耗平均值，如图3.5，试验曲线在钢轨型面改进后，圆曲线段外侧钢轨侧磨量平均值较对比曲线的历史磨耗状况降低了30~40%。

图3.5 优化钢轨型面试验曲线钢轨磨耗与历史磨耗数据对比3.2 钢轨打磨钢轨打磨是重载铁路预防和及时整治钢轨病害重要技术措施，但朔黄铁路自2000年开通运营以来，至2005年一致未进行有效的钢轨打磨，一是朔黄铁路未配备钢轨打磨车，二是没有适用技术规范来确定钢轨打磨周期、打磨量和相应打磨策略。

2006年开始，朔黄铁路开始实施了钢轨打磨技术的系统试验研究，其研究重点是钢轨打磨技术参数和策略确定。

朔黄铁路钢轨打磨技术参数，除钢轨打磨模板由3.1节确定外，其它技术参数如打磨周期、打磨量均通过在役钢轨现场切轨取样、室内金相分析方式来确定。

具体实施过程为：选取朔黄上行重车线K86+214~K86+827曲线（半径500m、超高90 mm、圆曲线长度393m、坡度7‰、缓和曲线长110m）为钢轨取样试验曲线，根据累计通过总重的变化，对试验曲线外轨和内轨表面疲劳裂纹发展情况进行了8次跟踪观测、9次磨耗跟踪测量和9次定期钢轨取样（含新轨）。