大秦重載鐵路大修換軌周期的探討

郭戰(zhàn)偉

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

大秦鐵路是我國(guó)第一條雙線電氣化運(yùn)煤專線，在重車線上采用Ⅱ型和Ⅲ型混凝土軌枕，一級(jí)道砟，75 kg/m鋼軌無(wú)縫線路。自2003年首次開行2萬(wàn)t重載列車以來(lái)，鋼軌運(yùn)量不斷增加，2007年、2008年和2009年年運(yùn)量分別達(dá)到了300，340和400 Mt，2010年年通過(guò)總重達(dá)到500 Mt。

按現(xiàn)有通過(guò)總重900 Mt進(jìn)行大修換軌的規(guī)定，大秦重車線鋼軌不到2年需全線更換一遍，這是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，研究延長(zhǎng)大修換軌周期，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了關(guān)于國(guó)內(nèi)外大修換軌的有關(guān)規(guī)定，重點(diǎn)就影響大修換軌周期的大秦重載鐵路鋼軌重傷率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了探討，初步提出了確定大修換軌周期的鋼軌重傷率指標(biāo)。

1 確定鋼軌大修換軌周期的主要因素

目前世界各國(guó)鐵路的大修換軌周期主要由以下3種方式確定:①由通過(guò)總重確定，如法國(guó)、日本高速鐵路大修換軌周期為通過(guò)總重500 Mt［1］，我國(guó)鐵路也是按通過(guò)總重確定鋼軌大修周期的，規(guī)定60 kg/m無(wú)縫線路的大修換軌周期為通過(guò)總重700 Mt，75 kg/m無(wú)縫線路為通過(guò)總重900 Mt;②按鋼軌磨耗量確定，如美國(guó)重載鐵路，規(guī)定鋼軌垂磨＞9～12 mm或側(cè)磨＞14～16 mm時(shí)進(jìn)行大修換軌，在此期間出現(xiàn)的重傷鋼軌，采用鋁熱焊插入短軌的方式進(jìn)行處理，美國(guó)重載鐵路鋼軌的使用壽命一般為1 000～2 000 Mt;③從經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮，即經(jīng)過(guò)測(cè)算，在鋼軌維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用大于鋼軌更換費(fèi)用的情況下，進(jìn)行大修換軌。

1.1 傷損鋼軌磨耗量的規(guī)定

我國(guó)鐵路規(guī)定，傷損鋼軌分輕傷和重傷兩類。當(dāng)鋼軌的垂直磨耗＞11 mm，側(cè)面磨耗 ＞19 mm，為重傷鋼軌，規(guī)定重傷鋼軌應(yīng)及時(shí)更換下道。實(shí)際上，在普通鐵路的直線或大半徑曲線上(半徑 ＞1 000～1 200 m)，當(dāng)鋼軌按現(xiàn)有規(guī)定更換下道時(shí)，鋼軌的垂磨量一般均不超過(guò)5 mm。在大秦重載鐵路上，當(dāng)鋼軌通過(guò)總重達(dá)到1 500 Mt以上時(shí)，鋪設(shè)的U75V未熱處理鋼軌的垂磨量也不到5 mm，如圖1所示。因此，若按鋼軌的垂磨量確定換軌大修，則鋼軌的使用壽命可以達(dá)到3 000 Mt以上。

圖1 大秦重車線K88+100直線左股，U75V未熱處理鋼軌(2011年4月測(cè)量，通過(guò)總重 1 500 Mt，垂磨 4.8 mm)

1.2 鋼軌的重傷率

以往的研究認(rèn)為，當(dāng)鋼軌使用一定時(shí)期后，鋼軌的疲勞傷損會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，即此后，鋼軌疲勞大幅度增加。實(shí)際上，鋼軌的傷損分布與通過(guò)總重的關(guān)系呈指數(shù)分布［2］。因此，鋼軌通過(guò)總重越大，鋼軌重傷率越高。

鋼軌磨耗量雖未達(dá)到更換鋼軌的程度，但隨著通過(guò)總重的增加，鋼軌的重傷率隨之增加。鋼軌重傷率太高，不僅會(huì)提高維修養(yǎng)護(hù)工作量，甚至?xí)绊戣F路的運(yùn)行安全。對(duì)出現(xiàn)的鋼軌重傷，得不斷通過(guò)鋁熱焊等方法插入鋼軌，增加了鋼軌的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。所以鋼軌重傷率對(duì)大修換軌周期影響很大。

1.3 經(jīng)濟(jì)因素

考慮維修養(yǎng)護(hù)成本，以及因安全系數(shù)下降帶來(lái)的安全成本，經(jīng)過(guò)測(cè)算，在鋼軌維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用大于鋼軌更換費(fèi)用的情況下，進(jìn)行大修換軌。

2 大秦重載鐵路鋼軌的重傷率統(tǒng)計(jì)

鋼軌的重傷率對(duì)確定大修換軌周期具有重要的影響。為此，對(duì)2005年和2007年鋪設(shè)上道的大秦重車線鋼軌的重傷率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。為了探討不同線路條件和鋼軌狀態(tài)的影響，分別按不含焊接接頭的直線(直線鋼軌母材)、含廠焊接頭的直線(直線鋼軌母材 +廠焊)、直線鋼軌全部、含半徑 R＞800 m曲線的直線鋼軌(直線+R＞800 m)以及全部(直線 +曲線，以及全部焊接接頭)等幾種情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 2005年鋪設(shè)鋼軌重傷率統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)了大秦重載線2005年鋪設(shè)上道鋼軌的重傷率。其中大秦 K308—K342區(qū)段鋪設(shè) P廠生產(chǎn)的U75V鋼軌，K217—K308和 K360—K388區(qū)段鋪設(shè) B廠生產(chǎn)的U75V鋼軌。

大秦K308—K342區(qū)段累計(jì)通過(guò)總重與累計(jì)重傷率的關(guān)系見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，該區(qū)段鋼軌重傷發(fā)展較為正常，即隨著累計(jì)通過(guò)總重的增加，累計(jì)重傷率逐漸上升;在累計(jì)通過(guò)總重達(dá)到1 070 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為5.9處/km，直線鋼軌總的累計(jì)重傷率為9.3處/km，鋼軌總的累積重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為12.1處/km。

圖2 2005年鋪設(shè)P廠U75V鋼軌累計(jì)通過(guò)總重與累計(jì)重傷率關(guān)系

大秦重車線 K217—K308和 K360—K388區(qū)段累計(jì)通過(guò)總重與累計(jì)重傷率的關(guān)系見(jiàn)圖3。從圖3中可以看出，該區(qū)段鋼軌重傷發(fā)展較快，鋼軌累計(jì)重傷率隨著累計(jì)通過(guò)總重的增加近似呈線性增長(zhǎng)，在累計(jì)通過(guò)總重達(dá)到1 070 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為11.7處/km，直線鋼軌總的累計(jì)重傷率為16.2處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為28.2處/km。該區(qū)段鋼軌重傷發(fā)展較之K308—K342區(qū)段的鋼軌要快很多，除了與線路條件有關(guān)外，主要與鋼廠生產(chǎn)鋼軌的冶金質(zhì)量有關(guān)。

圖3 2005年鋪設(shè)B廠U75V鋼軌累計(jì)通過(guò)總重與累計(jì)重傷率關(guān)系

2.2 2007年鋪設(shè)鋼軌重傷率統(tǒng)計(jì)

大秦重車線K2+100—K117+295區(qū)段鋼軌通過(guò)總重與重傷率關(guān)系見(jiàn)圖4。該區(qū)段2007年7月鋪設(shè)U75V鋼軌，為國(guó)內(nèi)A廠根據(jù)重載鐵路附加技術(shù)要求生產(chǎn)的。至2011年 2月底，已累計(jì)通過(guò)總重約1 670 Mt?？梢钥闯?，該區(qū)段鋼軌重傷發(fā)展較為穩(wěn)定。在累計(jì)通過(guò)總重達(dá)到1 080 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為1.8處/km，直線鋼軌總的累計(jì)重傷率為2.9處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線，曲線及全部焊接接頭)為4.1處/km。當(dāng)通過(guò)總重約1 680 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為3.8處/km，直線鋼軌總的累計(jì)重傷率為6.2處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為9.6處/km。

對(duì)重傷進(jìn)行分類，見(jiàn)表1。

圖4 K2+100—K117+295區(qū)段鋼軌的累計(jì)通過(guò)總重與重傷率關(guān)系

表1 K2+100— K117+295區(qū)段鋼軌的重傷分布

大秦重車線 K388—K398、K398—K410區(qū)段鋼軌通過(guò)總重與重傷率關(guān)系見(jiàn)圖5。該區(qū)段分別鋪設(shè)PG4和U77MnCr新鋼種鋼軌，至2011年2月，累計(jì)通過(guò)總重約1 751 Mt?？梢钥闯觯搮^(qū)段鋼軌的重傷率在第一年發(fā)展較慢，一年半后鋼軌重傷發(fā)展較快。在累計(jì)通過(guò)總重達(dá)到920 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為1.8處/km，直線鋼軌總的累計(jì)重傷率為2.1處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為3.3處/km。當(dāng)通過(guò)總重約1 750 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為5.4處/km，直線鋼軌總的累計(jì)重傷率為9.6處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為16.2處/km。鋼軌重傷率明顯高于鋪設(shè)U75V熱軋軌的K2—K117區(qū)段。

對(duì)重傷進(jìn)行分類，見(jiàn)表2?？梢?jiàn)鋼軌的傷損部位主要發(fā)生在軌頭，約占95%;疲勞核傷和缺陷為其主要傷損類型，約占98.6%;焊接接頭傷損約占56.4%，尤其現(xiàn)場(chǎng)接頭傷損居多，約占40%。

由以上統(tǒng)計(jì)分析，可得到以下結(jié)論:

1)2005年鋪設(shè)P廠U75V鋼軌，在累計(jì)通過(guò)總重達(dá)到1 070 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為5.9處/km，直線鋼軌(包括所有焊接接頭)總的累計(jì)重傷率為9.3處/km，鋼軌總的累積重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為12.1處/km。

表2 K388—K410區(qū)段鋼軌的重傷分布

圖5 K388—K410區(qū)段鋼軌的累計(jì)通過(guò)總重與重傷率關(guān)系

2)2005年鋪設(shè)B廠U75V鋼軌，在累計(jì)通過(guò)總重達(dá)到1 070 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為11.7處/km，直線鋼軌(包括所有焊接接頭)總的累計(jì)重傷率為16.2處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為28.2處/km。該區(qū)段鋼軌重傷發(fā)展較快，除了與線路條件有關(guān)外，主要與鋼廠生產(chǎn)鋼軌的冶金質(zhì)量有關(guān)。

3)通過(guò)對(duì)延長(zhǎng)鋼軌使用技術(shù)的研究，2007年鋪設(shè)A廠生產(chǎn)的U75V鋼軌，當(dāng)通過(guò)總重約1 680 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為3.8處/km，直線鋼軌(包括所有焊接接頭)總的累計(jì)重傷率為6.2處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線，曲線及全部焊接接頭)為9.6處/km。鋼軌重傷率與2005年鋪設(shè)的鋼軌相比下降明顯。

4)通過(guò)對(duì)延長(zhǎng)鋼軌使用技術(shù)的研究，2007年鋪設(shè)的新鋼種鋼軌，在通過(guò)總重約1 750 Mt時(shí)，不包含焊接接頭的直線鋼軌累計(jì)重傷率約為5.4處/km，直線鋼軌(包括所有焊接接頭)總的累計(jì)重傷率為9.6處/km，鋼軌總的重傷率(包括直線、曲線及全部焊接接頭)為16.2處/km。鋼軌重傷率明顯高于同期鋪設(shè)U75V熱軋軌的K2—K117區(qū)段。

5)鋼軌的疲勞核傷為其主要傷損類型，約占95%～99%;與鋼軌母材傷損相比，焊接接頭傷損所占比例較大，約占56%～66%，尤其現(xiàn)場(chǎng)焊接頭傷損居多，約占40%～50%?？梢?jiàn)，減少鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接頭的重傷率，是延長(zhǎng)大修換軌周期的關(guān)鍵之一。

6)新鋼種鋼軌由于強(qiáng)度大、硬度高，可明顯提高小半徑曲線上股鋼軌的耐磨性能，但并沒(méi)有明顯減少鋼軌的重傷率。

3 延長(zhǎng)鋼軌大修換軌周期的探討

對(duì)直線鐵路鋼軌而言，鋼軌的磨耗不是影響大修換軌周期的主要因素，減少鋼軌的重傷率，即減少鋼軌和焊接接頭的疲勞傷損以及焊接缺陷，是延長(zhǎng)鋼軌大修換軌周期的關(guān)鍵。

3.1 鋼軌的疲勞核傷

鋼軌的疲勞核傷是重載鐵路鋼軌最主要的傷損類型之一，是影響鋼軌重傷率的主要因素。因此，減少鋼軌的疲勞核傷是延長(zhǎng)大修換軌周期的關(guān)鍵之一。研究表明，鋼軌鋼的強(qiáng)韌性和純凈性等指標(biāo)是影響其疲勞性能的主要因素。從疲勞核傷產(chǎn)生的機(jī)理看，當(dāng)承受的外力超過(guò)鋼軌鋼的疲勞極限時(shí)鋼軌就會(huì)產(chǎn)生疲勞。而疲勞裂紋容易在諸如內(nèi)部夾雜物等薄弱部位萌生。因此，為了提高鋼軌的抗疲勞能力，對(duì)影響鋼軌疲勞性能的指標(biāo)如鋼軌鋼的純凈性和低倍組織等應(yīng)嚴(yán)格控制，同時(shí)，應(yīng)增加和保持軌道彈性、改善鋼軌受力狀態(tài)。采用優(yōu)質(zhì)高性能軌下墊板，及時(shí)對(duì)道床進(jìn)行清篩，定期打磨鋼軌保持軌道的平順性，對(duì)減少鋼軌疲勞傷損均具有重要的作用［3］。

3.2 鋼軌焊接接頭的傷損

統(tǒng)計(jì)表明，焊接接頭重傷占鋼軌重傷的比例較高，通常達(dá)到一半以上。因此，減少鋼軌焊接接頭的傷損，尤其是現(xiàn)場(chǎng)焊接頭的傷損，對(duì)減少鋼軌整體重傷率，延長(zhǎng)換軌大修周期至關(guān)重要。

采用長(zhǎng)定尺鋼軌、減少焊接接頭數(shù)量;采用質(zhì)量穩(wěn)定的閃光焊技術(shù)焊接鋼軌;優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)氣壓焊設(shè)備和工藝;盡量減少使用鋁熱焊;采用焊后熱處理技術(shù)提高焊接接頭的軌面硬度等技術(shù)措施均可以有效提高焊接接頭的質(zhì)量，減少焊接接頭的傷損。

提高焊接接頭的平順性和軌面硬度，可以有效減少焊接接頭使用中產(chǎn)生低塌。對(duì)鋪設(shè)在直線上的熱軋鋼軌以及鋪設(shè)在曲線上的熱處理鋼軌，焊后均應(yīng)對(duì)軌面進(jìn)行噴風(fēng)冷卻熱處理，以提高其硬度。對(duì)重載鐵路而言，焊接接頭軌面硬度平均值應(yīng)為母材的95% ～110%，熱軋軌取上限，熱處理軌取下限［3］。

3.3 延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的技術(shù)措施

在直線上鋪設(shè)使用強(qiáng)度等級(jí)為980 MPa、軌面硬度為280～320 HB且鋼質(zhì)潔凈的鋼軌;在曲線上鋪設(shè)使用強(qiáng)度等級(jí)為1 300 MPa、軌面硬度為370～420 HB且鋼質(zhì)潔凈的高強(qiáng)耐磨鋼軌，并采用科學(xué)潤(rùn)滑;按設(shè)計(jì)廓形及時(shí)打磨鋼軌，保持鋼軌的平順性;及時(shí)進(jìn)行道床清篩，采用持久彈性墊板，保持軌道彈性;優(yōu)化焊接工藝，保證焊接接頭的平順性和硬度匹配，進(jìn)一步減少焊接接頭尤其是現(xiàn)場(chǎng)焊頭的缺陷和傷損，將進(jìn)一步提高鋼軌的使用壽命，延長(zhǎng)鋼軌的大修周期［4-7］。

4 結(jié)論及建議

大秦重載鐵路年通過(guò)總重＞500 Mt，按現(xiàn)有規(guī)定，大秦重車線不到2年需對(duì)全線進(jìn)行大修換軌，這是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，采取有效技術(shù)措施延長(zhǎng)大修換軌周期，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

大修換軌周期主要視直線及大半徑曲線鐵路鋼軌的使用情況來(lái)確定。半徑＜800 m的曲線鋼軌通常因磨耗超限而下道。下道時(shí)間視鋼軌磨耗情況決定，通過(guò)維修途徑，隨時(shí)將磨耗到限鋼軌更換下道。

國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明，大修換軌周期主要由鋼軌磨耗、重傷率等因素確定。大秦重載鐵路鋼軌的使用情況表明，通過(guò)總重＞1 500 Mt時(shí)，直線及大半徑曲線鐵路鋼軌的垂磨量＜5 mm，大修換軌周期主要由鋼軌的重傷率控制。

大秦重載鐵路鋼軌的重傷率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鋼軌的重傷類型主要為疲勞核傷，發(fā)生在鋼軌母材及焊接接頭的軌頭部位，后者所占比例較大。焊接接頭傷損以現(xiàn)場(chǎng)焊接頭(鋁熱焊和氣壓焊)傷損為主。通過(guò)總重1 000 Mt左右時(shí)，重傷嚴(yán)重區(qū)段直線鋼軌總的累計(jì)重傷率為 16.2處/km，鋼軌總的重傷率為 28.2處/km。通過(guò)采取有效技術(shù)措施，當(dāng)通過(guò)總重約1 680 Mt時(shí)，直線鋼軌總的累計(jì)重傷率為6.2處/km，鋼軌總的重傷率為9.6處/km。

針對(duì)大秦重載鐵路的實(shí)際情況，以下條件兩者居其一就應(yīng)該進(jìn)行大修換軌:鋼軌垂磨＞12 mm，直線鋼軌總的重傷率＞10處/km。據(jù)此，大秦重車線大修換軌周期可以初步按1 500～2 000 Mt來(lái)考慮。

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