重載鐵路75 kg/m鋼軌的換軌周期研究

田常海

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需要，大秦重載鐵路設(shè)備和運(yùn)輸及養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)水平得到了極大提高[1-3]。75kg/m鋼軌的冶金質(zhì)量和制造及焊接水平有了明顯提高，2007年以后，對(duì)鋼軌的純凈度、焊接標(biāo)準(zhǔn)等指標(biāo)提出了嚴(yán)格的要求和控制措施。此外，研發(fā)了不易老化、不易破損、能持久為軌道提供彈性的新型熱塑性彈性體墊板代替了橡膠墊板，軌下基礎(chǔ)和軌道彈性得到極大改善。與此同時(shí)，車(chē)輛轉(zhuǎn)向架性能、鋼軌探傷檢測(cè)技術(shù)裝備水平大幅度提高；線(xiàn)路維修技術(shù)特別是鋼軌打磨技術(shù)的采用，打磨前進(jìn)行清篩和搗固作業(yè)，每年進(jìn)行兩次鋼軌打磨作業(yè)，加強(qiáng)了高強(qiáng)韌性75 kg/m鋼軌研發(fā)[4-6]，75 kg/m鋼軌重傷量明顯減少，依據(jù)20世紀(jì)鐵路設(shè)備、運(yùn)輸和養(yǎng)護(hù)維修及探傷檢測(cè)等水平制定的75 kg/m鋼軌大修周期[7]與目前大秦重載線(xiàn)設(shè)備、運(yùn)輸及養(yǎng)護(hù)維修等情況極度不匹配。因此，有必要重新制定重載鐵路75 kg/m鋼軌的大修周期。

筆者對(duì)1998年起上道2005年至2006年下道和2011年起上道2014年至2016年下道大秦重載鐵路75 kg/m鋼軌的使用狀況和重傷情況進(jìn)行了全面的調(diào)查研究[8]，統(tǒng)計(jì)分析了鋼軌重傷類(lèi)型變化，研究了鋼軌重傷規(guī)律，獲得了每千米鋼軌重傷量與累計(jì)通過(guò)總重關(guān)系；采用鋼軌重傷加權(quán)統(tǒng)計(jì)方法，給出了2006年和2016年兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)整億噸累計(jì)通過(guò)總重對(duì)應(yīng)的每千米鋼軌重傷量，參考國(guó)內(nèi)外鋼軌大修換軌周期取得的研究成果，提出了累計(jì)通過(guò)總重與鋼軌重傷量相結(jié)合的大修換軌周期。

1 大秦重載鐵路鋼軌使用和重傷情況調(diào)查地段

在2006年和2016年兩個(gè)時(shí)間段調(diào)查分析了大秦重載鐵路鋼軌使用和重傷情況，表1為大秦重載鐵路2006年及2016年分別統(tǒng)計(jì)1998年起和2011年起上道鋼軌地段情況。2006年統(tǒng)計(jì)總里程為214.481 km，2016年統(tǒng)計(jì)總里程為280.501 km，大秦線(xiàn)全長(zhǎng)653 km，統(tǒng)計(jì)總里程占整個(gè)里程約33%以上，獲得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以代表大秦線(xiàn)重傷和使用情況。

表1 大秦重載鐵路1998年和2011年上道2006年及2016年統(tǒng)計(jì)地段

2 鋼軌重傷類(lèi)型統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)大秦重載鐵路鋼軌重傷類(lèi)型及發(fā)生位置，對(duì)于掌握和應(yīng)對(duì)鋼軌重傷具有積極意義，可以有針對(duì)性提高鋼軌維修養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

圖1 2016年統(tǒng)計(jì)的大秦重載鐵路鋼軌重傷類(lèi)型及所占百分比

統(tǒng)計(jì)地段為表1所列地段，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為鋼軌自鋪設(shè)至下道或接近下道時(shí)間。2016年統(tǒng)計(jì)的確定重載線(xiàn)鋼軌重傷類(lèi)型及所占百分比見(jiàn)圖1，大秦重載鐵路鋼軌重傷沿鋼軌橫截面分布見(jiàn)圖2，2006年和2016年統(tǒng)計(jì)的大秦重載鐵路鋼軌母材和焊接重傷所占百分比比較見(jiàn)圖3。可見(jiàn)：(1)2016年統(tǒng)計(jì)的大秦重載鐵路鋼軌焊接、核傷、擦傷和孔裂占總重傷比分別為59%，36%，4%和1%；大秦重載鐵路軌頭、軌底和軌腰重傷占總重傷比例分別為64%，30%和6%。(2)2016年統(tǒng)計(jì)的大秦重載鐵路鋼軌重傷類(lèi)型較2006年統(tǒng)計(jì)的鋼軌重傷類(lèi)型相比發(fā)生較大變化，焊接重傷類(lèi)型占總重傷的百分比降低約18%，表明75 kg/m鋼軌焊接質(zhì)量明顯提高。

圖2 大秦重載鐵路鋼軌重傷沿鋼軌橫截面分布

圖3 2006年和2016年統(tǒng)計(jì)的大秦重載鐵路鋼軌重傷類(lèi)型及所占百分比

3 重載鐵路75 kg/m鋼軌重傷量統(tǒng)計(jì)分析

利用太原鐵路局提供的大秦重載鐵路鋼軌傷損臺(tái)賬、運(yùn)營(yíng)情況、曲線(xiàn)要素等數(shù)據(jù)，分別分析了表1中1998年起上道至2006年和2011年起上道至2016年直線(xiàn)地段每千米鋼軌重傷量與累計(jì)通過(guò)總重關(guān)系，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，每千米鋼軌重傷量與累計(jì)通過(guò)總重呈二次函數(shù)關(guān)系。利用回歸分析方法可以獲得整億噸累計(jì)通過(guò)總重對(duì)應(yīng)的每千米重傷量，圖4為2016年統(tǒng)計(jì)的大秦重載鐵路不同地段整億噸累計(jì)通過(guò)總重與每千米鋼軌重傷量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從圖4可以看出，K164+000～K326+345地段和K476.100～K509.406地段每千米鋼軌重傷量與累計(jì)通過(guò)總重的二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向上，其余地段二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向下。

由于統(tǒng)計(jì)地段鋼軌長(zhǎng)度不同(表1)，為了比較不同長(zhǎng)度地段的每千米鋼軌重傷量，將統(tǒng)計(jì)地段長(zhǎng)度作為“權(quán)”進(jìn)行鋼軌重傷量統(tǒng)計(jì)分析，避免較短長(zhǎng)度地段每千米鋼軌重傷量分散對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響。

設(shè)統(tǒng)計(jì)地段長(zhǎng)度為L(zhǎng)i，對(duì)應(yīng)每千米鋼軌重傷量為Di，鋼軌加權(quán)每千米重傷量為D，采用算數(shù)平均法進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)，則

D=∑LiDi/∑Li

(1)

圖4 2016年統(tǒng)計(jì)地段每千米鋼軌重傷量與累計(jì)通過(guò)總重

圖5 2016年統(tǒng)計(jì)的大秦重載鐵路2011年起上道鋼軌每千米加權(quán)重傷量與累計(jì)通過(guò)總重

利用式(1)對(duì)大秦重載鐵路鋼軌進(jìn)行了每千米加權(quán)重傷量統(tǒng)計(jì)分析，圖5為2016年統(tǒng)計(jì)的2011年起上道鋼軌每千米母材、焊接和總重傷量與累計(jì)通過(guò)總重對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖6為2006年和2016年2次統(tǒng)計(jì)大秦重載鐵路鋼軌加權(quán)每千米重傷量與累計(jì)通過(guò)總重對(duì)應(yīng)關(guān)系。2016年統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：大秦重載鐵路累計(jì)通過(guò)總重15億t及17億t鋼軌加權(quán)每千米母材、焊接和總重傷量分別約為3.8處、6.6處和10.4處及4.6處、7.6處和12.2處(統(tǒng)計(jì)總里程為233 km)；2006年統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，大秦重載鐵路累計(jì)通過(guò)總重9億t和10億t鋼軌加權(quán)每千米母材、焊接和總重傷量分別約為1.8處、12.3處和14.1處及2.5處、13.2處和15.7處(統(tǒng)計(jì)總里程為119 km)。

圖6 2006年和2016年2次統(tǒng)計(jì)大秦重載鐵路鋼軌加權(quán)每千米重傷量與累計(jì)通過(guò)總重

4 重載鐵路75 kg/m鋼軌經(jīng)濟(jì)下道周期

根據(jù)經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，鋼軌經(jīng)濟(jì)下道周期由線(xiàn)路的維修費(fèi)用和鋼軌折舊費(fèi)用確定，線(xiàn)路的維修費(fèi)用和鋼軌的折舊費(fèi)用之和呈由大到小再到大的特點(diǎn)(圖7)，當(dāng)二者之和為最小時(shí)更換鋼軌進(jìn)行大修具有最佳的經(jīng)濟(jì)效益[9]。線(xiàn)路維修費(fèi)用主要包括重傷鋼軌搶修、中修、大修、線(xiàn)路搗固、清篩和鋼軌打磨、日常修理、鋼軌檢查、人員工資及管理等費(fèi)用。由于日常修理、鋼軌檢查、人員工資和管理等費(fèi)用基本固定不變，這些費(fèi)用不會(huì)影響經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果，因此，在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)下道周期分析中不予考慮。

圖7 下行k164+000～k326+345地段累計(jì)通過(guò)總重與折舊和維修費(fèi)用之和

設(shè)：鋼軌大修費(fèi)為X，折舊費(fèi)為Z，通過(guò)總重為t，維修費(fèi)為W(包括中修費(fèi)M、重傷軌搶修費(fèi)S、打磨費(fèi)Dm、清篩費(fèi)Q及搗固費(fèi)Dg)。

鋼軌折舊費(fèi)采用平均年限法，鋼軌折舊費(fèi)

Z=X-n×t

(1)

式中，n為相對(duì)于通過(guò)總重的折舊率。

維修費(fèi)

W=M+S+Dm+Q+Dg

(2)

鋼軌重傷線(xiàn)路調(diào)查分析表明，累計(jì)重傷鋼軌搶修費(fèi)S與累計(jì)通過(guò)總重t服從下列關(guān)系

S=A(a+bt+ct2)

(3)

式中，A為每處插入短軌費(fèi)用；t為通過(guò)總重，Mt；a、b和c均為擬合常數(shù)。

折舊費(fèi)和鋼軌維修費(fèi)總和為F，則

F=Z+W

(4)

鋼軌大修的最佳經(jīng)濟(jì)周期可用式(5)表述。

(5)

求解式(1)～式(5)可以獲得經(jīng)濟(jì)下道周期。

根據(jù)太原鐵路局提供大秦重載鐵路有關(guān)維修費(fèi)用數(shù)據(jù)，進(jìn)行了大秦重載鐵路鋼軌經(jīng)濟(jì)下道周期分析。結(jié)果表明：(1)累計(jì)通過(guò)總重與每千米鋼軌重傷量對(duì)應(yīng)二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向上時(shí)，每千米鋼軌重傷量隨通過(guò)總重加速上升，經(jīng)濟(jì)下道周期為20～30億t通過(guò)總重，其中，K164+000～K326+345地段計(jì)算經(jīng)濟(jì)下道周期取整為累計(jì)通過(guò)總重2 100 Mt，每千米重傷量取整為18處，母材重傷量取整為4處(圖7)；下行K476.100～K509.406地段，計(jì)算經(jīng)濟(jì)下道周期取整為累計(jì)通過(guò)總重2 650 Mt，對(duì)應(yīng)每千米重傷量取整為16處，每千米母材重傷量取整為10處(圖略)。(2)二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向下時(shí)，每千米鋼軌重傷量隨通過(guò)總重下降速率遞減，經(jīng)濟(jì)下道周期超過(guò)累計(jì)通過(guò)總重30億t。

鋼軌上道初期傷損多為生產(chǎn)制造缺陷產(chǎn)生的傷損[10]，隨通過(guò)總重增加，鋼軌傷損主要為疲勞傷損，每千米鋼軌傷損量與累計(jì)通過(guò)總重呈二次函數(shù)關(guān)系[10-11]。一般情況下，累計(jì)通過(guò)總重與每千米鋼軌重傷量對(duì)應(yīng)二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向上，拋物線(xiàn)開(kāi)口向上表示隨累計(jì)通過(guò)總重增加每千米鋼軌傷損量呈二次函數(shù)方式增加，反映在維修上的重傷維修費(fèi)將增加，由于折舊費(fèi)是逐漸遞減的，在這種情況下折舊費(fèi)和維修費(fèi)之和表現(xiàn)為先遞減后逐漸增加，折舊費(fèi)和維修費(fèi)之和存在拐點(diǎn)(經(jīng)濟(jì)下道周期)；當(dāng)鋼軌生產(chǎn)制造質(zhì)量高、使用、維修合理等情況下，在一定通過(guò)總重范圍內(nèi)累計(jì)通過(guò)總重與每千米鋼軌重傷量對(duì)應(yīng)二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向下，拋物線(xiàn)開(kāi)口向下表示隨累計(jì)通過(guò)總重增加每千米鋼軌傷損量呈二次函數(shù)方式遞減，反映在維修上的重傷維修費(fèi)將遞減，在這種情況下折舊費(fèi)和維修費(fèi)之和表現(xiàn)為遞減，折舊費(fèi)和維修費(fèi)之不存在拐點(diǎn)(經(jīng)濟(jì)下道周期)。

5 重載鐵路75 kg/m鋼軌大修換軌周期

根據(jù)我國(guó)路情，重載鐵路75 kg/m鋼軌換軌周期取決于安全性和經(jīng)濟(jì)性。

5.1 安全性方面

主要分析鋼軌重傷量以及運(yùn)營(yíng)實(shí)踐和重傷檢測(cè)。

比較2016年和2006年兩次統(tǒng)計(jì)大秦重載鐵路鋼軌重傷結(jié)果，2016年統(tǒng)計(jì)的累計(jì)通過(guò)總重15億t和17億t下鋼軌每千米重傷量10.43處(每千米母材重傷量3.8處)和每千米重傷量12.22處，遠(yuǎn)小于2006年統(tǒng)計(jì)的累計(jì)通過(guò)總重9億t(原75 kg/m鋼軌大修周期)每千米鋼軌重傷量14.1處，因此，2016年累計(jì)通過(guò)總重15億t每千米重傷總重傷不足11處與2006年(累計(jì)通過(guò)總重9億t)每千米鋼軌重傷量14.1處相比，安全可靠性方面不但沒(méi)有下降，而且進(jìn)一步提高了。從運(yùn)營(yíng)安全方面考慮，累計(jì)通過(guò)總重未達(dá)到15億t的成段鋼軌，如果每千米母材重傷量超過(guò)6處應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換；對(duì)出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕、嚴(yán)重滾動(dòng)接觸疲勞以及其他影響鋼軌安全使用的情況時(shí)，要及時(shí)更換鋼軌。

運(yùn)營(yíng)實(shí)踐方面：下行K476+100～K509+406地段鋼軌于2012年4月上道至2015年12月下道累計(jì)通過(guò)總重約19億t，每千米重傷量達(dá)到19處(每千米母材重傷量6處)。大秦線(xiàn)鋼軌下道最大累計(jì)通過(guò)總重已經(jīng)達(dá)到27億t(試驗(yàn)段)，因此，累計(jì)通過(guò)總重15億t母材每千米重傷4處、總重傷不足11處作為換軌周期可行。

重傷探測(cè)：目前鋼軌探傷周期與2005年至2006年探傷周期基本相同，能夠滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)要求。

5.2 經(jīng)濟(jì)性方面

采用經(jīng)濟(jì)學(xué)原理分析大秦重載鐵路75 kg/m鋼軌經(jīng)濟(jì)下道周期，結(jié)果表明，累計(jì)通過(guò)總重與每千米鋼軌重傷量對(duì)應(yīng)二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向上時(shí)，經(jīng)濟(jì)下道周期為每千米母材重傷量4～10處，每千米總重傷量為16～18處，通過(guò)總重為20～30億t；而二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向下時(shí)，每千米鋼軌重傷速率隨通過(guò)總重增加而遞減，經(jīng)濟(jì)下道周期超過(guò)累計(jì)通過(guò)總重30億t。實(shí)際上75 kg/m鋼軌實(shí)際下道周期均小于經(jīng)濟(jì)下道周期。

根據(jù)太原局提供的2015年運(yùn)量數(shù)據(jù)，下行K21+000～K349+530地段年通過(guò)總重為504 Mt，下行K349+530～K388+662地段年通過(guò)總重為494 Mt，下行K388+662～K557+073地段年通過(guò)總重為470 Mt，上述地段之和占整個(gè)重載線(xiàn)約83%，83%的地段年通過(guò)總重約為500 Mt，3年累計(jì)通過(guò)總重約為15億t。因此，大秦重載鐵路3年作為鋼軌換軌周期，既滿(mǎn)足安全性，又具有較好的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)便于鋼軌使用管理。

綜上所述，提出重載鐵路75 kg/m鋼軌大修周期為：75 kg/m鋼軌大修周期為無(wú)縫線(xiàn)路累計(jì)通過(guò)總重1 500 Mt，當(dāng)累計(jì)通過(guò)總重達(dá)到1 500 Mt后，如果鋼軌重傷量較小，可以繼續(xù)運(yùn)營(yíng)到每千米母材重傷量4～6處下道；累計(jì)通過(guò)總重未達(dá)到15億t的成段鋼軌，如果每千米母材重傷量超過(guò)6處應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換；對(duì)出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕、嚴(yán)重滾動(dòng)接觸疲勞以及其他影響鋼軌安全使用的情況時(shí)，要及時(shí)更換鋼軌。

累計(jì)通過(guò)總重與鋼軌重傷量相結(jié)合的大修換軌周期，可以實(shí)現(xiàn)鋼軌由“固定修”向“狀態(tài)修”過(guò)渡，根據(jù)鋼軌實(shí)際使用和重傷情況，避免鋼軌雖然達(dá)到了通過(guò)總重規(guī)定的換軌周期，但重傷量過(guò)小而提前下道，充分延長(zhǎng)鋼軌使用壽命。

6 75 kg/m鋼軌換軌周期提高的經(jīng)濟(jì)效益

線(xiàn)路維修費(fèi)用中日常修理、鋼軌檢查、人員工資和管理等費(fèi)用基本固定不變，即該部分費(fèi)用與通過(guò)總重成正比，利用累計(jì)通過(guò)總重10億t和15億t重傷鋼軌搶修、中修、大修、線(xiàn)路搗固、清篩和鋼軌打磨費(fèi)用數(shù)據(jù)及日常修理、鋼軌檢查、人員工資及管理等費(fèi)用與通過(guò)總重成正比關(guān)系，計(jì)算3個(gè)累計(jì)通過(guò)總重10億t和2個(gè)累計(jì)通過(guò)總重15億t維修費(fèi)之差，并扣除3個(gè)累計(jì)通過(guò)總重10億t比2個(gè)累計(jì)通過(guò)總重15億t多出的鋼軌殘值，獲得75 kg/m鋼軌換軌周期由10億t提高到15億t的經(jīng)濟(jì)效益約為每年每千米節(jié)約17萬(wàn)元。

考慮換軌周期延長(zhǎng)節(jié)約“天窗點(diǎn)”的經(jīng)濟(jì)效益。目前，均按1 min“天窗時(shí)間”為0.2萬(wàn)元換算經(jīng)濟(jì)效益，按大修180 min更換鋼軌1 km計(jì)算，考慮節(jié)約“天窗點(diǎn)”情況下?lián)Q軌周期由10億t提高到15億t的經(jīng)濟(jì)效益約為每年每千米節(jié)約23萬(wàn)元。

7 結(jié)論

(1)截止到2016年，大秦重載鐵路鋼軌焊接、核傷、擦傷和孔裂占總重傷比分別為59%，36%，4%和1%；大秦重載鐵路軌頭、軌底和軌腰重傷占總重傷比例分別為64%，30%和6%。

(2)2014年至2016年較2005年至2006年下道鋼軌焊接重傷占總重傷的百分比降低約18%，表明75 kg/m鋼軌焊接質(zhì)量明顯提高。

(3)2014年至2016年下道鋼軌累計(jì)通過(guò)總重15億t和17億t鋼軌加權(quán)每千米母材、焊接和總重傷量分別約為3.8處、6.6處和10.4處和4.6處、7.6處和12.2處。

(4)經(jīng)濟(jì)分析表明，累計(jì)通過(guò)總重與每千米鋼軌重傷量對(duì)應(yīng)二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向上時(shí)，經(jīng)濟(jì)下道周期為20～30億t通過(guò)總重，母材每千米重傷量取整為4～10處；而二次函數(shù)拋物線(xiàn)開(kāi)口向下時(shí)，經(jīng)濟(jì)下道周期超過(guò)累計(jì)通過(guò)總重30億t。

(5)75 kg/m鋼軌大修周期為無(wú)縫線(xiàn)路累計(jì)通過(guò)總重1 500 Mt，當(dāng)累計(jì)通過(guò)總重達(dá)到1 500 Mt后，如果鋼軌重傷量較小，可以繼續(xù)運(yùn)營(yíng)到每千米母材重傷量4～6處下道；累計(jì)通過(guò)總重未達(dá)到15億t的成段鋼軌，如果每千米母材重傷量超過(guò)6處應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換；對(duì)出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕、嚴(yán)重滾動(dòng)接觸疲勞以及其他影響鋼軌安全使用的情況時(shí)，要及時(shí)更換鋼軌。

(6)75 kg/m鋼軌換軌周期由10億t提高到15億t的經(jīng)濟(jì)效益約為每年每千米節(jié)約17萬(wàn)元，考慮節(jié)約“天窗點(diǎn)”的經(jīng)濟(jì)效益為每年每千米節(jié)約23萬(wàn)元。