普速鐵路鋼軌傷損的分布規(guī)律

田常海 張金 俞喆 李闖 梁旭 林云蕾

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

鋼軌傷損主要與鋼軌材質(zhì)、鋼軌焊接、列車軸重、運(yùn)行速度、軌下基礎(chǔ)彈性、養(yǎng)護(hù)維修等因素有關(guān)。由于影響因素較多，在鋼軌傷損前很難使用解析方法預(yù)測和評估，只能使用統(tǒng)計(jì)、擬合、概率方法等預(yù)測鋼軌傷損［1-2］。

為確保鐵路行車安全，必須掌握鋼軌傷損發(fā)生發(fā)展規(guī)律和主要傷損類型，研究鋼軌傷損分布規(guī)律。課題組依據(jù)上海局提供的2004—2016年上海局管內(nèi)京滬線、滬杭線及全局普速鐵路鋼軌傷損數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析鋼軌傷損類型、分布及傷損規(guī)律。

1 普速鐵路干線鋼軌傷損分析地段

依據(jù)上海局提供的近年鋼軌鋪設(shè)及下道情況，選擇2004年上道至2016年前下道鋼軌進(jìn)行傷損統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。京滬線鋼軌達(dá)到了目前規(guī)定的鋼軌大修周期，滬杭線鋼軌還未達(dá)到鋼軌大修周期［3］。

表1 鋼軌傷損分析區(qū)段

2 鋼軌主要傷損類型及其分布特點(diǎn)

經(jīng)過多年鋼軌失效分析工作，形成了我國鐵路鋼軌傷損圖譜［4］。鋼軌傷損分為母材傷損、焊接傷損、使用過程中造成的擦傷等。母材傷損主要分為核傷和孔裂［5］。核傷主要包括白核、黑核、魚鱗紋、軌頭垂直或水平裂紋。焊接傷損分為鋁熱焊傷損、氣壓焊傷損和接觸焊傷損。

對鋼軌核傷的研究較多［6-9］。核傷在未發(fā)展到外表面時肉眼不可見，端口呈白色，稱“白核”；已擴(kuò)展到外表面時，因氧化變?yōu)楹谏?，稱“黑核”。

根據(jù)上海局提供的鋼軌庫、傷損庫、曲線庫、運(yùn)量庫以及2004—2016年間上道及下道鋼軌情況，對局管內(nèi)京滬線和滬杭線及全局普速鐵路鋼軌傷損進(jìn)行了傷損類型統(tǒng)計(jì)和對比分析。結(jié)果表明：①京滬線主要傷損為焊接傷損、核傷和孔裂，約占總傷損的50%，21%和20%；滬杭線主要傷損為孔裂、核傷和焊接傷損，約占總傷損的44%，33%和18%。②全局無縫線路主要傷損為核傷、孔裂、焊接傷損、擦傷及其他傷損，分別占總傷損的27%，28%，25%，5%和15%。③全局無縫線路核傷占比由2002年的34%下降到2014年的27%、焊接傷損占比由2002年的30%下降到2014年的25%。雖然京滬線焊接傷損達(dá)到了總傷損的1/2，但從全局看焊接質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)維修水平顯著提高。④2014年全局無縫線路鋼軌軌頭、軌腰和軌底傷損約占總傷損的25%，30%和45%，鋼軌傷損主要發(fā)生在接頭區(qū)域，約占總傷損的95%。⑤2014年上海局全局無縫線路鋼軌核傷中白核、黑核、魚鱗紋、軌頭垂直或水平裂紋分別占總傷損的4%，11%，7%和5%。⑥2014年全局無縫線路鋼軌孔裂傷損主要是膠結(jié)絕緣接頭傷損，約占64%，普通孔裂傷損約占36%。⑦2014年全局無縫線路鋼軌焊接傷損主要是鋁熱焊傷損和氣壓焊傷損，分別占總焊接傷損的72%和24%，接觸焊傷損僅占總焊接傷損的4%。因此，可提高鋁熱焊和氣壓焊的焊接質(zhì)量以及膠結(jié)絕緣接頭質(zhì)量，減小焊接傷損和孔裂；按目標(biāo)廓形對鋼軌進(jìn)行周期性打磨，減少鋼軌核傷。

3 鋼軌傷損隨季節(jié)的變化規(guī)律

按月份統(tǒng)計(jì)2010—2014年上海局管轄的無縫線路鋼軌傷損（見表2），發(fā)現(xiàn)孔裂傷損、焊接傷損和總傷損量均隨月份同步變化，冬季（12月—次年2月）鋼軌傷損占全年總傷損的31%，夏季（6—8月）鋼軌傷損占全年總傷損的17%，冬季鋼軌傷損率是夏季的1.8倍。建議冬季加強(qiáng)鋼軌探傷。

表2 2010—2014年上海局管轄的無縫線路月份鋼軌傷損占比 %

4 站區(qū)線路和區(qū)間線路鋼軌傷損量

站區(qū)線路為車站兩端最遠(yuǎn)信號機(jī)之間的線路區(qū)域，站區(qū)線路因包含大量道岔是鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié)。對于普速鐵路60 kg/m鋼軌在站區(qū)線路和區(qū)間線路傷損量還沒有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。利用上海局提供的鋼軌、傷損、運(yùn)量等數(shù)據(jù)庫，將站區(qū)線路和區(qū)間線路鋼軌傷損量分開統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：京滬線累計(jì)通過總質(zhì)量7.00～7.89億t時，站區(qū)線路每公里鋼軌平均傷損量為7.79處，區(qū)間線路每公里鋼軌平均傷損量為1.20處，站區(qū)線路每公里鋼軌平均傷損量約為區(qū)間線路的6.5倍。

大秦重載線茶塢工務(wù)段管轄地段平均站間距約30 km［5］，站區(qū)線路長度一般在2 km左右。當(dāng)站間距較大時，雖然站區(qū)線路鋼軌傷損量較高，由于區(qū)間線路長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于站區(qū)線路長度（區(qū)間線路長度與站區(qū)線路長度之比約14∶1），所以包含站區(qū)與區(qū)間的線路鋼軌平均傷損量與區(qū)間線路的鋼軌平均傷損量相差不大。蚌埠工務(wù)段管轄的京滬線曹山站（K833+409）—擔(dān)子站（K1 102+682），長269.273 km，車站26個，平均站間距10.771 km，站區(qū)線路長度一般在2 km左右，區(qū)間線路長度與站區(qū)線路長度之比約為4︰1。站區(qū)線路鋼軌傷損量較高導(dǎo)致包含站區(qū)和區(qū)間的線路鋼軌平均傷損量與區(qū)間線路鋼軌平均傷損量相差較大?？梢杂?jì)算出包含站區(qū)和區(qū)間的線路每公里鋼軌平均傷損量為2.54處，區(qū)間線路每公里鋼軌平均傷損量為1.20處，前者約為后者的2.1倍。

京滬線各地段每公里鋼軌傷損量與累計(jì)通過總質(zhì)量關(guān)系曲線見圖1?？梢姡孩倜抗镤撥墏麚p量與累計(jì)通過總質(zhì)量呈二次函數(shù)關(guān)系，每公里鋼軌傷損量隨累計(jì)通過總質(zhì)量增加而增加，不存在突變點(diǎn)；②累計(jì)通過總質(zhì)量7.0～7.9億t時，每公里鋼軌傷損量為1.72～4.22處，平均值約2.54處。

圖1 京滬線每公里鋼軌傷損量與累計(jì)通過總質(zhì)量關(guān)系曲線

5 鋼軌磨耗情況

2016年6月課題組對京滬線上行K177+000附近直線地段鋼軌進(jìn)行了現(xiàn)場測試。該段鋼軌材質(zhì)為U71Mn，2003年鋪設(shè)上道，截止2016年6月累計(jì)通過總質(zhì)量約7.55億t。將該段鋼軌實(shí)測廓形與標(biāo)準(zhǔn)廓形對比可得，左、右股鋼軌垂磨量分別為3.58，3.75 mm，均值為3.67 mm。下行K135+000附近直線地段U71Mn鋼軌垂磨量約4.5 mm，對應(yīng)累計(jì)通過總質(zhì)量為10.5億t。由于京滬線進(jìn)行了鋼軌打磨，因此鋼軌自然磨耗量（不含打磨量）應(yīng)小于測試值。累計(jì)通過總質(zhì)量8～10億t時鋼軌垂磨量（含鋼軌打磨量）約3.5～4.5 mm，遠(yuǎn)未達(dá)到鋼軌垂磨重傷標(biāo)準(zhǔn)11 mm。

6 結(jié)論

依據(jù)上海局管內(nèi)京滬線和滬杭線2004—2016年上道及下道鋼軌傷損數(shù)據(jù)，對鋼軌傷損率進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)分析。得到主要結(jié)論如下：

1）京滬線主要傷損為焊接傷損、核傷和孔裂，約占總傷損的50%，21%和20%；滬杭線主要傷損為孔裂、核傷和焊接傷損，約占總傷損的44%，33%和18%；與2002年相比，2014年上海局全局無縫線路焊接傷損和核傷占比下降5%～7%，從全局來看焊接質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)維修水平顯著提高。

鋼軌傷損主要發(fā)生在接頭區(qū)域，孔裂傷損主要是膠結(jié)絕緣接頭傷損，焊接傷損主要是鋁熱焊和氣壓焊傷損?？商岣咪X熱焊和氣壓焊的焊接質(zhì)量及膠結(jié)絕緣接頭質(zhì)量，減少焊接傷損和孔裂；按目標(biāo)廓形對鋼軌進(jìn)行周期性打磨，減少鋼軌核傷。

2）冬季鋼軌傷損率是夏季的1.8倍。建議冬季加強(qiáng)鋼軌探傷。

3）站區(qū)線路每公里鋼軌平均傷損量約為區(qū)間線路的6.5倍，包含站區(qū)和區(qū)間的線路每公里鋼軌平均傷損量約為區(qū)間線路的2.1倍。

4）每公里鋼軌傷損量與累計(jì)通過總質(zhì)量呈二次函數(shù)關(guān)系，每公里鋼軌傷損量隨累計(jì)通過總質(zhì)量增加而增加，不存在突變點(diǎn)。累計(jì)通過總質(zhì)量8～10億t時鋼軌垂磨量約3.5～4.5 mm，遠(yuǎn)未達(dá)到鋼軌垂磨重傷標(biāo)準(zhǔn)11 mm。