我國鋼軌軌型及定尺長度的百年發(fā)展歷程

周清躍

（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）

1 軌型的由來

鋼軌軌型和定尺長度是鐵路發(fā)展和冶金技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)。自1894年漢陽鐵廠建成投產(chǎn)，我國鋼軌生產(chǎn)已經(jīng)有127年的歷史。

鋼軌軌型舊時稱軌式、樣式，20世紀(jì)50年代鋼軌標(biāo)準(zhǔn)稱為品種（如重軌品種、輕軌品種等），現(xiàn)在鋼軌標(biāo)準(zhǔn)（TB/T 2344.1）稱為軌型，多以kg/m表示（公稱單重）［1］。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了不同軌型鋼軌的斷面型式尺寸（型式尺寸是指未考慮公差的理論尺寸）。國外對鋼軌軌型叫法也不同，美國標(biāo)準(zhǔn)將軌型稱為鋼軌斷面，歐洲標(biāo)準(zhǔn)稱為鋼軌廓形，日本標(biāo)準(zhǔn)稱為鋼軌類型。

現(xiàn)代鐵路鋼軌軌型均為工字形。工字形斷面最早由美國工程師史蒂文斯于1830年設(shè)計［2］，我國稱為工字形斷面，國外稱為T形鋼軌［3］。鋼軌工字形的形狀一直使用至今，只是在單重，軌頭、軌腰和軌底金屬分配，軌頭軌冠形狀等方面不斷改進(jìn)。

道岔鋼軌由于受力和加工的需要，歐洲標(biāo)準(zhǔn)將其歸為3類：非對稱鋼軌、對稱厚腰鋼軌和對稱全腰鋼軌［4］。目前我國納入標(biāo)準(zhǔn)的道岔用軌只有非對稱鋼軌，如50AT1、60AT1等［5］。

除以上斷面鋼軌外，還有輕軌（9～30 kg/m鋼軌）［6］、有軌電車用槽型軌［7-8］、起重機(jī)鋼軌［9］等。按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輕重軌的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：38 kg/m及以上為重軌（實際軌型有38、43、50、60、75 kg/m）；38 kg/m以下為輕軌（實際軌型有9、12、15、18、22、24、30 kg/m）。

2 我國鋼軌軌型發(fā)展

2.1 對稱斷面鋼軌

100多年來，我國鐵路曾經(jīng)使用的鋼軌軌型種類較多，但在我國制造和使用、曾納入標(biāo)準(zhǔn)的軌型不足15種［5，10］。

2.1.1 漢陽鋼軌

1894年漢陽鐵廠建成投產(chǎn)，1922年全面停產(chǎn)。這一時期，漢陽鐵廠生產(chǎn)了不同樣式的鋼軌用于我國鐵路建設(shè)，其中以英國標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本的85磅鋼軌納入我國第1個鋼軌標(biāo)準(zhǔn)《奏定八十五磅鋼軌及附屬品制造驗收通行章程》。

2.1.2 38～50 kg/m鋼軌（簡稱P38～P50）

1950年12月，原鐵道部頒布了《鐵路鋼軌及配件規(guī)范書（草案）》，規(guī)定鋼軌軌型有5種：中華30式、中華33式、中華38式、中華43式和中華50式。1953年，原重工業(yè)部和原鐵道部共同制定了重暫2—53《重軌品種》（品種即為軌型、規(guī)格，以蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本制定），納入標(biāo)準(zhǔn)的軌型有38、43、50 kg/m三種。GB 181—1963《每米50公斤鋼軌型式尺寸》、GB 182—1963《每米43公斤鋼軌型式尺寸》、GB 183—1963《每米38公斤鋼軌型式尺寸》中鋼軌型式尺寸沿用了重暫2—53規(guī)定；1981年，制定了GB 2585—1981《鐵路用每米38～50公斤鋼軌技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，其中鋼軌型式尺寸沿用1963年標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，只是尺寸公差進(jìn)行了修改（見GB 2585—1981編制說明）。TB/T 2344.1—1993《43 kg/m鋼軌軌型尺寸》、TB/T 2344.2—1993《50kg/m鋼軌軌型尺寸》、TB/T 2344.3—1993《60 kg/m鋼軌軌型尺寸》首次將60 kg/m鋼軌納入其中，而38～50 kg/m鋼軌的軌型均沒有發(fā)生變化。

自1951年重慶鋼鐵公司（簡稱重鋼）率先研發(fā)生產(chǎn)P38鋼軌以來，至20世紀(jì)60年代，我國鋼軌斷面從P38發(fā)展到P50。這3種鋼軌軌型為1個系列，軌頭均由R13、R300、R13 mm三段圓弧組成，軌頭側(cè)面沒有斜度，一直沿用至今，斷面沒有變化（2020年將P43、P50鋼軌軌頭側(cè)下顎圓弧由R2 mm改為R5 mm，其他均未改變［10］）。

2.1.3 60～75 kg/m鋼軌（簡稱P60～P75）

為了鐵路發(fā)展需要，20世紀(jì)70年代研發(fā)生產(chǎn)了P60鋼軌，80年代研發(fā)生產(chǎn)了P75鋼軌。

P60鋼軌斷面尺寸由中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所（簡稱鐵科院鐵建所）設(shè)計，主要尺寸參考了歐洲UIC60（60E1）鋼軌，除軌高高4 mm外，其他均基本相同，軌頭由3段弧組成，即R13、R80、R300 mm；軌頭側(cè)面從頂面以下14.2 mm開始設(shè)置1∶20斜度。

P75鋼軌斷面尺寸由鐵科院鐵建所設(shè)計，與蘇聯(lián)P75鋼軌斷面完全相同，軌頭由3段弧組成，即R15、R80、R500 mm；軌頭側(cè)面從頂面以下16.6 mm開始設(shè)置1∶20斜度。

2.1.4 新軌頭廓形鋼軌

為了改善輪軌匹配關(guān)系、提高動車組運行穩(wěn)定性、降低輪軌接觸應(yīng)力、降低鋼軌維養(yǎng)成本、延長輪軌使用壽命，同時滿足高速和重載鐵路發(fā)展需要，2011年中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所設(shè)計了新軌頭鋼軌P60N（N為英文NEW的縮寫）［11-12］，2013年設(shè)計了P75N鋼軌［13］，2020年設(shè)計了P50N鋼軌［14］。為了方便鋼軌互換，新軌頭廓形鋼軌僅修改了軌冠部位尺寸，其他尺寸均與原鋼軌相同。

2.2 非對稱斷面鋼軌

為了滿足道岔受力和道岔加工需要，我國于20世紀(jì)70年代起由鐵科院鐵建所設(shè)計了50AT和60AT鋼軌，其中AT為矮型特種斷面拼音縮寫，數(shù)字50、60分別代表用于50、60 kg/m鋼軌的軌道，鋼軌單重分別為69.3、82.2 kg/m。

隨著高速鐵路的發(fā)展、道岔技術(shù)的引進(jìn)，我國鐵路和冶金部門又研發(fā)了60AT2（60D40）、60AT3（Zu1-60）、60TY（翼軌用特殊斷面）3種道岔鋼軌。其中：60AT2與歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN 13674.2）中的60E1A5相同；60AT3與歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN 13674.2）中的60E1A1相同，60TY為我國自主設(shè)計的斷面，是在60 kg/m鋼軌基礎(chǔ)上加寬了軌頭和軌腰厚度。

2.3 不同軌型鋼軌研發(fā)和首軋情況

1950年5月10日，重鋼利用1938年從漢陽鐵廠遷來的800 mm軋機(jī)，利用自煉小鋼錠試軋出新中國成立后的第1根12.5 m長85磅鋼軌；1951年試軋P38鋼軌成功。

1953年和1956年，鞍山鋼鐵公司（簡稱鞍鋼）在我國率先分別生產(chǎn)出P43和P50鋼軌。2021年，我國首根P50N鋼軌在鞍鋼下線。

1965年武漢鋼鐵公司正式生產(chǎn)P43和P45鋼軌（生產(chǎn)P45鋼軌40余萬t，其中出口坦贊20萬t，我國使用20余萬t，但P45鋼軌軌型最終未納入正式標(biāo)準(zhǔn)）。

1970年包頭鋼鐵公司（簡稱包鋼）正式生產(chǎn)P50鋼軌，1976年和1984年在我國率先試制成功P60和P75鋼軌。

1975年攀枝花鋼鐵公司（簡稱攀鋼）正式生產(chǎn)P50鋼軌，1979年試制成功P60鋼軌，1985年試制成功P75鋼軌；2011年攀鋼首根P60N鋼軌下線，2013年首根P75N鋼軌下線。

2013年邯鄲鋼鐵公司正式生產(chǎn)P60鋼軌。

目前道岔鋼軌主要由攀鋼生產(chǎn)。1977年，攀鋼研發(fā)成功50AT鋼軌；1979年，包鋼研發(fā)成功60AT鋼軌；1999年，攀鋼研發(fā)成功60AT鋼軌；2010年，攀鋼60AT在線熱處理鋼軌通過上道審查，開始上道使用；2005年，攀鋼60AT2（60D40）鋼軌軋制成功；2011年，攀鋼60AT2在線熱處理鋼軌通過質(zhì)量認(rèn)證；2007年，攀鋼60TY鋼軌研發(fā)成功并上道使用。

2.4 我國鋼軌軌型發(fā)展相關(guān)建議

我國鋼軌軌型從新中國成立前進(jìn)口多個國家的多種軌型，到20世紀(jì)50年代根據(jù)蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)自主研發(fā)生產(chǎn)的P38和P43、60年代P50、70年代P60、80年代P75，鋼軌軌型得到了很大發(fā)展，尤其新中國成立后鋼軌單重逐步提高，滿足了我國鐵路軸重和速度發(fā)展的需求。目前我國鐵路P60軌道結(jié)構(gòu)已成為主要軌道結(jié)構(gòu)，至2017年底占正線總延長86.3%［15］、2021年底占正線總延長90.0%以上。隨著高速鐵路的發(fā)展，新軌頭廓形的研發(fā)極大改善了輪軌接觸關(guān)系，不僅提高了高速鐵路動車組運行穩(wěn)定性和旅客舒適性，同時對減少鋼軌病害出現(xiàn)、延長鋼軌使用壽命、降低鋼軌維養(yǎng)成本具有重要作用，2016年以后國家鐵路基本使用P60N鋼軌。在道岔鋼軌方面，我國普速鐵路主要使用50AT1、60AT1；高速鐵路主要使用60AT2、60AT3、60TY，道岔軌型的發(fā)展?jié)M足了道岔制造的需要。但在鋼軌軌型方面仍有以下工作需要開展。

2.4.1 軌型系列化

美國AREMA標(biāo)準(zhǔn)推薦新建鐵路使用軌頭廓形優(yōu)化后的115RE、136RE和141RE鋼軌。美國鐵路軸重大（達(dá)到30～35 t），主要使用136RE（68 kg/m）鋼軌；美國曾用5年多時間對141RE鋼軌進(jìn)行試用評價，結(jié)果表明141RE鋼軌單重比136RE增加3 kg/m，但使用壽命并沒有相應(yīng)提高，養(yǎng)修工作量也沒有明顯減少。因此，即使35～40 t軸重的鐵路，美國有關(guān)部門仍推薦使用136RE鋼軌，說明美國鐵路對鋼軌軌型經(jīng)濟(jì)性和性價比的重視程度。

在軸重不大的重載鐵路使用單重很大的鋼軌，既不經(jīng)濟(jì)，又由于焊接面積大、導(dǎo)致接頭傷損多。我國鐵路除P60鋼軌外，其他軌型（P38、P43、P50和P75）均采用蘇聯(lián)軌型尺寸，大秦鐵路使用P75鋼軌，該種鋼軌目前在俄羅斯使用不多。瓦日鐵路設(shè)計軸重30 t，選用P60鋼軌，使用效果需進(jìn)行長期跟蹤觀測。

美國鋼軌軌型系列為115RE、136RE和141RE，軌頭廓形統(tǒng)一；俄羅斯鋼軌軌型系列為P50、P65和P75，軌頭廓形統(tǒng)一；我國鋼軌軌型系列為P50、P60和P75。隨著重載鐵路的發(fā)展，是否需要在50和75 kg/m之間研發(fā)一種單重為65～68 kg/m的鋼軌，需盡快開展研究。

2.4.2 軌頭廓形統(tǒng)一

為了降低輪軌接觸應(yīng)力、減少打磨工作量、延長鋼軌使用壽命，美國也對軌頭廓形進(jìn)行了優(yōu)化。首先優(yōu)化了136RE（68 kg/m）鋼軌，并于2003年首次納入AREMA標(biāo)準(zhǔn)，2007年又對其進(jìn)行修改。2011年將新軌頭廓形應(yīng)用于美國鐵路常用的115RE和141RE新制鋼軌中，2017年又應(yīng)用到132RE鋼軌中，形成了鋼軌軌頭的統(tǒng)一廓形，4種新軌頭廓形軌冠尺寸主要由約R200、R44、R14 mm（8、1.75、9/16英寸）等幾個圓弧構(gòu)成。新廓形鋼軌納入標(biāo)準(zhǔn)后，舊廓形鋼軌在標(biāo)準(zhǔn)中被刪除。

俄羅斯使用的P50、P65和P75鋼軌也具有統(tǒng)一軌頭廓形，其軌冠由R15、R80、R500 mm三個圓弧組成。

2016年以來，我國國家鐵路網(wǎng)基本采用P60N鋼軌，但道岔區(qū)域未采用，主要靠鋼軌打磨來優(yōu)化軌頭廓形；P50N鋼軌也基本沒有在國家鐵路推廣應(yīng)用。可見即使在國家鐵路網(wǎng)也未形成統(tǒng)一的軌頭廓形，給輪軌關(guān)系的優(yōu)化管理帶來一定困難，需繼續(xù)開展相關(guān)軌頭廓形統(tǒng)一工作。

3 鋼軌定尺長度發(fā)展和演變

我國鋼軌定尺長度，漢陽鐵廠時期為9.144 m（30英尺）。1922年和1936年頒布的2個鋼軌標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的定尺長度為10、12 m。1950年鋼軌標(biāo)準(zhǔn)首次出現(xiàn)了12.5 m和15 m；重暫2—53明確規(guī)定了鋼軌的定尺長度為12.5 m一種；GB 181—1963規(guī)定鋼軌定尺長度在保留12.5 m基礎(chǔ)上，首次納入25 m定尺鋼軌。從此，鋼軌定尺長度主要有12.5 m和25 m兩種。1966年12月，鞍鋼首次生產(chǎn)出25 m定尺長度的P43鋼軌［16］；TB/T 2344—2003首次納入50、100 m定尺鋼軌，2003年鞍鋼生產(chǎn)出我國首根50 m定尺鋼軌；2004年12月，攀鋼生產(chǎn)出我國首根具有自主知識產(chǎn)權(quán)的百米定尺鋼軌。

國外鋼軌定尺長度情況為：日本150 m（實際應(yīng)用為50 m）、德國120 m、法國80 m、美國24.4 m（80英尺）、俄羅斯25 m。

鋼軌長定尺生產(chǎn)具有如下優(yōu)點：

（1）減少接頭數(shù)量。接頭數(shù)量越少鐵路運營安全性越高，同時因平順性提高，一方面增加了旅客舒適性，另一方面大幅減少鋼軌焊接工作量和線路維養(yǎng)工作量。

（2）去掉軌端探傷盲區(qū)。鋼軌生產(chǎn)過程中采用在線探傷，探頭起落需一段時間，兩端至少有0.3～0.5 m鋼軌不能準(zhǔn)確探傷，而鋼軌定尺長度為12.5 m或25 m時，兩端鋸切量不足0.5 m，導(dǎo)致軌端存在探傷盲區(qū)。

（3）去掉軌端矯直盲區(qū)。鋼軌生產(chǎn)采用平立復(fù)合輥矯，鋼軌進(jìn)出矯直機(jī)時兩端至少有1 m鋼軌矯直不充分，所以鋼軌定尺長度為12.5 m或25 m時存在矯直盲區(qū)；同時，軌端壓下量與鋼軌本體壓下量不同，表現(xiàn)為兩端鋼軌軌高比本體高出0.3～0.5 mm，這對保證鋼軌軌高一致性從而保證軌道的平順性不利。

鋼軌采用長定尺生產(chǎn)后，矯直前鋼軌長度達(dá)到103 m以上，在完成矯直和探傷后，可切除兩端各0.5～1.5 m鋼軌，將探傷盲區(qū)和矯直盲區(qū)徹底去除，有效提高鋼軌端頭質(zhì)量。百米定尺鋼軌的研制成功，為我國高速鐵路建設(shè)奠定了堅實基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與建議

20世紀(jì)50年代，我國鐵路使用P38、P43鋼軌；60年代開始主要使用P50鋼軌（正線P50鋼軌，站線P43鋼軌）；70年代開始使用P60鋼軌；80年代開始在大秦鐵路使用P75鋼軌。

隨著高速和重載鐵路的發(fā)展，2011年我國自主設(shè)計研發(fā)了新軌頭廓形鋼軌P60N，2013年設(shè)計研發(fā)了P75N鋼軌。目前我國鐵路干線大量使用60 kg/m鋼軌。截至2021年底，線路鋪設(shè)的60 kg/m鋼軌占90%以上，60 kg/m軌道結(jié)構(gòu)成為我國鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)。

我國于20世紀(jì)70年代設(shè)計研發(fā)了道岔用50AT、60AT鋼軌；21世紀(jì)初研發(fā)了60AT2、60AT3和60TY鋼軌，道岔軌型的發(fā)展?jié)M足了道岔制造的需要。

關(guān)于鋼軌的定尺長度，從漢陽鐵廠時期的9.144 m（30英尺）發(fā)展到2004年12月我國首根具有自主知識產(chǎn)權(quán)的百米定尺鋼軌下線，為我國高質(zhì)量建設(shè)高速鐵路提供了保障。

針對我國鐵路鋼軌軌型發(fā)展中存在的問題，提出如下建議：

（1）盡快統(tǒng)一軌頭廓形，尤其道岔區(qū)軌頭廓形應(yīng)盡快與區(qū)間鋼軌軌頭廓形相一致。

（2）積極研發(fā)新軌型鋼軌（如65～68 kg/m鋼軌），適應(yīng)我國重載鐵路發(fā)展需要。

（3）新設(shè)計鋼軌軌型時需根據(jù)我國鐵路情況進(jìn)行優(yōu)化。