高速鐵路鋼軌平順性現(xiàn)狀及控制參數(shù)

石彤 楊光 王宗新 任屹

中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081

高速鐵路線路基礎(chǔ)設(shè)施直接承受列車荷載。列車荷載通過鋼軌傳遞到軌道結(jié)構(gòu)，再依次傳遞至下部基礎(chǔ)。鋼軌不平順幅值和波長變化均會引起車輛-軌道系統(tǒng)振動響應，其中鋼軌振動程度最大［1-2］。250 ～350 km/h行車速度等級的余弦形低塌、疊合形低塌、短波不平順幅值的安全限值均小于200 ～250 km/h 行車速度等級［3］。同時，在3 m 范圍內(nèi)的短波長不平順狀態(tài)下，高速列車產(chǎn)生的較高頻率激振易與軌道形成共振，對軌道產(chǎn)生很大的破壞力并發(fā)出劇烈的噪聲［4］。另外，在不平順嚴重處，輪軌間作用力最大可達靜輪載的3倍，并伴隨有輪軌脫離現(xiàn)象，大幅惡化鋼軌的工作狀態(tài)，縮短其壽命，并會對行車安全構(gòu)成威脅，同時會對不平順位置附近2 ～3處鋼軌支點的鋼軌-軌枕反力產(chǎn)生較大影響，造成支點反力增大，加速軌下膠墊老化［5］?？梢?，鋼軌平順性控制對于輪軌部件服役安全和使用壽命至關(guān)重要。列車運行速度提升后，輪軌系統(tǒng)對于鋼軌平順性變化更為敏感。

基于列車運行速度提升對鋼軌不平順控制的更高要求，有必要開展高速鐵路鋼軌平順性技術(shù)參數(shù)研究，明確鋼軌平順性關(guān)鍵幾何控制參數(shù)，保障鐵路運行的舒適性和安全性。本文從目前國內(nèi)外鋼軌平順性技術(shù)標準出發(fā)，結(jié)合鋼軌母材出廠檢驗和現(xiàn)場使用情況，研究高速鐵路鋼軌的平順性特點，分析高速鐵路鋼軌平順性關(guān)鍵控制參數(shù)，為更高速度條件下的鋼軌平順性技術(shù)提供依據(jù)。

1 國內(nèi)外鋼軌平順性控制標準

1.1 鋼軌標準

中國標準 TB/T 2344.1—2020《鋼軌 第 1 部分：43 kg/m～75 kg/m 鋼軌》、歐洲標準EN 13674‐1：2011+A1：2017《軌道交通軌道鋼軌第1部分：46 kg/m及以上T 型鋼軌》、日本標準JIS E1101—2001：+2006：+2012《熱軋平底鋼軌及道岔用特殊斷面鋼軌》、美國標準AREMA—2017《工程師手冊第4 章鋼軌》、俄羅斯標準ΓOCT P51685—2000：+2005：+2010《鐵路鋼軌通用技術(shù)條件》、韓國標準KRS TR 0001‐15（R）《鋼軌》對鋼軌母材平順性均有控制性要求，見表1。作為對比，將中國舊版標準TB/T 3276—2011《高速鐵路用鋼軌》也列在表中。

TB/T 2344.1—2020規(guī)定，對于運行速度200 km/h及以上，鋼軌軌端0 ～1.5 m部位要求垂直方向平直度不大于0.3 mm/1 m、不大于0.35 mm/1.5 m。不大于0.3 mm/1 m 是對于鋼軌生產(chǎn)廠家在鋼軌生產(chǎn)過程中對外觀質(zhì)量的自檢要求，采用廠內(nèi)自動檢測設(shè)備檢查；不大于0.35 mm/1.5 m 是第三方檢驗單位對鋼軌成品的檢測要求，采用1.5 m 平直尺進行檢查。對于軌身垂直方向，采用廠內(nèi)自動檢測設(shè)備檢測要求3 m范圍內(nèi)平直度不大于0.3 mm，是為了防止3 m 的矯直輥或軋輥造成的鋼軌不平順。

與 TB/T 3276—2011 相比，TB/T 2344.1—2020 主要將2 m范圍平直度的要求調(diào)整為1.5 m，更便于現(xiàn)場測試。

國外標準中對鋼軌平順性要求最嚴格的是歐洲標準。與歐洲標準相比，中國標準對軌身平直度控制要求相同，在軌端和重疊區(qū)平直度控制范圍和幅值存在細微差異，總體控制水平相當。可見，中國鋼軌平直度控制標準與國外先進標準接軌。

1.2 鋼軌維修標準

維修標準方面，TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》對鋼軌母材平直度的要求與TB/T 3276—2011相同。主要限制指標如下。

1）軌端。垂直方向：向上不大于0.3 mm/1 m 或不大于0.4 mm/2 m，向下不大于0.2 mm/2 m；水平方向：不大于0.4 mm/1 m或不大于0.6 mm/2 m；

2）重疊區(qū)。垂直方向：不大于0.3 mm/2 m；水平方向：不大于0.6 mm/2 m；

3）軌身。垂直方向：不大于0.3 mm/3 m 和不大于0.2 mm/1 m：水平方向：不大于0.5 mm/2 m。

TB/T 2344.1—2020 已于 2021 年 7 月 1 日正式實施，高鐵線路相關(guān)維修規(guī)則中關(guān)于鋼軌平直度的內(nèi)容也將隨之修訂。

2 鋼軌平順性現(xiàn)狀

2.1 出廠鋼軌平順性狀態(tài)

收集近10 年我國鋼軌生產(chǎn)廠家高速鐵路鋼軌軌端（貼標簽端、無標簽端）和重疊區(qū)（貼標簽端、無標簽端）的平直度出廠檢驗測試數(shù)據(jù)，共計12 607 個。平直度測試及檢驗方法按照TB/T 3276—2011，軌端測試位置距軌端0 ～2 m，重疊區(qū)測試位置距軌端1 ～3 m。

各鋼廠高速鐵路鋼軌平直度分布見圖1?？芍焊咚勹F路鋼軌平直度絕大部分控制在0.3 mm/2 m 以內(nèi)，極少數(shù)大于0.4 mm/2 m；A 廠—E 廠生產(chǎn)的鋼軌平直度在0.3 mm/2 m 內(nèi)的分別占比92.37%、96.32%、97.64%、95.09%、95.11%，B 廠、C 廠在 0.4 mm/2 m 以內(nèi)的占比高于 99%，A 廠、D 廠、E 廠在 0.5 mm/2 m 以內(nèi)的占比高于99%。

圖1 各鋼廠高速鐵路鋼軌平直度分布

統(tǒng)計所有鋼廠整體數(shù)據(jù)可知，鋼軌平直度控制在0 ～ 0.1（含）mm/2 m、0.1 ～ 0.2（含）mm/2 m、0.2 ～0.3（含）mm/2 m 的占比分別為47.58%、30.17%、16.88%，即能夠控制在0.3（含）mm/2 m 以內(nèi)的累計占比為94.62%；控制在0.3 ～0.4（含）mm/2 m、0.4 ～0.5（含）mm/2 m 及 0.5 mm/2 m 以上的分別占比為3.95%、1.11%、0.32%。

高速鐵路鋼軌平直度平均值隨時間變化曲線見圖2。可知，高速鐵路鋼軌平直度平均值整體呈下降趨勢，說明對該指標的控制越來越精準、高效，高速鐵路鋼軌平順性越來越好。

圖2 高速鐵路鋼軌平直度平均值隨時間的變化曲線

出廠時高速鐵路鋼軌不同部位的平直度分布見圖3。可知：軌端垂直方向、軌端水平方向、重疊區(qū)垂直方向、重疊區(qū)水平方向的平直度不合格占比分別為0.77%、0.14%、1.28%、0.04%，評判時其合格標準依次按不大于0.4 mm/2 m、不大于0.6 mm/2 m、不大于0.3 mm/2 m、不大于0.6 mm/2 m。由于規(guī)范對高速鐵路鋼軌重疊區(qū)垂直方向平直度要求最高，其不合格率相對較高。對于重疊區(qū)垂直方向，鋼軌平直度控制在0 ～ 0.1（含）mm/2 m、0.1 ～ 0.2（含）mm/2 m、0.2 ～0.3（含）mm/2 m 的分別占比為51.72%、30.79%、16.21%，即能夠控制在0.3（含）mm/2 m 以內(nèi)的累計占比為98.72%；控制在0.3 ～ 0.4（含）mm/2 m、0.4 ～0.5（含）mm/2 m的分別占比1.14%、0.14%。

圖3 高速鐵路鋼軌不同部位平直度分布

采用1 m 電子平直尺對鋼軌兩端距軌端2 ～3 m處進行垂直方向平直度測量，數(shù)據(jù)集中范圍見表2?？芍?，2019 年 A 廠、B 廠、D 廠的平直度偏差控制得相對較差。其原因是鋼軌生產(chǎn)線采用三機架連軋布置方式，軋件在三架軋機中穩(wěn)定軋制時，軋件處于平直狀態(tài)，但這種平直狀態(tài)是通過機架間的軋制力和連軋張力控制的，軋件脫離孔型時會出現(xiàn)張力突然消失的情況，產(chǎn)生甩尾現(xiàn)象。甩尾產(chǎn)生的擺動力使下一孔型的金屬充填出現(xiàn)瞬間異常，導致鋼軌軋制尾端局部不平順。只要存在連軋關(guān)系，就存在鋼軌尾端不平順的可能性。針對這一問題，鋼廠采用修磨的方式進行處理。2020 年采用全萬能或5 道次軋制方法進行改進，平順性提高明顯，鋼軌修磨明顯減少。

表2 1 m電子平直尺測量鋼軌距軌端2 ～3 m處垂直方向平直度集中范圍 mm

2.2 服役鋼軌平順性狀態(tài)

服役中的鋼軌母材不平順主要出現(xiàn)在高速鐵路有砟軌道，表現(xiàn)為鋼軌表面存在明顯光帶變化。一線路現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，鋼軌表面光帶出現(xiàn)明顯寬窄變化，如圖4 所示。用1 m 電子平直尺對寬光帶位置進行測量，發(fā)現(xiàn)該位置存在低塌現(xiàn)象，最大值為0.524 mm。對鋼軌低塌位置附近、鋼軌頭端及焊縫位置進行平直度測量，結(jié)果表明其他區(qū)域鋼軌平順性均較好。

圖4 一線路平順性較差鋼軌表面光帶

以百米為周期測試該線路其他3個區(qū)段的鋼軌母材平順性（測點均在鋼軌尾端），結(jié)果見表3?？芍摼€路母材不平順主要表現(xiàn)為鋼軌距軌端2 ～3 m 內(nèi)有0.3 mm以上的低塌，不滿足TG/GW 115—2012要求。

表3 一線路部分區(qū)段平直度

高速鐵路鋼軌百米周期性不平順主要表現(xiàn)為有砟軌道鋼軌距軌端2 ～3 m 內(nèi)存在0.3 mm/1 m 以上的母材不平順，這與鋼軌母材初始不平順有關(guān)，即三機架連軋過程中軋件脫離孔型時的失張甩尾，同時有砟軌道的線路條件也可能加速母材不平順劣化。

鋼軌軌面?zhèn)麚p也會導致鋼軌母材踏面不平順。一線路鋼軌擦傷形貌見圖5。經(jīng)電子平直尺測量可知，傷損位置存在0.23 mm 凹坑。對鋼軌表面進行硬度測試，傷損表面硬度最大約570 HB，傷損附近母材表面硬度約260 HB。

圖5 一線路擦傷傷損表面形貌

3 關(guān)鍵幾何控制參數(shù)分析

3.1 鋼軌平順性關(guān)鍵控制區(qū)域

從鋼軌平順性控制標準看，高速鐵路鋼軌主要從兩個方向和三個區(qū)域來限制其平直度。兩個方向包括垂直方向（垂向、行車面、軌頂面）和水平方向（側(cè)向、工作邊）；三個區(qū)域包括軌端（距軌端0 ～2 m）、重疊區(qū)（距軌端1 ～3 m）和軌身。從鋼軌出廠檢驗情況看，平直度控制相對較弱的區(qū)域是重疊區(qū)垂直方向。

從現(xiàn)場使用情況看，目前出現(xiàn)的平順性不良問題多發(fā)生于鋼軌重疊區(qū)垂向。某有砟客運專線開通一段時間后出現(xiàn)周期性鋼軌低塌不平順、線路高低、軌枕空吊等現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為距焊縫大里程方向2.2 ～2.8 m 出現(xiàn)軌頂面低塌、光帶加寬6 ～10 mm，大大增加了人工維修成本［6］。從現(xiàn)場鋼軌表面?zhèn)麚p情況看，鋼軌擦傷出現(xiàn)于軌頂行車面，傷損產(chǎn)生的凹坑影響軌頂行車面的平順性狀態(tài)。

從高速動車組運行情況看，動車組高速運行的區(qū)段為直線和大半徑曲線，輪軌主要接觸區(qū)域為軌頂行車面，而鋼軌工作邊平順性狀態(tài)對高速運行的動車組運行性能無影響。因此，鋼軌垂向的平順性狀態(tài)更為重要。

綜上，高速鐵路鋼軌應重點關(guān)注鋼軌重疊區(qū)垂向的平順性狀態(tài)。

3.2 鋼軌平直度形貌特征

利用電子平直尺分別對A 廠、B 廠、D 廠生產(chǎn)的鋼軌貼標簽端1.5 ～ 2.5、2.0 ～ 3.0、2.0 ～ 3.0 m 位置進行垂直方向平直度測量。從平直度大于0.3 mm/1 m的典型曲線可以看出，A 廠鋼軌平直度曲線主要呈現(xiàn)M 形和 W 形的變化特征，B 廠主要為 W 形和 N 形，D 廠多為V形（下凹），如圖6所示。

圖6 鋼軌平直度典型曲線

4 結(jié)語

通過與國外標準對比可知，中國鋼軌平順性標準與國際接軌，個別指標更為先進。國內(nèi)各鋼廠高速鐵路鋼軌母材出廠檢驗平直度大多控制在0.3 mm/2 m以內(nèi)（占94.62%），出廠水平良好；對重疊區(qū)垂直平直度的要求最高，控制在0.3（含）mm/2 m 以內(nèi)的占98.72%；平直度典型曲線主要為M 形、W 形、N 形和V形?，F(xiàn)場服役的高速鐵路鋼軌不平順主要表現(xiàn)為鋼軌距軌端2 ～3 m 內(nèi)存在0.3 mm/1 m 以上的低塌不平順和傷損鋼軌軌頂面不平順。

綜合分析鋼軌平順性技術(shù)標準、出廠檢驗情況、現(xiàn)場使用情況，結(jié)合動車組高速運行特點，高速鐵路鋼軌應重點關(guān)注重疊區(qū)垂向的平順性狀態(tài)。