朔黃重載鐵路鋼軌服役壽命研究

尚培培 劉秀波 馬帥

1.國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081

朔黃重載鐵路是我國(guó)西煤東運(yùn)的重要通道之一。自2015年開行2萬t重載列車以來，朔黃重載鐵路的運(yùn)量呈現(xiàn)逐年增大趨勢(shì)，給鋼軌服役帶來新的挑戰(zhàn)，因此有必要開展鋼軌服役壽命研究。

鋼軌服役壽命一直是重載鐵路重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。對(duì)于小半徑曲線，鋼軌磨耗是影響鋼軌服役壽命的決定性因素［1］。除了曲線半徑，鋼軌磨耗發(fā)展速率還與鋼軌材質(zhì)、列車軸重、運(yùn)量、鋼軌涂油等因素有關(guān)［2-5］。目前，朔黃重載鐵路主要以鋼軌磨耗達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)作為小半徑曲線換軌依據(jù)，但并未對(duì)換軌周期作出規(guī)定，TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》［6］也未規(guī)定75 kg/m曲線鋼軌換軌周期。對(duì)于大半徑曲線和直線，國(guó)內(nèi)外主要根據(jù)通過總質(zhì)量和鋼軌每千米重傷量確定換軌時(shí)機(jī)［7］。通過歷史數(shù)據(jù)分析，對(duì)大秦重載鐵路提出了累計(jì)通過總質(zhì)量1 500 Mt、每千米重傷量4~6處的鋼軌大修周期［8］，基于神朔鐵路每千米重傷量3~4處的失效標(biāo)準(zhǔn)提出了累計(jì)通過總質(zhì)量1 400 Mt的換軌周期［9］。目前，朔黃重載鐵路采用了周期修和狀態(tài)修相結(jié)合的策略，不僅制定了以累計(jì)通過總質(zhì)量為依據(jù)的直線鋼軌大修周期，還規(guī)定了基于曲線區(qū)段鋼軌磨耗、直線區(qū)段鋼軌每千米重傷量的鋼軌更換管理標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著鋼軌冶金質(zhì)量和焊接水平不斷提高，既有研究和TG/GW 102—2019提出的大修換軌周期并不完全適用于朔黃重載鐵路，部分線路區(qū)間存在累計(jì)通過總質(zhì)量已經(jīng)超過2 000 Mt但每千米重傷量遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)定限值的情況。

本文基于朔黃重載鐵路綜合檢測(cè)車、鋼軌探傷車、探傷小車、人工檢查等手段檢測(cè)的鋼軌磨耗、鋼軌傷損長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合線路臺(tái)賬、運(yùn)營(yíng)、維修等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究曲線段鋼軌磨耗和直線段（包括大半徑曲線段）鋼軌重傷量的發(fā)展規(guī)律并建立預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而提出與鋼軌狀態(tài)修失效標(biāo)準(zhǔn)相匹配的換軌周期建議值，為朔黃重載鐵路鋼軌合理使用提供幫助。

1 數(shù)據(jù)源

朔黃重載鐵路的原平區(qū)間（神池南站—三汲站）為山區(qū)線路，存在較多小半徑曲線段；而肅寧區(qū)間（三汲站—黃驊港站）為平原線路，主要為大半徑曲線段和直線段。兩個(gè)區(qū)間內(nèi)不同半徑曲線段長(zhǎng)度占各自區(qū)間正線總長(zhǎng)度的百分比見圖1。圖中對(duì)非整百米的曲線半徑進(jìn)行四舍五入處理，如實(shí)際為450 m的曲線半徑歸為500 m。重車線鋪設(shè)75 kg/m鋼軌，鋼軌材質(zhì)類型主要為U71Mn、U75V、U78CrV，曲線段多采用熱處理鋼軌。

圖1 朔黃重載鐵路不同半徑曲線段長(zhǎng)度占比

2 發(fā)展規(guī)律

2.1 曲線段鋼軌側(cè)面磨耗的發(fā)展規(guī)律

為了分析不同半徑曲線段鋼軌側(cè)面磨耗的發(fā)展規(guī)律，選取半徑R=500、800、1 000、1 500、3 000 m的曲線段各一條，繪制鋼軌側(cè)面磨耗隨累計(jì)通過總質(zhì)量的變化曲線，見圖2。由于曲線段鋼軌磨耗最大值的波動(dòng)性較大，圖中鋼軌磨耗為99%分位數(shù)統(tǒng)計(jì)值，即將某曲線段所有磨耗檢測(cè)數(shù)據(jù)視為一個(gè)樣本，取大于99%樣本容量的磨耗數(shù)據(jù)。此外，圖中累計(jì)通過總質(zhì)量為2015年以來的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，磨耗驟然降低為0表示發(fā)生了換軌。

圖2 曲線鋼軌側(cè)面磨耗隨累計(jì)通過總質(zhì)量變化曲線

由圖2可知：不同曲線半徑的鋼軌側(cè)面磨耗發(fā)展速率存在差異。隨著曲線半徑增大，鋼軌側(cè)面磨耗發(fā)展速率逐漸減小。R≤800 m時(shí)，鋼軌側(cè)面磨耗隨累計(jì)通過總質(zhì)量近似呈線性發(fā)展規(guī)律；R＞800 m時(shí)，鋼軌側(cè)面磨耗隨累計(jì)通過總質(zhì)量呈先緩慢發(fā)展、后近似線性的發(fā)展規(guī)律。這是由于在新軌服役初期，輪軌接觸點(diǎn)主要位于軌距角，鋼軌踏面下16 mm位置處（側(cè)面磨耗點(diǎn)）尚未發(fā)生磨耗，因此鋼軌側(cè)面磨耗存在前期緩慢發(fā)展階段；隨著累計(jì)通過總質(zhì)量增加，鋼軌廓形和輪軌接觸關(guān)系發(fā)生改變，側(cè)面磨耗點(diǎn)開始產(chǎn)生磨耗，從而進(jìn)入快速發(fā)展階段。當(dāng)曲線半徑較小時(shí)，鋼軌磨耗快，緩慢發(fā)展階段時(shí)間較短，總體呈現(xiàn)近似線性發(fā)展特點(diǎn)；曲線半徑越大，緩慢發(fā)展階段時(shí)間越長(zhǎng)，總體呈現(xiàn)分段、近似非線性的發(fā)展特點(diǎn)。此外，對(duì)于R＞800 m的曲線段，在側(cè)面磨耗尚未達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)（16 mm）時(shí)即進(jìn)行換軌，表明側(cè)面磨耗不再是鋼軌壽命的決定因素。

2.2 直線段鋼軌重傷量的發(fā)展規(guī)律

肅寧區(qū)間最小曲線半徑為800 m，以大半徑曲線段和直線段為主。將肅寧區(qū)間內(nèi)換軌時(shí)間相近的線路劃分為4個(gè)區(qū)間，繪制4個(gè)區(qū)間內(nèi)鋼軌母材（不含焊接和膠接絕緣接頭傷損）每千米重傷量（累計(jì)值）隨累計(jì)通過總質(zhì)量的變化曲線，見圖3。其中，區(qū)間1長(zhǎng)64.257 km，最近換軌時(shí)間為2018年9—10月；區(qū)間2長(zhǎng)31.015 km，最近換軌時(shí)間為2019年7—9月；區(qū)間3長(zhǎng)32.961 km，最近換軌時(shí)間為2018年8—10月；區(qū)間4長(zhǎng)32.797 km，最近換軌時(shí)間為2020年7—8月。

圖3 鋼軌每千米重傷量隨累計(jì)通過總質(zhì)量變化曲線

由于直線段鋼軌服役時(shí)間較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)源尚未覆蓋一個(gè)完整的換軌周期。由圖3可知：整體上，鋼軌每千米重傷量隨累計(jì)通過總質(zhì)量呈先緩慢發(fā)展、后近似線性的發(fā)展規(guī)律，但不同區(qū)間的發(fā)展速率存在差異。此外，各區(qū)間鋼軌均在每千米重傷量達(dá)到1處之前即進(jìn)行換軌，遠(yuǎn)未達(dá)到TG/GW 102—2019或文獻(xiàn)［8］中規(guī)定的每千米重傷量。

3 發(fā)展預(yù)測(cè)

由于鋼軌側(cè)面磨耗、每千米重傷量均具有先緩慢發(fā)展、后近似線性發(fā)展的規(guī)律，且不同曲線、不同區(qū)間的發(fā)展規(guī)律存在差異，因此針對(duì)每條曲線、每個(gè)區(qū)間單獨(dú)建模。利用線性模型、二次多項(xiàng)式模型、三次多項(xiàng)式模型，分別擬合鋼軌側(cè)面磨耗或每千米重傷量與累計(jì)通過總質(zhì)量的關(guān)系，將擬合度最優(yōu)的模型作為該條曲線（或區(qū)間）的預(yù)測(cè)模型。線性模型、二次多項(xiàng)式模型、三次多項(xiàng)式模型的函數(shù)式依次為

式中：t為累計(jì)通過總質(zhì)量，Mt；a、b、c、d為系數(shù)。

基于擬合度最優(yōu)的模型為

根據(jù)表2和表3數(shù)據(jù)，采用理論計(jì)算與有限元仿真模擬的方法，得出了四邊簡(jiǎn)支條件下雙壁厚類方形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)固有頻率的理論計(jì)算結(jié)果與有限元仿真模擬結(jié)果的誤差，如表4所示。表4表明，通過2種不同方法得到的數(shù)據(jù)吻合度較好，這說明采用上述蜂窩夾層板理論模型，并代入精確的類方形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)等效彈性參數(shù)，可得到較為精確的類方形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)固有頻率。

式中：g（*）為擬合度函數(shù)；y為數(shù)據(jù)真實(shí)值；K為數(shù)據(jù)容量，k=1，2，…，K。

為了評(píng)估模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，采用均方根誤差R、希爾不等系數(shù)T作為評(píng)估指標(biāo)，各指標(biāo)的定義詳見文獻(xiàn)［10］。R反映了絕對(duì)準(zhǔn)確度；T為相對(duì)準(zhǔn)確度指標(biāo)，其值介于0和1之間，越接近0準(zhǔn)確度越高。

擬合鋼軌側(cè)面磨耗、每千米重傷量與累計(jì)通過總質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系，并進(jìn)行預(yù)測(cè)。部分曲線或區(qū)間的擬合與預(yù)測(cè)結(jié)果見圖4。準(zhǔn)確度指標(biāo)結(jié)果見表1。

圖4 部分曲線或區(qū)間的擬合與預(yù)測(cè)結(jié)果

由圖4可知，利用提出的方法可以有效擬合和預(yù)測(cè)鋼軌磨耗及每千米重傷量的發(fā)展趨勢(shì)。

由表1可知：預(yù)測(cè)鋼軌磨耗的平均均方根誤差為0.517 mm，平均希爾不等系數(shù)為0.183；預(yù)測(cè)鋼軌每千米重傷量的平均均方根誤差為0.025，平均希爾不等系數(shù)為0.080。

此外，該方法相比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［11］具有計(jì)算簡(jiǎn)便、泛化能力強(qiáng)（不易于過擬合）等優(yōu)點(diǎn)。

4 鋼軌服役壽命與換軌周期建議值

TG/GW 102—2019規(guī)定了直線段和R＞2 000 m曲線段混凝土枕無縫線路75 kg/m鋼軌的大修周期為累計(jì)通過總質(zhì)量1 500 Mt，并在每千米重傷量達(dá)到4~6處時(shí)及時(shí)更換鋼軌；但未規(guī)定R≤2 000 m的75 kg/m鋼軌的換軌周期。目前，朔黃重載鐵路對(duì)直線段和R＞2 000 m曲線段的鋼軌采用了和TG/GW 102—2019相近的大修周期，而對(duì)R≤2 000 m的曲線段，要求在鋼軌磨耗達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)及時(shí)更換。可見，對(duì)于不同半徑曲線段，鋼軌換軌周期的規(guī)定尚有欠缺，同時(shí)現(xiàn)有的直線段鋼軌大修換軌周期偏保守，存在資源浪費(fèi)的問題。

為此，基于朔黃重載鐵路曲線段鋼軌側(cè)面磨耗與直線段鋼軌重傷量隨累計(jì)通過總質(zhì)量的發(fā)展規(guī)律，利用建立的預(yù)測(cè)方法反算曲線段鋼軌側(cè)面磨耗達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的累計(jì)通過總質(zhì)量，以及直線段鋼軌每千米重傷量達(dá)到4~6處時(shí)的累計(jì)通過總質(zhì)量，進(jìn)而提出和鋼軌換軌狀態(tài)修標(biāo)準(zhǔn)相匹配的周期修標(biāo)準(zhǔn)建議值，即換軌周期建議值。

表2統(tǒng)計(jì)了半徑為400、500、600、800 m所有曲線段的鋼軌側(cè)面磨耗達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的累計(jì)通過總質(zhì)量。表3統(tǒng)計(jì)了圖3中4個(gè)區(qū)間的鋼軌每千米重傷量達(dá)到4處和6處時(shí)的累計(jì)通過總質(zhì)量。

表2 R≤800 m曲線段鋼軌服役壽命推算結(jié)果

表3 直線段和R≥800 m曲線段鋼軌服役壽命推算結(jié)果

由表2可知：隨著曲線半徑的增大，鋼軌服役壽命的最大值呈增大趨勢(shì)，曲線半徑大于等于600 m時(shí)鋼軌服役壽命約為累計(jì)通過總質(zhì)量1 500 Mt；曲線半徑為400 m的鋼軌服役壽命的最大值與最小值差值較小，這是因?yàn)樵摪霃角€數(shù)量較少，且里程分布相對(duì)集中，線路條件相對(duì)穩(wěn)定。

由表3可知：不同區(qū)間鋼軌服役壽命存在較大差異，每千米重傷量達(dá)到4處時(shí)預(yù)測(cè)服役壽命最小值為累計(jì)通過總質(zhì)量3 200 Mt，每千米重傷量達(dá)到6處時(shí)預(yù)測(cè)服役壽命最小值約為3 900 Mt。因此，對(duì)于朔黃重載鐵路，累計(jì)通過總質(zhì)量1 500 Mt的大修周期明顯偏小，可延長(zhǎng)至2 000 Mt。

綜上，提出朔黃重載鐵路75 kg/m鋼軌換軌周期建議值，見表4。此外，對(duì)于半徑不超過800 m的曲線段，累計(jì)通過總質(zhì)量未達(dá)到換軌周期、但鋼軌側(cè)面磨耗的99%分位數(shù)達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)換軌；對(duì)于直線段和半徑超過800 m的曲線段，累計(jì)通過總質(zhì)量未達(dá)到換軌周期、但鋼軌每千米重傷量（不含焊接和膠接絕緣接頭傷損）達(dá)到4~6處時(shí)，應(yīng)及時(shí)換軌。

表4 朔黃重載鐵路75 kg/m鋼軌換軌周期建議值

5 結(jié)論

為提高朔黃重載鐵路鋼軌使用的合理性，本文基于朔黃重載鐵路綜合檢測(cè)車、鋼軌探傷車、探傷小車、人工檢查等手段檢測(cè)的鋼軌磨耗、鋼軌傷損長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合線路臺(tái)賬、運(yùn)營(yíng)、維修等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了曲線段鋼軌磨耗和直線段（包括大半徑曲線段）鋼軌重傷量的發(fā)展規(guī)律并建立預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而提出與鋼軌狀態(tài)修失效標(biāo)準(zhǔn)相匹配的換軌周期建議值。主要結(jié)論如下：

1）朔黃重載鐵路曲線段鋼軌側(cè)面磨耗和直線段鋼軌重傷量均具有先緩慢發(fā)展、后近似線性發(fā)展的規(guī)律，但不同曲線段、不同區(qū)間的發(fā)展規(guī)律存在差異性。對(duì)于半徑大于800 m的曲線段鋼軌，磨耗不再是鋼軌壽命的決定因素。

2）提出了曲線段鋼軌側(cè)面磨耗與直線段鋼軌重傷量發(fā)展預(yù)測(cè)模型。采用原理簡(jiǎn)單的線性模型、二次多項(xiàng)式模型、三次多項(xiàng)式模型，通過擬合度最優(yōu)方法建立預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)鋼軌磨耗的均方根誤差和希爾不等系數(shù)分別為0.517 mm、0.183，預(yù)測(cè)鋼軌每千米重傷量時(shí)分別為0.025、0.080。預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高，并具有計(jì)算簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

3）提出朔黃重載鐵路75 kg/m鋼軌換軌周期建議值，以及與狀態(tài)修相結(jié)合的鋼軌換軌修理策略。對(duì)于R≤400 m的曲線段，換軌周期（服役壽命）建議不超過通過總質(zhì)量700 Mt；對(duì)于400 m＜R≤500 m的曲線段，換軌周期建議不超過通過總質(zhì)量900 Mt；對(duì)于500 m＜R≤800 m的曲線段，換軌周期建議不超過通過總質(zhì)量1 500 Mt；對(duì)于直線段和R＞800 m的曲線段，換軌周期建議不超過通過總質(zhì)量2 000 Mt。