P60N型鋼軌的地鐵服役效果試驗研究

向世雄 梁進學(xué) 薛晨紅 周劍華 鄭建國

(1.武漢地鐵運營有限公司，430030，武漢；2.寶鋼股份中央研究院(青山)，430080，武漢∥第一作者，工程師)

1 背景與現(xiàn)狀分析

武漢地鐵2號線(以下簡稱“2號線”)一期工程，于2012年12月28日開通試運營。其正線全長為27.73 km，最大坡度為35‰，采用的是P60型鋼軌；車輛類型為B型車，車輪踏面采用的是LM磨耗型踏面。

2號線開通試運營初期，正線鋼軌服役狀態(tài)正常，而9個月后在廣埠屯站—虎泉站、常青花園站—長港路站等區(qū)間的鋼軌陸續(xù)出現(xiàn)了軌面點狀、帶狀剝離掉塊及軌距角條狀拉痕等傷損。傷損出現(xiàn)的區(qū)域包括直線、曲線，無明顯發(fā)展規(guī)律。鋼軌典型傷損形貌見圖1。

a)帶狀剝離掉塊

對上述傷損鋼軌進行取樣檢驗。由檢驗結(jié)果知：鋼軌的化學(xué)成分、拉伸性能、金相組織等各項性能指標(biāo)均滿足鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(TB/T 2344.1—2020)的要求。經(jīng)分析認為：鋼軌出現(xiàn)剝離掉塊為滾動接觸疲勞傷損[1]，與輪軌接觸狀態(tài)關(guān)系密切。

針對我國鐵路P60型鋼軌與多種型面車輪混用，以及鋼軌軌面接觸疲勞傷損的現(xiàn)狀，為改善輪軌接觸關(guān)系，文獻[2]從P60N型鋼軌的廓形設(shè)計原理，與LM磨耗型踏面車輪接觸時的接觸應(yīng)力和等效錐度仿真計算，以及在客貨混運鐵路和高速鐵路上的試用試驗等方面，開展了研究工作。研究表明，P60N型鋼軌因輪軌接觸點更靠近軌頂踏面中心，可明顯改善輪軌接觸關(guān)系，減少了接觸應(yīng)力，從而減緩鋼軌接觸疲勞傷損的產(chǎn)生和發(fā)展。

本文開展了在地鐵服役環(huán)境下P60N型鋼軌對輪軌接觸關(guān)系改善方面的實踐研究。

2 P60N型鋼軌試用及效果

P60N型鋼軌與P60型鋼軌相比較，只對距軌頭踏面14.2 mm以內(nèi)的軌頭圓弧半徑進行了優(yōu)化，即從P60型鋼軌的三段圓弧(R13 mm、R80 mm和R300 mm)調(diào)整為四段圓弧(R8 mm、R16 mm、R60 mm和R200 mm)。兩者在距軌頭踏面14.2 mm以下的尺寸完全相同。兩種型號鋼軌軌頭廓形見圖2。在材質(zhì)、化學(xué)成分以及制造工藝等方面均未作調(diào)整。

尺寸單位：mm

為對比兩種型號的鋼軌廓形服役效果，選取了軌面剝離掉塊較嚴(yán)重的2號線小龜山站—洪山廣場站下行JD 34小半徑曲線上股作為試驗段。開展了P60N型鋼軌的試用試驗，以考察對鋼軌滾動接觸疲勞的改善效果。

2.1 試驗段基本情況

該區(qū)段曲線半徑為350 m，曲線長度為264 m，坡度為-18.5‰，線路既有鋼軌為熱軋U75V的P60型鋼軌。2015年10月25日—29日，將曲線上股200 m既有鋼軌更換為P60N型鋼軌，并保持原線路軌底坡不變[3]。

既有鋼軌下道時服役近3年，鋼軌軌距角剝離掉塊傷損嚴(yán)重，如圖3所示。鋼軌最大垂磨量為1.15 mm，最大側(cè)磨量為5.52 mm，如圖4所示。

圖3 既有P60型鋼軌下道時的軌面狀態(tài)

圖4 既有P60型鋼軌下道時的廓形

試驗段P60N型鋼軌上道后，分別在圓曲線和緩和曲線設(shè)置了跟蹤觀測點，從2015年11月至2021年10月定期對輪軌接觸面狀態(tài)、鋼軌硬度以及磨耗情況開展觀測。鋪設(shè)至今，除進行電動客車輪緣潤滑外，未采取打磨、銑磨等其他軌面治理措施。

2.2 P60N型鋼軌軌面狀態(tài)

P60N型鋼軌服役6年，除有25 m的鋼軌輪軌接觸面存在輕微無刺手感魚鱗紋外，其他輪軌接觸面均光潔、無剝離掉塊。圓曲線與緩和曲線光帶均靠近鋼軌內(nèi)側(cè)，光帶寬度約為40 mm，見圖5。對比該區(qū)段使用3年的P60型鋼軌，雖然P60N型服役年限是P60型鋼軌的2倍，但其軌面狀態(tài)明顯優(yōu)于P60。

圖5 P60N型鋼軌服役6年后的軌面狀態(tài)

2.3 P60N型鋼軌軌面加工硬化率變化規(guī)律

P60N型鋼軌在地鐵服役過程中，在輪軌接觸應(yīng)力的作用下，表層金屬會發(fā)生塑性變形；隨著塑性變形的不斷累積，表層金屬會發(fā)生加工硬化，當(dāng)加工硬化達到一定程度后，表層金屬容易產(chǎn)生微裂紋[4]。同時，由于輪軌之間的接觸摩擦，鋼軌表層金屬不斷被磨耗，當(dāng)鋼軌的磨耗速率大于鋼軌的加工硬化速率，其表面硬度會降低，反之硬度會增加。

采用便攜式硬度計對跟蹤點鋼軌的踏面和軌距角硬度進行定期測量，每個跟蹤點測5個有效值并取平均值。對比P60N型鋼軌服役6年的軌面硬度值，圓曲線測點踏面、軌距角硬度分別從 291 HB和323 HB增至320 HB和363 HB，硬化率分別為10.0%和12.4%(圓曲線P60N型鋼軌加工硬化率變化規(guī)律見圖6)；緩和曲線測點踏面、軌距角硬度分別從306HB和331HB增加至315HB和369HB，硬化率分別為2.9%和11.5%(緩和曲線P60N型鋼軌加工硬化率變化規(guī)律見圖7)。

圖6 圓曲線P60N型鋼軌加工硬化率變化規(guī)律

圖7 緩和曲線P60N型鋼軌加工硬化率變化規(guī)律

從圖6和圖7可以看出，圓曲線與緩和曲線鋼軌的加工硬化率變化規(guī)律基本相同。因為圓曲線與緩和曲線段輪軌接觸均靠近鋼軌內(nèi)側(cè)，鋼軌踏面的加工硬化輕微，軌距角的加工硬化相對嚴(yán)重。在鋼軌服役9至11個月時，軌距角的硬化率達到最大值，之后不斷降低;使用2年時，鋼軌軌頂面硬化率基本趨于穩(wěn)定，說明輪軌接觸狀態(tài)良好，鋼軌磨耗和硬化達到平衡狀態(tài)，鋼軌不容易出現(xiàn)魚鱗紋等疲勞傷損。

2.4 P60N型鋼軌磨耗變化規(guī)律

采用RM2012W鋼軌磨耗測量儀對P60N型鋼軌上道至服役6個月的磨耗進行測量，側(cè)磨發(fā)展速度相對較快直至側(cè)磨達1.4 mm，后期逐步趨緩。服役6年后圓曲線最大側(cè)磨為3.58 mm，緩和曲線最大側(cè)磨為1.85 mm，圓曲線鋼軌側(cè)磨發(fā)展略快于緩和曲線，如圖8所示。試驗段最大垂磨為1.8 mm，位于緩和曲線，略大于圓曲線的1.3 mm。服役 6 年后圓曲線P60N型鋼軌廓形見圖9。

圖8 P60N型鋼軌側(cè)磨變化規(guī)律

圖9 服役6年后圓曲線P60N型鋼軌廓形

對比該區(qū)段使用3年下道的P60型鋼軌，雖然P60N型服役年限是P60型鋼軌的2倍，但其側(cè)磨量僅為P60型鋼軌的64.86%。說明P60N型鋼軌可顯著改善小半徑曲線地段輪軌接觸狀態(tài)，減少接觸應(yīng)力，減緩鋼軌磨耗發(fā)展。

2.5 鋼軌波磨情況

由于試驗段只更換了曲線上股鋼軌，而下股既有鋼軌已存在一定程度波磨，這加快了試驗段P60N型鋼軌輕微波磨的形成。采用RMF1100波磨測量小車進行檢測，試驗段鋼軌波磨超限占比分布如圖10所示。P60N型鋼軌波磨的波長λ為30 mm≤λ<100 mm時超限(限值為0.01 mm)占比為10.1%；波長為100 mm≤λ<300 mm時超限(限值為0.015 mm)占比為20.4%；10 mm≤λ<30 mm、300 mm≤λ<1 000 mm時超限占比分別為1.7%和0.8%。總體來說，試驗段鋼軌上道6年存在一定波磨，但其發(fā)展速率較慢，服役效果理想。

圖10 試驗段鋼軌波磨超限占比分布

3 P60型鋼軌仿形打磨成P60N型前后服役效果對比

武漢地鐵3號線(以下簡稱“3號線”)范湖站—菱角湖站小半徑曲線段(曲線半徑為350 m，曲線長為197 m)列車運行輪軌噪聲大，嘯叫及晃車現(xiàn)象明顯。經(jīng)測量，該區(qū)段行車速度為38 km/h，司乘室噪聲值為85 dB，鋼軌最大側(cè)磨量為0.6 mm，曲下股光帶寬為25～45 mm，曲上股光帶寬為27～48 mm，光帶分布不均勻，且曲上股魚鱗紋較嚴(yán)重；緩圓點處下股光帶寬為40 mm，偏向工作邊一側(cè)，上股光帶寬為29 mm。

鑒于2號線P60N型鋼軌試驗段良好服役效果，同時參考由第三方開發(fā)的鋼軌廓形打磨策略軟件的指導(dǎo)意見，于2021年5月將該曲線上股既有P60型鋼軌仿形打磨成P60N型，下股保持P60廓形不變[5]。經(jīng)過一年的服役觀察，司乘室噪聲為73 dB，較打磨前降低了12 dB；鋼軌最大側(cè)磨量為0.8 mm，曲下股光帶寬為25～34 mm，上股光帶寬為29～36 mm，光帶光亮且分布均勻，軌面無明顯魚鱗紋，軌面狀態(tài)良好。緩圓點處下股光帶寬為26 mm且相對居中，上股光帶寬為33 mm。鋼軌軌面波磨主要分布于波長100～300 mm，超限占比為1.7%，波磨發(fā)展速率慢。

采用miniprof鋼軌廓形測量儀測量分析打磨前和打磨仿形為P60N型鋼軌服役1年后的輪軌接觸關(guān)系，如圖11、圖12。相比較，P60N型鋼軌輪軌關(guān)系更理想，輪軌接觸面增大，減少了軌距角處輪軌接觸和剝離掉塊等病害。

圖11 打磨前輪軌接觸關(guān)系示意圖

圖12 打磨使用1年后輪軌接觸關(guān)系示意圖

4 不同線路P60型鋼軌與試驗段P60N型鋼軌服役效果對比

武漢地鐵運營線網(wǎng)的正線除2號線試驗段采用P60N型鋼軌外，其他區(qū)域均采用P60型鋼軌。經(jīng)統(tǒng)計，在與P60N型試驗段曲線半徑(R=350 m)相同，曲線長度、超高、軌底坡等指標(biāo)相近的情況下，服役年限超過5年的P60型鋼軌普遍存在較明顯的魚鱗紋、波磨等疲勞傷損及局部剝離掉塊，曲上股最大側(cè)磨普遍在6 mm以上。武漢地鐵類似工況條件下鋼軌服役效果對比統(tǒng)計見表1。

表1 武漢地鐵類似工況條件下鋼軌服役效果對比統(tǒng)計表(R=350 m)

相比較而言，2號線是武漢軌道交通線網(wǎng)中最繁忙的骨干線路，其行車間隔最小，日均客流量最大(約為100萬乘次/d)，日均客運量是其他線路的1.6倍以上。但該線路鋪設(shè)的P60N型鋼軌無明顯的滾動接觸疲勞傷損，軌面狀態(tài)優(yōu)于2號線及其他線路類似工況條件下的P60型鋼軌。此外，由于改善了輪軌匹配關(guān)系，P60N型鋼軌磨耗速率降低，最大側(cè)磨值僅有P60型鋼軌的36%～60%。

5 結(jié)語

通過觀測2號線小半徑曲線段試鋪的P60N型鋼軌以及3號線既有P60仿形打磨成P60N型鋼軌的服役效果，可得出以下結(jié)論：

1)P60N型鋼軌服役6年后，輪軌接觸面光潔，無剝離掉塊，光帶分布合理，同時磨耗發(fā)展速度較慢，最大側(cè)磨量只有3.58 mm。曲線段鋼軌軌距角加工硬化率趨于穩(wěn)定，硬化率為11.5%～12.4%，鋼軌磨耗和加工硬化達到平衡狀態(tài)，不易出現(xiàn)疲勞傷損，鋼軌整體服役狀態(tài)良好。

2)將出現(xiàn)接觸疲勞傷損的P60型鋼軌仿形打磨成P60N型鋼軌服役1年后，軌面無明顯魚鱗紋，軌面狀態(tài)良好，達到預(yù)期效果。這說明通過打磨形成P60N型廓形，也能很好地改善輪軌匹配關(guān)系，其效果顯著。武漢地鐵P60N型鋼軌試驗段現(xiàn)鋪設(shè)的數(shù)量相對較少，但試驗結(jié)果與鐵路上廣泛應(yīng)用P60N型鋼軌所得到的結(jié)論一致：P60N型鋼軌可有效改善輪軌匹配關(guān)系，減少和減緩軌面疲勞的發(fā)生和發(fā)展。現(xiàn)計劃在新建線路中進一步加大P60N型鋼軌鋪設(shè)范圍，同時繼續(xù)跟蹤分析各工況條件下鋼軌服役效果。

3)P60N型鋼軌服役效果與理論研究分析結(jié)論一致，效果理想。建議在新建線路或大修改造施工中優(yōu)先選用P60N型鋼軌，以延長鋼軌服役年限，降低運維成本，同時降低打磨、銑磨和鋼軌更換等大型施工所帶來的安全風(fēng)險。