神華包神鐵路鋼軌傷損研究與管理探索

王清龍（神華包神鐵路集團有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 017000）

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神華包神鐵路鋼軌傷損研究與管理探索

王清龍
（神華包神鐵路集團有限責任公司,內蒙古 鄂爾多斯 017000）

摘 要：隨著包神鐵路運量的不斷上升，鋼軌損傷數量成級數增長，鋼軌的使用壽命嚴重縮短，針對包神線鋼軌傷損情況進行了分類總結，并從加強線路維修、提高線路養護、焊接質量、等方面提出了針對性的分析，并根據鋼軌損傷的類型和規律提出了預防及控制措施。

關鍵詞：工務；重載鐵路；鋼軌傷損

1 概述

神華包神鐵路公司是神府東勝煤炭外運的大通道，從2007年開始貨運量均超過億噸大關，2012年隨著萬噸列車開行，軸重、運量逐年遞增，鋼軌能否安全服役直接影響到行車安全。

表1 包神近年鋼軌重傷統計表

隨著包神線運量的不斷增長，鋼軌傷損數量增長迅速，2014年鋼軌傷損數量較2011年增長了307%，而同期運量只增長了128%。可以看出隨著運量的持續增長，鋼軌已經進入了疲勞期，導致核傷在2014年出現了跳躍式增長。2015年因為運量下滑尤其是北線運量持續下降加上下行K140新換無縫鋼軌的影響，傷損總量下降，特別是裂紋傷損數量下降明顯。

2 包神鋼軌傷損現狀及分類

鋼軌在大運量重載之下，長期處于惡劣的工作環境中，在列車動靜載荷作用下，鋼軌經常傷損而造成失效，如核傷、螺孔裂紋、壓潰、磨耗、掉塊等現象，使輪軌耦合狀況進一步惡化，造成鋼軌壽命縮短、線路工隊線路養護工作量增加、養護成本增加，進而嚴重影響輪軌耦合，嚴重影響列車行車安全。

3 鋼軌傷損主要形式

3.1 新鋪鋼軌工藝缺陷

新鋪鋼軌工藝缺陷是指鋼軌在制造過程中含有過量的磷、硅、硫等有害元素, 使鋼軌在一定的情況下發生脆性斷裂。因此,新鋪鋼軌主要側重于鋼軌工藝缺陷的探傷，這樣可以在發現鋼軌傷損時, 同時可以監控同一批爐號的鋼軌狀態。因此，新鋪鋼軌探傷主要針對針對鋼軌制造缺陷，而在役鋼軌探傷則針對鋼軌疲勞缺陷。這兩種缺陷形態、分布、大小、位置都大不相同，所以探傷所采用的標準、工藝、方法完全不同。

3.2 鋼軌側面磨耗

鋼軌曲線側面磨耗主要是由于轉向架走行部輪緣與鋼軌側面之間的滾動摩擦造成的，其值大小等于輪緣與鋼軌側面之間的鋼軌導向力與摩擦距離的乘積，也即滑動摩擦功。隨著鋼軌服役時間的增長，受材質和工作環境的影響，鋼軌不可避免的會產生各種傷損。主要包括鋼軌磨耗、壓潰、軌頭剝離掉塊、疲勞、銹蝕、擦傷等。側磨主要表現在曲上股側磨，曲下股壓寬，以包神線K43-K48小曲線處所側磨尤為嚴重。

3.3 魚鱗傷損

魚鱗傷是指鋼軌表面一種類似魚鱗狀金屬碎裂的疲勞傷損，裂紋起源于鋼軌軌頭內側圓弧附近，沿著列車運行方向延伸，裂紋附近常有黑影。魚鱗傷損裂紋和黑影沿鋼軌橫向發展，魚鱗傷損的寬度一般是6-20mm，最深點一般在魚鱗裂紋的前內角，最深甚至可達到20mm。

隨著線路運行速度、車輛軸重、運量的增加，魚鱗傷損增長迅速，以包神線下行K155-K158，K22+800-K23+400較為嚴重，不僅在曲線上股、道岔基本軌、導曲線，在直線地段都有發生和發展。

一般通過總重達到10Mt-15Mt 時，首先在曲線上發生然后向直線地段延伸，并由魚鱗裂紋發展為剝離，掉快、魚鱗下核傷。甚至擴展成軌頭橫向裂紋，嚴重威脅行車安全。

3.4 鋼軌核傷

鋼軌核傷是目前鋼軌最主要的傷損形式之一, 2015年包神線核傷占重傷總數的56%。鋼軌核傷主要集中發生在下行曲上股內側。由表1中統計數據可得出，鋼軌核傷發生在曲上股，隧道、長大橋梁上的較多，鋼軌傷損主要發生在氣溫較低的 11月至次年3月的防斷期內，核傷的發生與線路平縱斷面技術條件、道床彈性、運量、軸重等因素緊密相關。

3.5 焊縫傷損

鋼軌焊接長鋼軌線路是無縫線路鋪設的首要條件 , 也是無縫線路鋪設的關鍵技術，不管是哪種類型的焊縫（接觸焊、氣壓焊、鋁熱焊），焊接接頭的質量與后期的焊接傷損密切相關。焊縫及熱影響區的金屬力學性能降低是造成焊縫傷損的主要原因。焊縫與鋼軌母材相比, 其抗拉強度、硬度分別約為母材的 95%和 93%左右，機械性能相對降低,因此,受列車長期動靜載荷的碾壓和沖擊,線路極易形成肥邊及各種病害,就會造成線路軌枕空吊板、道碴坍白, 如果不及時打磨,無縫線路最薄弱處的焊縫可能造成沖擊破壞,形成惡性循環,從而發展成焊縫傷損,進而造成鋼軌折斷。進入2013 年以來, K95曾發生過焊縫脆斷 ,雖然每年焊縫重傷鋼軌一直保持在6根以下，但是隨著鋼軌疲勞期的到來，國鐵無縫線路焊縫傷損一般要占到傷損總數的30%，所以焊縫探傷仍然不可掉以輕心。

3.6 剝離掉塊

自包神線萬噸列車開行以來,尤其是在小半徑曲線地段，如K85-K86處曲上股軌面剝離掉塊嚴重。軌面的剝離掉塊在列車的碾壓下, 形成應力源 ,鋼軌在車輪的反復沖擊下, 極易造成斷軌 。

3.7 軌面擦傷

以布爾臺、上灣等運量較大的專用線、磁窯灣8、9道、下行K142大坡道處重車車輪空轉擦傷最為嚴重 ,擦傷最大深度甚至達11 mm。

3.8 裂紋

螺孔裂紋在有縫或無縫線路鋼軌傷損中均占有較高比例。尤其是在普通線路中，螺栓孔裂紋傷損主要與母材質量、螺孔質量、線路接頭養護水平等有關。螺孔裂紋主要發生在列車通過時接頭受力較大的始入端第一孔及隧道中的有縫線路上。螺栓孔裂紋大部分產生于第一螺栓孔內壁上，也可能在孔壁一處或多處發生，螺栓孔裂紋產生的時間是隨機的，在鋼軌服役的整個過程中都可能出現。

4 鋼軌傷損控制方案的探討

4.1 傷損原因分析

隨著通過總重的積累, 鋼軌在役期間不可避免地要發生各種各樣的傷損，其原因則主要是鋼軌制造工藝造成內外部存在各種缺陷,鋼軌存在的氫致白點、氣泡、夾渣、偏析、疤瘤、剝離、擦碰傷、焊接質量不良、等都可能進一步發展為鋼軌傷損。

針對鋼軌傷損，大量科研人員從線路平縱斷面、軌道結構、機車車輛構造、機車軸重、母材的元素成分、鋼軌冶煉工藝、鋼軌軋制工藝以及鋼軌的殘余應力等方面進行過探討，但是結果均不理想。

4.2 傷損控制策略

眾所周知，鋼軌類型與重載運輸不匹配是鋼軌磨耗嚴重和發生傷損的主要原因。根據包神鋼軌傷損的情況, 從鋼軌的打磨 、修理、道床整修 、探傷方法等方面入手, 對大軸重、大運量的重載運輸條件下,鋼軌傷損的預防 、整治有著積極的指導作用。

（1）加強道床整修是減少鋼軌傷損的有效基礎工作,道床整修能夠提高軌道彈性 、減少列車對鋼軌的沖擊載荷。目前包神線道床大機搗固清篩安排在每年集中進行 ,受到較大的局限性,還不能做到全面覆蓋。適當增加大機清篩搗固次數，及時消除軌道的不平順及幾何尺寸超限處所，改善線路的平順度，尤其是加強焊縫接頭處的維修保養，使道床飽滿密實，加強對爬行地段鋼軌的應力放散，從而減少應力集中，改善鋼軌受力情況，為減少鋼軌傷損提供良好基礎。

（2）對發生嚴重側磨的區段處所, 可重新進行超高設置, 可考慮設置欠超高，涂油脂等方法減少磨耗速度。鋪設熱塑體彈性膠墊 、軌枕更換為Ⅲ型軌枕、及時補充道床道砟、保證道床厚度、保持清潔度等手段提高軌道彈性,改善軌道的平順性，以減少車輪對軌道的沖擊，改善輪軌接觸狀況，從而減少接觸性疲勞傷損的發生和發展 。可鋪設更高的耐磨性、抗疲勞性、抗表面魚鱗和焊接性能更好的U75V鋼軌,提高鋼軌材質是減少傷損的關鍵。

（3）有效提高焊接工藝減少焊縫傷損是減少鋼軌傷損的重點。因焊縫硬度與母材不同,在使用中產生易產生低塌和壓寬現象，從而形成應力集中點,極易造成斷軌， 很難適應重載鐵路的需求。

（4）加強探傷管理是早發現鋼軌傷損的第一防線。 適時調整探傷周期，嚴格執行三級復查制度，落實三級數據回放制度，加強探傷培訓工作。

隨著包神運量和軸重的不斷增長 , 如何加強探傷工作還需要繼續進行深入研究 ,努力延長重載運輸條件下的鋼軌使用壽命周期。

參考文獻：

［1］劉樹旺.延長大秦重載鐵路鋼軌使用壽命措施的研究［J］.中國鐵路,2009,48（01）：40-43．

［2］馬驥.重載鐵路小半徑曲線鋼軌磨耗初探［J］.內蒙古科技與經濟,2009,13（20）：112-113．

［3］盧觀健,楊克.鋼軌傷損的形態特征及其失效機理［J］.鐵道學報,1996,18（03）：120-124.

［4］劉啟躍,王文健,周仲榮.高速與重載鐵路鋼軌損傷及預防技術差異研究［J］.潤滑與密封,2007,32（11）：11-14．

［5］張建峰,高新平,王衛東.重載鐵路鋼軌打磨效果分析［J］.鐵道建筑,2009,49（04）：104-105．

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.078