普速鐵路鋼軌傷損的分布規律

田常海 張金 俞喆 李闖 梁旭 林云蕾

（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）

鋼軌傷損主要與鋼軌材質、鋼軌焊接、列車軸重、運行速度、軌下基礎彈性、養護維修等因素有關。由于影響因素較多，在鋼軌傷損前很難使用解析方法預測和評估，只能使用統計、擬合、概率方法等預測鋼軌傷損［1-2］。

為確保鐵路行車安全，必須掌握鋼軌傷損發生發展規律和主要傷損類型，研究鋼軌傷損分布規律。課題組依據上海局提供的2004—2016年上海局管內京滬線、滬杭線及全局普速鐵路鋼軌傷損數據，統計分析鋼軌傷損類型、分布及傷損規律。

1 普速鐵路干線鋼軌傷損分析地段

依據上海局提供的近年鋼軌鋪設及下道情況，選擇2004年上道至2016年前下道鋼軌進行傷損統計，結果見表1。京滬線鋼軌達到了目前規定的鋼軌大修周期，滬杭線鋼軌還未達到鋼軌大修周期［3］。

表1 鋼軌傷損分析區段

2 鋼軌主要傷損類型及其分布特點

經過多年鋼軌失效分析工作，形成了我國鐵路鋼軌傷損圖譜［4］。鋼軌傷損分為母材傷損、焊接傷損、使用過程中造成的擦傷等。母材傷損主要分為核傷和孔裂［5］。核傷主要包括白核、黑核、魚鱗紋、軌頭垂直或水平裂紋。焊接傷損分為鋁熱焊傷損、氣壓焊傷損和接觸焊傷損。

對鋼軌核傷的研究較多［6-9］。核傷在未發展到外表面時肉眼不可見，端口呈白色，稱“白核”；已擴展到外表面時，因氧化變為黑色，稱“黑核”。

根據上海局提供的鋼軌庫、傷損庫、曲線庫、運量庫以及2004—2016年間上道及下道鋼軌情況，對局管內京滬線和滬杭線及全局普速鐵路鋼軌傷損進行了傷損類型統計和對比分析。結果表明：①京滬線主要傷損為焊接傷損、核傷和孔裂，約占總傷損的50%，21%和20%；滬杭線主要傷損為孔裂、核傷和焊接傷損，約占總傷損的44%，33%和18%。②全局無縫線路主要傷損為核傷、孔裂、焊接傷損、擦傷及其他傷損，分別占總傷損的27%，28%，25%，5%和15%。③全局無縫線路核傷占比由2002年的34%下降到2014年的27%、焊接傷損占比由2002年的30%下降到2014年的25%。雖然京滬線焊接傷損達到了總傷損的1/2，但從全局看焊接質量和養護維修水平顯著提高。④2014年全局無縫線路鋼軌軌頭、軌腰和軌底傷損約占總傷損的25%，30%和45%，鋼軌傷損主要發生在接頭區域，約占總傷損的95%。⑤2014年上海局全局無縫線路鋼軌核傷中白核、黑核、魚鱗紋、軌頭垂直或水平裂紋分別占總傷損的4%，11%，7%和5%。⑥2014年全局無縫線路鋼軌孔裂傷損主要是膠結絕緣接頭傷損，約占64%，普通孔裂傷損約占36%。⑦2014年全局無縫線路鋼軌焊接傷損主要是鋁熱焊傷損和氣壓焊傷損，分別占總焊接傷損的72%和24%，接觸焊傷損僅占總焊接傷損的4%。因此，可提高鋁熱焊和氣壓焊的焊接質量以及膠結絕緣接頭質量，減小焊接傷損和孔裂；按目標廓形對鋼軌進行周期性打磨，減少鋼軌核傷。

3 鋼軌傷損隨季節的變化規律

按月份統計2010—2014年上海局管轄的無縫線路鋼軌傷損（見表2），發現孔裂傷損、焊接傷損和總傷損量均隨月份同步變化，冬季（12月—次年2月）鋼軌傷損占全年總傷損的31%，夏季（6—8月）鋼軌傷損占全年總傷損的17%，冬季鋼軌傷損率是夏季的1.8倍。建議冬季加強鋼軌探傷。

表2 2010—2014年上海局管轄的無縫線路月份鋼軌傷損占比 %

4 站區線路和區間線路鋼軌傷損量

站區線路為車站兩端最遠信號機之間的線路區域，站區線路因包含大量道岔是鐵路線路的薄弱環節。對于普速鐵路60 kg/m鋼軌在站區線路和區間線路傷損量還沒有準確數據。利用上海局提供的鋼軌、傷損、運量等數據庫，將站區線路和區間線路鋼軌傷損量分開統計。結果表明：京滬線累計通過總質量7.00～7.89億t時，站區線路每公里鋼軌平均傷損量為7.79處，區間線路每公里鋼軌平均傷損量為1.20處，站區線路每公里鋼軌平均傷損量約為區間線路的6.5倍。

大秦重載線茶塢工務段管轄地段平均站間距約30 km［5］，站區線路長度一般在2 km左右。當站間距較大時，雖然站區線路鋼軌傷損量較高，由于區間線路長度遠遠大于站區線路長度（區間線路長度與站區線路長度之比約14∶1），所以包含站區與區間的線路鋼軌平均傷損量與區間線路的鋼軌平均傷損量相差不大。蚌埠工務段管轄的京滬線曹山站（K833+409）—擔子站（K1 102+682），長269.273 km，車站26個，平均站間距10.771 km，站區線路長度一般在2 km左右，區間線路長度與站區線路長度之比約為4︰1。站區線路鋼軌傷損量較高導致包含站區和區間的線路鋼軌平均傷損量與區間線路鋼軌平均傷損量相差較大。可以計算出包含站區和區間的線路每公里鋼軌平均傷損量為2.54處，區間線路每公里鋼軌平均傷損量為1.20處，前者約為后者的2.1倍。

京滬線各地段每公里鋼軌傷損量與累計通過總質量關系曲線見圖1。可見：①每公里鋼軌傷損量與累計通過總質量呈二次函數關系，每公里鋼軌傷損量隨累計通過總質量增加而增加，不存在突變點；②累計通過總質量7.0～7.9億t時，每公里鋼軌傷損量為1.72～4.22處，平均值約2.54處。

圖1 京滬線每公里鋼軌傷損量與累計通過總質量關系曲線

5 鋼軌磨耗情況

2016年6月課題組對京滬線上行K177+000附近直線地段鋼軌進行了現場測試。該段鋼軌材質為U71Mn，2003年鋪設上道，截止2016年6月累計通過總質量約7.55億t。將該段鋼軌實測廓形與標準廓形對比可得，左、右股鋼軌垂磨量分別為3.58，3.75 mm，均值為3.67 mm。下行K135+000附近直線地段U71Mn鋼軌垂磨量約4.5 mm，對應累計通過總質量為10.5億t。由于京滬線進行了鋼軌打磨，因此鋼軌自然磨耗量（不含打磨量）應小于測試值。累計通過總質量8～10億t時鋼軌垂磨量（含鋼軌打磨量）約3.5～4.5 mm，遠未達到鋼軌垂磨重傷標準11 mm。

6 結論

依據上海局管內京滬線和滬杭線2004—2016年上道及下道鋼軌傷損數據，對鋼軌傷損率進行全面統計分析。得到主要結論如下：

1）京滬線主要傷損為焊接傷損、核傷和孔裂，約占總傷損的50%，21%和20%；滬杭線主要傷損為孔裂、核傷和焊接傷損，約占總傷損的44%，33%和18%；與2002年相比，2014年上海局全局無縫線路焊接傷損和核傷占比下降5%～7%，從全局來看焊接質量和養護維修水平顯著提高。

鋼軌傷損主要發生在接頭區域，孔裂傷損主要是膠結絕緣接頭傷損，焊接傷損主要是鋁熱焊和氣壓焊傷損。可提高鋁熱焊和氣壓焊的焊接質量及膠結絕緣接頭質量，減少焊接傷損和孔裂；按目標廓形對鋼軌進行周期性打磨，減少鋼軌核傷。

2）冬季鋼軌傷損率是夏季的1.8倍。建議冬季加強鋼軌探傷。

3）站區線路每公里鋼軌平均傷損量約為區間線路的6.5倍，包含站區和區間的線路每公里鋼軌平均傷損量約為區間線路的2.1倍。

4）每公里鋼軌傷損量與累計通過總質量呈二次函數關系，每公里鋼軌傷損量隨累計通過總質量增加而增加，不存在突變點。累計通過總質量8～10億t時鋼軌垂磨量約3.5～4.5 mm，遠未達到鋼軌垂磨重傷標準11 mm。