大準鐵路線路設備壽命管理與分析

路宜馳 張建民 石江河

（神華新朔鐵路有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 010300）

大準鐵路于 1990 年 7 月 17 日開工建設，1997 年11月19日全線開通，是全國首條開行萬噸重載列車的單線電氣化鐵路［1］。東起山西省大同東站，西至內蒙古自治區鄂爾多斯市薛家灣站，正線全長264 km，運營里程302 km，最小曲線半徑為400 m，限制坡度上行線4‰，下行線9‰，點支線12‰［2］。大準鐵路沿線地形起伏大，高填方和深挖方路段多，小半徑曲線和長大坡道較多。隨著運量逐年增加，線路設備使用壽命在迅速降低，如何加強線路設備壽命管理已經成為亟待研究的課題。

為了解大準鐵路實際輪軌動態作用特點，同時為延長鋼軌使用壽命的理論研究提供數據支持，對大準鐵路小半徑曲線、長大坡道等典型地段鋼軌進行長期觀測，并對測量結果進行統計分析。

1 鋼軌磨耗和傷損情況調查

選取4 條典型的曲線軌道和1 段直線長大坡道進行鋼軌磨耗測量。每條曲線軌道上均分別選取磨耗或剝離掉塊嚴重和相對較輕的斷面，直線上選取3～5個斷面。測量結果表明：

1）對于曲線半徑R=400，500 m這種半徑較小的曲線地段，外軌側磨比較明顯，嚴重處達到10 mm 左右。外軌頂面的垂直磨耗相對較小，為1～5 mm。

2）對于R≥800 m這種半徑較大的曲線地段，外軌側磨比小半徑曲線地段明顯減小。外軌頂面的垂直磨耗不超過5 mm。

3）對于各種半徑的曲線內軌，無論是磨耗嚴重的斷面還是磨耗相對較輕的斷面，其側面磨耗均較小，不超過3 mm。頂面的垂直磨耗相對較大，為2～6 mm。

4）對于長大坡道直線段，鋼軌的磨耗較曲線軌道明顯小很多，且主要體現在頂面的垂直磨耗上。

為深入了解鋼軌傷損與磨耗間的關系，掌握傷損鋼軌特別是重傷鋼軌的傷損類型、數量、分布情況，對大準鐵路2018年全年累計鋼軌傷損進行統計，分析磨耗傷損鋼軌與線路參數間的關系。

1.1 重傷鋼軌的傷損類型與分布

大準鐵路2018 年全年共更換傷損鋼軌437 根，傷損類型分布見表1。可知，軌端或軌頂剝落掉塊、軌頭內部裂紋、鋼軌表面裂紋是鋼軌重傷的主要類型，這3類傷損占總數的78.7%。

表1 大準鐵路2018年更換傷損鋼軌統計

437根重傷鋼軌在各區間的分布見圖1。可知，傷損主要集中在燕莊—丹洲營、丹洲營—九蘇木等超期服役地段以及點岱溝—南坪、點岱溝—唐公塔運量較大的單線地段。

圖1 重傷鋼軌在各區間的分布

1.2 重傷鋼軌在直線和曲線地段的分布

437 根重傷鋼軌在直線地段和曲線地段的分布見表2。可知，曲線地段的鋼軌傷損率高于直線地段；曲線半徑越小，鋼軌重傷的傷損率越大。

表2 重傷鋼軌在直線和曲線地段的分布

2 軌道結構與參數優化

通過對鋼軌磨耗和傷損的分析可知，軌道結構和參數的優化能改善輪軌的接觸狀態及動態響應，合理配置鋼軌、橡膠墊板等軌道主要部件以及曲線線形、超高等軌道參數，可有效減輕小半徑曲線鋼軌的側磨，延長鋼軌使用壽命［3］。

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2.1 軌道結構配置

重載鐵路由于列車編組長、軸重大，軌道結構使用狀態容易出現明顯的破壞特性。大準鐵路建設初期采用60 kg/m 的重型軌道結構，隨著運量增加，鋼軌頂面裂紋、疲勞傷損明顯增加。自2015 年4 月開始逐步更換為75 kg/m 的超重型跨區間無縫線路軌道結構。U75V 鋼軌熱處理后硬度可達320 HB。在多年的實際使用中，既有U75V 鋼軌存在側磨嚴重、鋼軌重傷率較高等問題，于是在部分地段試鋪攀鋼集團有限公司生產的PG4鋼軌。PG4鋼軌為含鉻低合金高強耐磨鋼軌［4］，是在原U75V鋼軌的基礎上加入適量的能推遲珠光體轉變的合金元素熱軋而成。PG4鋼軌熱處理后硬度可達 370 HB，強度≥1 280 MPa，伸長率≥10%。PG4 鋼軌的強度和硬度明顯高于U75V 鋼軌。在2015年至今的換軌大修中，大準線上的U75V 鋼軌已逐步更換為PG4鋼軌。

軌枕由原來的Ⅱ型混凝土枕全部更換為Ⅲ型混凝土枕，配置根數為1 667 根/km。在部分R≤600 m 區段，采取設置地錨拉桿、軌撐等加強措施提高線路的穩定性。在曲線上股采用橡膠楔形墊板，用于調整鋼軌軌底坡，減緩曲線鋼軌側面磨耗。扣件采用與Ⅲ型混凝土枕配套的Ⅱ型彈條扣件。道床為Ⅰ級道砟。

2.2 曲線參數優化

曲線參數包括曲線半徑、曲線長度、緩和曲線長度、轉角和超高。曲線參數值設置不當或發生變化時，會引起局部軌道質量指數（Track Quality Index，TQI）的升高，甚至有可能出現軌道動態檢測Ⅲ級分或發生晃車現象。根據曲線的設計幾何形位，采用GPS+全站儀的測設方式，每隔5 m采集1點線路中心，繪制出完整的實際線路線形；再對曲線半徑、轉角和緩和曲線長度值進行適當的調整，擬合出一條標準的曲線線形，通過和實際線形對比來計算各點的撥道量；最后通過大機搗固和實施撥道作業，達到優化曲線幾何形位和參數的目的。優化后曲線軌道質量明顯提高，晃車點和Ⅲ級分明顯減少。2014 年至2018年，已累計完成32條小半徑曲線的線形優化。此項工作現已下放到各區段檢查工區，當曲線地段參數不良時，可隨時隨地進行調整優化。

在曲線超高優化分析中，分別計算R =400，500，600 m 條件下，C80貨車在不同速度、不同超高值下的動力響應，行車速度為70～80 km/h，曲線超高從欠超高-20%至過超高20%不等。通過觀察鋼軌的磨耗狀態發現，曲線超高從均衡超高降低至欠超高時，雖然外軌橫向作用力增大，但鋼軌磨耗和輪軌沖角都有所降低；在欠超高10%時，與均衡超高相比，鋼軌磨耗降低2%，輪軌沖角降低3%左右。因此，曲線超高應優化設置為欠超高，欠超高比例宜取10%～15%。另外，軌距偏差管理值控制在-2 ～0 mm，曲線下股軌底坡調成1∶20，也可以減少輪對的沖擊，改善輪軌接觸。

3 鋼軌打磨制度

大準鐵路上行線鋼軌使用壽命受制于滾動接觸疲勞裂紋和磨耗。疲勞裂紋影響鋼軌探傷、輪軌運行狀態，增加養護維修成本，縮短鋼軌使用壽命，甚至引起斷軌。磨耗特別是曲線外軌側磨則導致鋼軌過早下道。鋼軌和輪緣磨耗加劇，會增加軌道和車輛輪轂的養護維修工作量，并且需占用天窗，影響生產運輸［5］。隨著鐵路運量的持續增加和萬噸列車的開行，鋼軌傷損的范圍也在擴大，從小半徑曲線到較大半徑曲線，鋼軌傷損率都在上升，因此需要采用現代化的鋼軌養修技術。鋼軌打磨可以清除鋼軌表面已經發生疲勞的金屬層，阻斷微裂紋向鋼軌深處發展，恢復與車輪型面的良好匹配，得到接觸應力較小的鋼軌型面，從而延緩鋼軌滾動接觸疲勞和磨耗傷損的發展，延長鋼軌使用壽命，降低管理和日常養護成本［6-7］。

引起鋼軌軌面出現裂紋的因素包括軸重、鋼軌材質、軌道結構、輪軌接觸情況等。要判斷典型小半徑曲線鋼軌疲勞裂紋萌生壽命就要從這些方面入手，確定疲勞裂紋萌生和通過總質量的關系。在大準鐵路選取3～5 條不同半徑的曲線軌道進行觀測，發現新軌鋪設后，如未進行預打磨等表面處理措施，經過幾小時車輪碾壓，新軌表面銹蝕層被磨損，出現輪軌接觸帶，表面銹蝕層在不斷累積的輪軌滾動接觸中逐漸被磨損。在沿列車運行的縱向，一般軌頭內側首先受磨，鋼軌頂面磨損存在一定的不均勻性。因此，新軌上道后，須進行預打磨，消除新軌表面的銹蝕層、軋制的脫碳層、原始硬彎以及制造公差，使軌頭表面處于良好的狀態［8-9］。

當累計通過總質量為5～10 Mt 時，鋼軌疲勞裂紋在鋼軌表面開始萌生，在軌頭內側發展成肉眼可見的、較為密集的斜裂紋，觸摸有粗糙感，并伴隨有較小的剝離掉塊。

當累計通過總質量達到100 Mt 時，軌頭內側仍然保持密集的短細斜裂紋，鋼軌頂面形成長斜裂紋并且互相連接，在一些地段形成嚴重的、露出軌頭金屬層的剝離掉塊。

當累計通過總質量達到200 Mt 時，鋼軌頂面裂紋和剝離掉塊被輪軌磨耗所控制，裂紋被壓緊，掉塊地帶被磨損，裂紋不再明顯地快速發展，外側邊出現較嚴重的金屬剝離層。

因此，在新軌上道后，累計通過總質量15～25 Mt時，需進行一次預防性打磨。累計通過總質量達到100 Mt 時，需進行修理性打磨，打磨量根據現場實際鋼軌傷損、表面不平順度、波磨深度等確定。按照鋼軌廓形設計，將軌頭打磨成預先設定好的目標形狀，使鋼軌頭部與車輪踏面完全匹配，保證良好的接觸狀態，從而減少鋼軌磨耗，抑制鋼軌傷損的形成和發展。

4 檢養修分開制度

檢養修分開制度是將檢修任務細化，各車間按照各自功能分別承擔不同的生產任務，從而加強線路壽命管理［10-11］。“檢”分為動態檢測和靜態檢查。動態檢測即檢測線路不平順的動態質量，包括軌道檢查車每月對大準鐵路線檢測2 次、車載添乘儀每日檢查及人工定期添乘檢查。靜態檢查即檢查軌道靜態幾何尺寸，通過人工徒步檢查或軌道檢查儀檢測。“養”即線路養護，主要是區段、線橋工區采用內燃搗鎬、螺栓機等小型養路機械進行日常維護，通過不間斷的養護作業使線路保持良好的技術狀態。“修”即綜合維修，主要是指在天窗內進行大型機械維修作業。推行計劃修+狀態修的維修模式，對重車線、空車線曲線地段實行計劃修，對空車線直線地段、軌檢車檢測3年內軌道動態檢測未出分地段及其他線路實行狀態修。利用每年春秋季的集中修對全段正線、道岔進行大型機械搗固。

近年來，大準鐵路公司工務段不斷探索檢養修分開模式，由以往的線路工區作為基本生產單元轉化為由車間作為生產主體。從2016 年開始整合軌檢車和檢查工區資源，成立了軌道檢查監控室，負責動態檢測和靜態檢查，并根據每月檢查結果下達下個月的維修計劃。通過職能分工減輕了線橋工區的工作負擔，使其主要精力轉移到維修作業上。充分發揮了軌道檢查監控室的作用，定期對軌檢車、軌檢儀等動靜態數據進行對比分析，查找軌道動態檢測重復出分地段的病害原因，采取針對性的整治措施，對重點區段、重點項目安排重點整修［12］，使動靜態檢測數據更好地發揮了指導作用。

實行檢養修分開制度后，線路設備質量明顯提高，大準鐵路軌道優良率一直保持在98%以上，TQI值控制在10以內，有效地延長了線路設備使用壽命。

5 結語

大準鐵路鋼軌傷損主要發生在曲線地段，而且曲線半徑越小，鋼軌重傷的傷損率越大。全面了解鋼軌上道后的運行狀態，對鋼軌磨耗和傷損發展情況進行分析后，確定了一系列措施，包括適時改善軌道結構和優化曲線參數，按周期進行鋼軌打磨，持續推行檢養修分開制度等，有效地延長了線路設備使用壽命。建議繼續深入研究各項管理措施和技術手段，力爭實現線路設備壽命的最大化。