小半徑曲線上股熱處理鋼軌的選擇及磨耗規律研究

董華利

中鐵物總技術有限公司，北京100036

對于重載鐵路的小半徑曲線區段上股鋼軌，側面磨耗與接觸疲勞傷損是影響其使用壽命的主要因素［1］。由于磨耗速率明顯大于其他區段，接觸疲勞傷損發展較快，小半徑曲線區段上股鋼軌的使用壽命無法匹配大修周期，增加了換軌及維護成本。為了延長換軌周期，節約成本，研究如何提高小半徑曲線區段上股鋼軌使用壽命具有重要意義［2］。

為了減少小半徑曲線區段上股鋼軌的磨耗及延緩接觸疲勞傷損發展，可以通過設置曲線欠超高和上下股非對稱軌底坡、進行固體潤滑、采用熱塑性彈性體墊板等措施減少磨耗［3-4］，在小半徑曲線上使用強度等級更高的熱處理鋼軌可以有效延長使用壽命［5-8］。文獻［9］研究了在線熱處理鋼軌U75V作為道岔尖軌在服役過程中的廓形演化規律。

鋼軌在服役狀態下的廓形變化對鋼軌選用及維護具有重要指導意義，而目前關于小半徑曲線區段上股鋼軌使用過程中的磨耗發展規律研究相對較少。本文對小半徑曲線區段上股采用的不同熱處理鋼軌磨耗發展規律進行觀測研究，為小半徑曲線區段上股鋼軌材質選擇及維護提供基礎數據。

1 觀測條件

1.1 線路概況

石太線是山區重載鐵路，小半徑曲線區段較多，上股鋼軌側面磨耗嚴重，使用壽命與其他區段不一致，造成鋼軌更換頻繁，增加維護成本。選取石太線上兩段半徑小于400 m的曲線區段（曲線A和曲線B）作為觀測區段，對使用過程中上股鋼軌的磨耗及接觸疲勞傷損發展進行觀測。兩個觀測區段最大允許通過速度均為60 km/h，年通過總質量均為120 Mt；線路狀況均為混凝土軌枕，碎石道床。曲線觀測區段主要參數見表1。該線路上股鋼軌采用固態潤滑方式來減少鋼軌側面磨耗，每日進行車載涂油兩遍。

表1 石太線曲線觀測區段主要參數

1.2 鋼軌力學性能

曲線區段上股鋼軌原為某鋼廠生產的U78CrV熱軋鋼軌，是目前我國標準中強度等級最高的熱軋鋼軌。為了對比不同熱處理鋼軌與熱軋鋼軌使用情況，曲線A上股鋪設該廠生產的U78CrV熱處理鋼軌，代號為H370［10］，曲線B上股鋪設該廠生產的U75V熱處理鋼軌，代號為H340［10］。各型號鋼軌的主要力學性能見表2。

表2 鋼軌主要力學性能

1.3 觀測方案

結合所選擇線路歷史鋼軌使用情況，選擇磨耗較為嚴重的緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH作為觀測點。軌頭廓形采用手持式廓形儀進行測量。

2 結果與討論

2.1 側面磨耗

圖1為曲線A及曲線B上股圓緩點鋼軌廓形變化情況。可知，鋼軌剛上道時，在軌頭軌距角位置存在輕微肥邊；隨著通過總質量G的增加，肥邊消失，側面磨耗逐漸增加。

圖1 上股圓緩點廓形變化

不同通過總質量下，曲線A及曲線B各觀測點的上股鋼軌側面磨耗量見圖2。

圖2 不同通過總質量下的上股鋼軌側面磨耗量

對圖2中側面磨耗與通過總質量的關系進行擬合，得到擬合直線方程，其斜率即磨耗速率。由于曲線A中緩圓點DHY磨耗較慢，且觀測數據點較少，未進行擬合。曲線A的曲中點DQZ、圓緩點DYH及曲線B的緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH的擬合方程依次見式（1）—式（5）。

由圖2和式（1）—式（5）可知：

1）從同一曲線上的3個觀測點來看，圓緩點DYH先出現可觀測的側面磨耗，且通過總質量相同時的磨耗總量大于其他兩點，但圓緩點DYH的平均磨耗速率并不比其他觀測點大，同一曲線上不同觀測點的磨耗規律有待進一步研究。

2）曲線A上股鋼軌曲中點DQZ和圓緩點DYH的側面磨耗速率分別為0.022、0.019 mm/Mt；曲線B上股鋼軌緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH的側面磨耗速率分別為0.040、0.023、0.036 mm/Mt。從不同曲線的側面磨耗速率看，曲線A上股使用的H370鋼軌側面磨耗速率低于曲線B上股使用的H340鋼軌。

可見，H370鋼軌比H340鋼軌具有更長的使用壽命以及更高的硬度和強度，且其片層間距比H340鋼軌的小。總之，H370鋼軌綜合性能更優［11］。

兩個曲線觀測區段上股使用原U78CrV熱軋鋼軌時，曲線A上股鋼軌因側面磨耗達到了19 mm，在通過總質量為280 Mt時下道；曲線B上股鋼軌因側面磨耗達到了21 mm，在通過總質量為260 Mt時下道。曲線A上股使用H370鋼軌后，下道時通過總質量達到了580 Mt，使用壽命達到U78CrV熱軋鋼軌的2倍以上；曲線B上股使用H340鋼軌后，下道時通過總質量達到了460 Mt，使用壽命延長了約80%。

2.2 垂直磨耗

不同通過總質量下，曲線A及曲線B各觀測點的上股鋼軌垂直磨耗量見圖3。

圖3 不同通過總質量下的上股鋼軌垂直磨耗量

對圖3中垂直磨耗與通過總質量的關系進行擬合，得到擬合直線方程。曲線A的緩圓點DHY、曲中點DQZ、圓緩點DYH及曲線B的緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH的擬合方程依次見式（6）—式（11）。

由圖3和式（6）—式（11）可知：曲線A上股鋪設的H370鋼軌緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH垂直磨耗速率分別為0.010、0.010、0.012 mm/Mt；曲線B上股鋪設的H340鋼軌緩圓點DHY、曲中點DQZ和圓緩點DYH垂直磨耗速率分別為0.013、0.010、0.012 mm/Mt。從兩個觀測區段總體垂直磨耗看，無論是同一曲線上的3個觀測點，還是不同曲線上鋪設的H370鋼軌和H340鋼軌，垂直磨耗速率差別均不明顯。

須要說明的是，通過總質量達到200 Mt以后，對鋼軌進行了打磨處理，一定程度上降低了垂直磨耗速率。

2.3 表面狀態

不同通過總質量下，曲線A和曲線B中磨耗較為突出的圓緩點的表面狀態見圖4（列車由右向左行駛）。

圖4 不同通過總質量下觀測區段圓緩點的表面狀態

由圖4可知：

1）在通過總質量達到100 Mt時，曲線A及曲線B圓緩點上股鋼軌的軌距角附近出現輕微斜裂紋，但整體表面狀態較好。

2）隨著通過總質量增加，在光帶中心出現了輕微的剝離掉塊。其中，曲線A上股鋼軌在通過總質量達到460 Mt后，圓緩點斜裂紋及剝離掉塊數量增加，但深度較淺；曲線B上股鋼軌在通過總質量達到270 Mt時，表面未見嚴重剝離掉塊。

綜上，熱處理鋼軌在觀測區段上使用的過程中，整體表面狀態較好，未見較為嚴重的剝離掉塊。

3 結論

為了研究不同熱處理鋼軌的磨耗規律，對石太線兩條半徑小于400 m的曲線區段上股使用的代號為H370的U78CrV熱處理鋼軌和代號為H340的U75V熱處理鋼軌進行觀測，并與原來使用的U78CrV熱軋鋼軌進行對比。主要結論如下：

1）各觀測點側面磨耗速率均大于垂直磨耗速率，在整個使用周期內未見較為嚴重的剝離掉塊。

2）側面磨耗超限是影響小半徑曲線區段上股鋼軌使用壽命的主要因素。

3）相比熱軋鋼軌，熱處理鋼軌可以顯著提高使用壽命，其中強度等級更高的H370鋼軌比熱軋鋼軌可以提高使用壽命1倍以上，并且使用過程中表面狀態良好。

4）無論鋼軌強度等級大小，圓緩點的側面磨耗量均大于緩圓點和曲中點，建議日常維護時加強對圓緩點的觀測，并制定維護方案，以便進一步延長鋼軌的使用壽命。