朔黃重載鐵路直線及大半徑曲線區段鋼軌大修周期研究

楊文 馬帥 劉秀波 戴少石 陳茁

1.國能朔黃鐵路發展有限責任公司檢測救援分公司，河北 滄州 062350；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081

隨著朔黃重載鐵路列車運量不斷增加，鋼軌冶金質量和制造水平不斷提高，鋼軌焊接和養護維修技術水平逐漸加強，鋼軌服役狀態也發生顯著變化，鋼軌傷損呈現出類型多樣化、發生位置隨機性等特點。為了準確掌握鋼軌真實使用情況，朔黃重載鐵路裝備了鋼軌探傷車、綜合巡檢車等先進檢測設備，同時通過人工巡檢和探傷小車對鋼軌進行定期檢查，積累了大量的鋼軌傷損歷史數據。線路運營發現，在朔黃鐵路的直線和大半徑曲線區段，鋼軌存在傷損量較小但由于通過總質量達到TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》規定的大修周期而提前更換的情況，導致資源浪費和運營成本增加。因此，有必要對朔黃重載鐵路鋼軌大修周期展開研究。

目前世界各國均規定了鋼軌大修換軌周期，其中日本、法國等［1］以通過總質量為控制指標，提出將累計通過總質量5 億t 作為高速鐵路鋼軌大修周期；美國［2］根據鋼軌每千米重傷量，結合通過總質量決定換軌時機，確定重載鐵路直線區段大修周期為15 ～ 20 億t。鋼軌傷損發展受多種因素影響，其中通過總質量是主要因素之一。文獻［3-4］認為鋼軌傷損率與累計通過總質量服從威布爾分布的函數關系，并通過數據擬合方法計算鋼軌大修周期和預測剩余壽命。文獻［5-6］認為鋼軌累計傷損量與累計通過總質量服從二次函數關系，并計算得到了擬合系數。中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所長期跟蹤并收集鋼軌傷損歷史數據，在研究鋼軌傷損分布規律和重傷量發展規律的基礎上，從安全性和經濟性兩方面提出了累計通過總質量和鋼軌重傷量相結合的普速鐵路60 kg/m 鋼軌［7］和大秦重載鐵路75 kg/m 鋼軌［8］的大修換軌周期，其中，普速鐵路為累計通過總質量10 億t、每千米重傷量2 ～ 4 處，重載鐵路為累計通過總質量15億t、每千米重傷量4～6處。文獻［9］采用威布爾模型分析神朔鐵路直線鋼軌傷損發展規律，并提出了累計通過總質量14億t的大修周期建議值。這些成果為朔黃重載鐵路鋼軌大修周期研究提供了有益借鑒。

本文基于朔黃重載鐵路近6 年的鋼軌傷損檢測、換軌大修、通過總質量、線路臺賬等數據，對傷損類型進行統計分析，研究鋼軌重傷量隨累計通過總質量的發展規律，并利用冪函數、多項式函數進行擬合分析，提出朔黃重載鐵路直線及大半徑曲線區段鋼軌大修周期建議值。

1 鋼軌重傷分布

朔黃重載鐵路上行為重車線，鋪設75 kg/m 鋼軌。選取朔黃重載鐵路上行線三汲站—黃驊港站（K255+899—K580+092）為研究對象，該區段線路以直線和大半徑曲線為主。收集該區段2015 年1 月—2020 年10月的鋼軌重傷數據，根據傷損里程、傷損類型等信息，分別對區間和站內的鋼軌重傷進行統計。鋼軌重傷在橫截面的分布情況及重傷類型占比見表1、表2。

表1 鋼軌重傷在橫截面的分布

表2 鋼軌重傷類型占比

由表1 和表2 可知：朔黃重載鐵路鋼軌重傷類型主要為疲勞傷損；鋼軌重傷發生在線路區間、站內的比例分別為17.62%、82.38%，鋼軌焊縫傷損、母材傷損的比例分別為9.76%、90.24%；鋼軌重傷位于軌頭、軌腰、軌底的比例分別為84.01%、11.39%、4.6%；焊縫傷損以鋁熱焊為主，占比為6.16%；母材傷損以軌頭裂紋（水平、縱向裂紋）為主，占比為34.68%，其次是掉塊和核傷，占比分別為16.49%、13.45%。

2 鋼軌重傷量發展規律

以K255+899—K580+092 區間正線范圍內2015年1 月—2020 年10 月期間每個月的鋼軌母材重傷數據、累計通過總質量數據作為數據源，對鋼軌重傷量的發展規律進行研究。朔黃鐵路各區間長度及換軌時間見表3。

表3 線路區間換軌時間

根據各區間的鋼軌母材重傷數據，繪制各月份實測鋼軌重傷量分布云圖、每千米累計重傷量隨累計通過總質量的變化曲線，見圖1、圖2。可知：不同月份產生的鋼軌重傷數量具有較強的隨機性；長期來看，累計重傷量近似呈非線性增長，但不同區間的發展速率存在差異，其中行唐—新曲、安國—博野區間每千米累計重傷量的發展速率較快。

圖1 鋼軌重傷量分布

按照表3的區間劃分方法，各區間相對較短，易導致重傷量統計離散性增大。因此，將換軌時間、里程位置相近的區間合并，得到4 個長區間（表4），其每千米累計重傷量隨累計通過總質量的變化曲線見圖3。

表4 線路長區間劃分

圖3 鋼軌母材每千米累計重傷量變化曲線（長區間）

由圖2 和圖3 可知，在進行換軌大修后，鋼軌母材每千米累計重傷量先經歷近似平臺的緩慢發展階段，之后進入近似非線性的發展階段。總體上，在每千米重傷量達到1.5處前即進行換軌。

3 鋼軌重傷量發展模型

鋼軌疲勞傷損概率服從威布爾分布［5］，即

式中：F（t）為鋼軌疲勞重傷累計失效概率，定義為每根（長25 m）鋼軌發生1處疲勞重傷的累計概率；t為累計通過總質量，Mt；m、γ、t0為威布爾分布參數。

參數m與失效機理密切相關，是不同疲勞重傷類型分布的綜合反映，通常m＞1。參數γ表征鋼軌傷損出現的時機，當通過總質量小于γ時，鋼軌不會出現傷損，通過總質量超過γ的幅值越大，鋼軌傷損出現概率越高。參數t0與鋼軌固有力學特性有關，鋼軌屈服強度越高，焊接質量越高，t0越大。

對于指數函數ex，當x較小時，有ex≈1+x。因此，威布爾概率分布可簡化為如下冪函數

根據表3，部分區段的換軌時間早于2015年，鋼軌重傷量已經得到一定發展；由于缺少2015年之前的數據，鋼軌重傷量和累計通過總質量從2015 年1 月開始統計，因此需滿足γ＜0。同時，對式（2）增加常數項c來表示自換軌時間至數據記錄時間已經產生的鋼軌重傷量。鋼軌每千米累計重傷量D（t）表達式為

D（t）與F（t）具有相同的內涵。

利用冪函數、線性函數、二次多項式函數模型對4個長區間的鋼軌重傷量進行擬合，結果見圖4。

圖4 鋼軌每千米累計重傷量擬合結果

采用均方根誤差R、希爾不等系數T作為準確度評估指標，表達式分別為

式中：x（i）和x（i）'分別為真實值x和擬合值x'的第i個值，i=1，2，…，n，其中n為數據容量。

R反映了絕對準確度。T為相對準確度指標，T=0 ～ 1，越接近0，準確度越高。準確度指標計算結果見表5。

表5 模型準確度指標

由圖4 和表5 可知：①不同區間鋼軌重傷的發展規律具有差異性，但不同區間的發展速率存在差異。對于區間1、區間2、區間3，累計通過總質量在1 200～1 300 Mt 時，每千米重傷量達到0.6 處；而對于區間4，累計通過總質量在1 900 Mt 時，每千米重傷量僅達到0.3 處。②冪函數模型和二次多項式模型的擬合精度相近，均優于線性模型。

4 直線鋼軌大修周期建議值

TG/GW 102—2019 對直線和半徑大于2 000 m 曲線的鋼軌大修周期進行了規定：對于混凝土枕無縫線路75 kg/m 鋼軌的大修周期（通過總質量）為1 500 Mt；對于累計通過總質量未達到大修周期的成段75 kg/m鋼軌，但每千米重傷數量達到4～6 處（不含焊接和膠接絕緣接頭傷損），應及時更換鋼軌。

TG/GW 102—2019 結合周期修和狀態修，對于鋼軌大修時機同時采用通過總質量和鋼軌重傷量作為判定依據。但是，對于朔黃重載鐵路，通常在每千米重傷量達到1.5 處前即進行換軌，每千米重傷數量達到4～6 處時的累計通過總質量往往超過1 500 Mt，這表明TG/GW 102—2019 中對于鋼軌大修周期的規定并不適用于朔黃重載鐵路。因此，采用建立的鋼軌重傷量發展模型，推算每千米重傷數量達到4～6處時的累計通過總質量（表6），從而確定適用于朔黃重載鐵路的鋼軌大修周期。可知：當每千米重傷量達到4 處時，累計通過總質量最小值為2 580 Mt；當每千米重傷量達到6 處時，累計通過總質量最小值為2 970 Mt。因此，對于朔黃重載鐵路，累計通過總質量1 500 Mt的大修周期明顯偏小，可以延長至2 000 Mt，并且能夠保證具有一定的安全余量。此外，現場實際應用情況顯示，部分區段累計通過總質量已經達到并超過20億t，鋼軌服役狀態依舊良好。

表6 朔黃重載鐵路不同重傷量時的累計通過總質量

利用每千米重傷量4～6 處及其推算的累計通過總質量作為鋼軌大修周期主要是由安全性決定的。研究表明［9-10］，對于中國普速鐵路和大秦重載鐵路，鋼軌大修的經濟周期遠大于安全周期。因此，朔黃重載鐵路鋼軌大修周期應由安全周期決定。

綜上，建議朔黃重載鐵路直線和半徑大于2 000 m曲線區段鋼軌大修周期為累計通過總質量20億t。。

5 結論

1）朔黃重載鐵路鋼軌重傷類型多樣，主要為軌頭核傷、軌頭裂紋及掉塊、焊縫傷損。鋼軌傷損位于軌頭、軌腰、軌底的占比分別為84.01%、11.39%、4.6%。

2）鋼軌重傷量近似呈非線性增長規律，但不同線路區間的發展速率存在差異。通過擬合累計通過總質量與鋼軌重傷量的關系，發現冪函數和二次多項式模型的擬合精度優于線性模型，鋼軌重傷量隨通過總質量的增加呈非線性發展。

3）利用鋼軌重傷量發展模型推算鋼軌每千米重傷數量達到4～6 處（不含焊接和膠接絕緣接頭傷損）時的累計通過總質量，提出朔黃重載鐵路直線和半徑大于2 000 m 曲線區段鋼軌大修周期建議值為累計通過總質量20億t。