高速鐵路鋼軌預防性打磨周期研究

田常海,張 金,俞 喆,梁 旭,周韶博,張訓全

(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)

引言

我國高速鐵路自開通以來，通過輪軌關系的深化研究，結合鋼軌和道岔打磨車性能，提出了我國高速鐵路60 kg/m鋼軌(以下簡稱“60軌”)打磨目標廓形-設計廓形60D(線路僅運行動車組)或60N(線路既運行動車組又運行普通客車及鋪設60N鋼軌的線路鋼軌按目標廓形60N打磨)[1-2]，中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所指導了京滬[3]、哈大、京廣等高鐵60 kg/m鋼軌和60N鋼軌預打磨，通過2010年至2014年成功整治動車組異常振動的鋼軌打磨實踐[4-6]，初步形成了我國高鐵鋼軌和道岔打磨技術[7-8]及打磨驗收標準[9-11]。

我國高速鐵路鋼軌和道岔打磨分為預打磨、預防性打磨及修理性打磨[10-11]。預打磨是對鋪設上道新鋼軌的打磨，預打磨后應對鋼軌進行周期性的預防性打磨，對已產生病害鋼軌應及時進行修理性打磨。

日本高速鐵路更換新鋼軌一年內進行鋼軌預打磨，打磨深度為0.3 mm。鋼軌預防性打磨周期以累計通過總質量或年為指標[6，12]，每通過總質量30～80 Mt打磨1次，環境質量較高地段每通過總質量30 Mt打磨1遍，既，每年打磨1遍，其他地段每通過總質量60～80 Mt打磨1次，大約是每2年1次；法國高速鐵路鋼軌鋪設上道正式開通前用打磨列車打磨，隨后根據線路狀態進行不定期預防性打磨，主要是磨去被高速行駛列車濺起的道砟對鋼軌造成的傷損以及磨去鋼軌表面疲勞傷損，最嚴重地段每年最多打磨1次，每次打磨鋼軌深度為0.1 mm[6，12]；自1991年德國漢諾威—維爾茨堡、曼海姆—斯圖加特兩條客貨混運高速鐵路投入運營后，每年使用被動式快速打磨車打磨2～4次，每次打磨深度0.1 mm，每4年對鋼軌進行1次修理廓形打磨[6，12]。

在我國高速鐵路運營初期，鋼軌預打磨后還沒有經歷完整預防性打磨周期，只能借鑒國外鋼軌預防性打磨周期制定我國高速鐵路鋼軌預防性打磨周期，2012年發布的《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》規定[11]：已開通運營的高速鐵路，預防性打磨周期按通過總質量和運行狀態確定，原則上每30～50 Mt通過總質量進行1次鋼軌預防性打磨，一般不宜超過2年。文獻[10]引用了上述規定。

圖1 京石高鐵上行K65+200鋼軌實測廓形與設計廓形60D及60軌標準廓形比較和宏觀形貌

盡管我國高速鐵路使用的鋼軌打磨車與國外基本相同，但我國高速鐵路軌道結構、運行車輛類型、維修體系及管理與國外高速鐵路差異較大。例如，法國高速鐵路為有砟軌道，我國高速鐵路主要為無砟軌道，法國預防性打磨周期每年打磨1遍，主要打磨道砟對鋼軌造成的傷損，我國基本不存在此類情況；德國高速鐵路為客貨混運，而我國高速鐵路大多數線路只運行動車組，少數線路運行動車組和普通客車，客貨混運對鋼軌造成損傷較動車組對鋼軌造成損傷嚴重得多。我國的路情決定我國高速鐵路預防性打磨周期不可能照搬國外高速鐵路鋼軌預防性打磨周期。

通過對按打磨目標廓形-設計廓形60D及60N預打磨(或修理性打磨)后多條高速鐵路鋼軌軌頭廓形、磨耗、硬度和焊接接頭平直度及軌頭宏觀形貌觀測研究結合仿真分析，研究獲得我國高速鐵路鋼軌預防性打磨周期。

1 60 kg/m鋼軌按設計廓形60D預打磨后軌頭廓形和光帶變化

2012年9月，課題組指導了京石高鐵鋼軌預打磨，上、下行鋪設60軌(除下行有15 km線路鋪設60N鋼軌，打磨目標廓形為60N)打磨目標廓形為設計廓形60D，針對北京局GMC-96B型鋼軌打磨車性能，進行了打磨程序調試，獲得了預打磨工藝，打磨遍數為2遍，9月—10月間按設計廓形60D進行了京石高鐵全線預打磨，2012底開通運營，運營后每半年進行1次觀測，觀測項目包括鋼軌廓形、硬度、波磨和焊接接頭平直度。

京石高鐵2012年9月預打磨后于2012年年底開通運營，2017年至2018年進行了第一次鋼軌預防性打磨，期間未發生動車組構架橫向加速度報警、晃車和抖車現象。

圖1為2013年7月和2017年6月測試的京石高鐵上行K65+200位置鋼軌廓形和宏觀形貌。測試結果表明：(1)鋼軌預打磨廓形與設計廓形60D吻合，豎向偏差滿足標準[9]要求；(2)經過4年半時間運營，鋼軌實測廓形趨向60軌標準廓形，在輪軌接觸區域實測廓形與60軌標準廓形豎向偏差在0.2 mm內；(3)鋼軌宏觀上沒有疲勞裂紋、波磨等傷損，鋼軌光帶寬度由預打磨后22 mm發展到40 mm。

2012年5月—7月，課題組指導了哈大高鐵鋼軌預打磨，哈大高鐵鋪設60軌，打磨目標廓形為設計廓形60D，針對北京局GMC-96B型和廣鐵集團公司GMC-96X型鋼軌打磨車進行了打磨程序調試，分別獲得了預打磨工藝，打磨遍數均為2遍，5月—7月間按設計廓形60D進行了全線預打磨，運營后每年進行1次觀測。

哈大高鐵預打磨后于2012年12月1日開通運營，嚴格按設計廓形60D進行預打磨的上行K332～K366地段2014年11月使用快速打磨車進行了均勻性打磨，2017年9月后進行了第一次預防性打磨，上行K332～K366地段預打磨至預防性打磨期間沒有發生動車組構架橫向加速度報警、晃車和抖車現象。

圖2為2012年5月和2017年7月測試的哈大高鐵下行K365+900位置鋼軌廓形和宏觀形貌。測試結果表明：(1)哈大高鐵鋼軌預打磨廓形與設計廓形60D吻合，豎向偏差滿足標準[9]要求；(2)經過4年零8個月時間運營，哈大高鐵鋼軌實測廓形趨向60軌標準廓形，在輪軌接觸區域實測廓形與60軌標準廓形豎向偏差在0.2 mm內；(3)鋼軌宏觀上沒有疲勞裂紋、波磨等傷損，鋼軌光帶寬度由預打磨后23 mm發展到39 mm。

圖2 哈大高鐵下行K365+900鋼軌廓形與設計廓形60D及60軌標準廓形比較及宏觀形貌

2014年上半年課題組指導了京滬高鐵北京局管內線路鋼軌修理性打磨，打磨目標廓形為設計廓形60D。2014年打磨后至2019年7月(2019年打磨一半線路，另一半線路2020年打磨)進行第一次京滬高鐵北京局管內鋼軌預防性打磨，期間沒有發生動車組構架橫向加速度報警、晃車和抖車現象。2014年3月和2019年5月對京滬高鐵下行K209+900進行的鋼軌實測廓形與設計廓形60D及60軌標準廓形比較如圖3所示。測試結果表明：(1)2014年3月進行的京滬高鐵鋼軌修理性打磨廓形與設計廓形60D吻合，豎向偏差滿足標準[9]要求；(2)經過5年零4個月時間運營，京滬高鐵鋼軌實測廓形趨向60軌標準廓形，在輪軌接觸區域實測廓形與60軌標準廓形豎向偏差在0.4 mm內；(3)鋼軌宏觀上沒有疲勞裂紋、波磨等傷損，鋼軌光帶寬度由預打磨后23 mm發展到39 mm。

圖3 京滬高鐵下行K209+900鋼軌廓形與設計廓形60D及60軌標準廓形比較

2 60N鋼軌按60N標準廓形預打磨后軌頭廓形和光帶變化

2012年9月，課題組指導了京石高鐵下行K63+368～K78+368鋪設60N鋼軌預打磨，打磨目標廓形為60N鋼軌標準廓形，打磨遍數為1～2遍，其中，K63+368～K64+616打磨1遍，K64+616～K74+616打磨2遍。

2012年9月和2017年6月對京石高鐵下行K65+200進行的鋼軌實測廓形與60N及60軌標準廓形比較見圖4，測試結果表明：(1)2012年9月進行的京石高鐵鋼軌預打磨廓形與60N吻合，豎向偏差滿足標準[9]要求；(2)經過4年半時間運營，60N鋼軌實測廓形在輪軌接觸區域趨向60軌標準廓形，在軌角區域仍趨向60N鋼軌標準廓形，在輪軌接觸區域實測廓形與60軌標準廓形豎向偏差在0.4 mm內；(3)鋼軌宏觀上沒有疲勞裂紋、波磨等傷損，鋼軌光帶寬度由預打磨后20 mm發展到36 mm。

圖4 京石高鐵下行K65+200鋼軌廓形與60N及60軌標準廓形比較及鋼軌宏觀形貌

3 高速鐵路鋼軌廓形變化及磨耗測試

比較鋼軌廓形變化方法是：先后兩次測試同一位置鋼軌廓形，采用未磨耗區域重合比較廓形的變化，圖5為2014年5月—2019年5月京滬高鐵下行K209+900左股和2013年7月—2017年6月京石高鐵上行K65+200右股鋼軌廓形比對情況，從圖5中可以看出，打磨后因為輪軌磨耗造成2019年實測的京滬高鐵下行K209+900左股、2017年實測的京石高鐵上行K65+200右股輪軌接觸區域鋼軌廓形分別較2014年、2013年有所降低，其他區域完全重合。測試表明：相鄰兩次打磨期間，高速鐵路鋼軌廓形改變來自于輪軌接觸區域磨耗，輪軌接觸區域發生磨耗導致該區域鋼軌廓形降低，其他區域廓形不變，宏觀上沒有發生塑性變形。

圖5 京滬高鐵和京石高鐵鋼軌廓形比對情況

京滬高鐵下行K209+900位置位于滄州西站最外端道岔約300 m處，2014年3月修理性打磨后至2019年5月間沒有進行打磨作業，5年間鋼軌軌頂中心最大自然磨耗量為0.38～0.50 mm(表1)，平均自然磨耗量約為0.45 mm，每年自然磨耗量為0.08～0.1 mm，平均每年自然磨耗量約為0.09 mm。

京滬高鐵K62+500地段，鋼軌預打磨后2011年7月至2018年5月(6年零10個月)鋼軌自然磨耗量為0.45～0.80 mm(表1)，平均值為0.58 mm，每年磨耗量為0.07～0.12 mm，平均每年自然磨耗量約為0.09 mm。

表1 京滬高鐵鋼軌自然磨耗量

京石高鐵K64+800及K65+200地段，上行按設計廓形60D進行鋼軌預打磨后，2012年12月至2017年6月(4.5年)鋼軌平均自然磨耗量為0.28 mm(表2)，每年自然磨耗量約為0.06 mm；京石高鐵下行60N鋼軌按60N標準廓形預打磨后，2012年12月至2017年6月(4.5年)鋼軌平均自然磨耗量為0.45 mm(表2)，每年自然磨耗量約為0.07 mm。

京滬高鐵和京石高鐵鋼軌磨耗分析結果與文獻[13]測試分析結果基本相同。

本文測試的磨耗僅在高速鐵路直線地段。測試表明：(1)按設計廓形60D打磨，京滬和京石高鐵鋼軌平均每年自然磨耗量分別約為0.09 mm和0.06 mm；(2)按60N廓形打磨，京石高鐵鋼軌平均每年自然磨耗量約為0.07 mm。

表2 京石高鐵鋼軌預打磨后4.5年鋼軌自然磨耗量

4 60軌和60N鋼軌預打磨后硬度變化

由于硬度檢測方法簡便易行，便攜式硬度計攜帶方便，容易操作，經過校核的便攜式硬度計檢測結果準確，且不損傷測試設備，金屬材料硬度與強度密切相關[14]，因此，通過測試鋼軌硬度間接測試鋼軌強度，分析鋼軌硬度變化推算鋼軌強度變化。

2011年至2018年多次進行我國高鐵鋼軌母材硬度測試，每次測試前均對硬度計進行校核，滿足測試標準要求才進行測試。每次至少測試5個點，測試間距大于200 mm，測試區域為鋼軌踏面中心。京石高鐵和京滬高鐵鋼軌中心區域布氏硬度測試情況見表3，京石高鐵和京滬高鐵均鋪設U71MnG鋼軌，新鋼軌布氏硬度范圍與文獻[15]測試結果相同，為260～300HB，均值約為280HB。分析表3布氏硬度數據：鋼軌上道后U71Mn鋼軌布氏硬度在257～298HB之間，均值為276HB；京石高鐵上行K64+800及K65+200同一位置測試鋼軌硬度均值271～276HB，4年上升不足1.9%，綜合京滬高鐵不同位置硬度隨時間增長有升有降情況，并考慮硬度計測試誤差，可以認為鋼軌硬度基本保持不變；打磨后測試硬度雖然有小幅度下降(均值4%內)與打磨后造成鋼軌表面粗糙導致測試值降低有關。

綜上所述：(1)京石和京滬高鐵U71MnG鋼軌布氏硬度在257～298HB間，均值約為276HB；(2)鋼軌母材硬度基本保持不變，基本沒有發生循環硬化現象。

表3 京石和京滬高鐵鋼軌中心區域布氏硬度

5 京石高鐵鋼軌焊接接頭平直度變化

鋼軌預防性打磨作用除恢復鋼軌廓形和預防疲勞傷損外，還需保持線路鋼軌平順，預防鋼軌波磨，確保線路鋼軌平順性滿足標準要求。研究表明，正常情況下我國高速鐵路直線和大半徑曲線鋼軌不會發生波磨[16]。在焊接接頭中平順性較差的是移動焊接接頭。

在2015年和2017年間，使用便攜式電子平直尺進行了京石高鐵移動接觸焊焊接接頭平直度測試，選擇測試的34個焊接接頭進行了統計(圖6)，兩年期間焊接接頭高點變化平均值為-0.006 mm，一年焊接接頭高點變化平均值位-0.003 mm。因此，焊接接頭高點基本保持不變。

圖6 2015年和2017年測試京石高鐵K36+006～K41+935地段移動焊接接頭平直度比較

6 高速鐵路鋼軌預防性打磨周期

在打磨技術層面上，鋼軌打磨周期一般以通過總質量指標給出；在計劃管理方面，鋼軌打磨周期以年為單位制定打磨計劃；在鋼軌狀態方面，以光帶寬度(或廓形偏差)為依據決定是否進行預防性打磨。

我國高速鐵路運行的動車組軸重僅為14～17 t，高速鐵路線路鋼軌所受的輪軌接觸應力較小，京石高鐵和京滬高鐵鋼軌硬度測試表明，鋼軌基本沒有發生循環硬化現象；分析高速鐵路鋼軌廓形變化規律表明，鋼軌廓形改變來自于輪軌接觸區域磨耗，輪軌磨耗導致輪軌接觸區域鋼軌廓形降低，其他區域廓形不變，宏觀上沒有發生塑性變形，因此，直線和大半徑曲線地段鋼軌疲勞問題不是控制預防性鋼軌打磨周期的因素。

分析鋼軌焊接接頭變化表明，鋼軌焊接接頭高點基本不變，正常情況下我國高速鐵路直線和大半徑曲線鋼軌不會發生波磨[16]，因此，直線和大半徑曲線地段鋼軌焊接接頭平順性及鋼軌波磨問題也不是控制預防性鋼軌打磨周期的因素。

控制預防性打磨周期因素主要是輪軌關系，通過鋼軌周期性預防性打磨避免動車組出現異常振動。在動車組車輪鏇修周期內，車輪發生一定范圍的凹磨，只要保持鋼軌廓形在合理范圍，確保等效錐度在0.08～0.35范圍內，就可以避免動車組出現異常振動[6，8]。按目標廓形60D和60N對鋼軌進行打磨，當鋼軌廓形接近60軌廓形或光帶寬度達到40～45 mm以上時動車組易發生構架橫向加速度報警[6，8]。課題組跟蹤的京石高鐵預打磨至第一次預防性打磨時間約為4.5～5.5年，按2018年京石高鐵年通過總質量約20 Mt計算，對應累計通過總質量為90～110 Mt；京滬高鐵2014年修理性打磨至第一次預防性打磨時間為5.5～6.5年，按2018年京滬高鐵北京局管段年通過總質量30 Mt計算，對應累計通過總質量165～195 Mt；哈大高鐵上行K332～K366地段預打磨至第一次預防性打磨時間也達到了4.8年，按2018年的年通過總質量12 Mt計算，對應累計通過總質量約60 Mt；根據哈大、京石、京滬高鐵打磨試驗結果，按打磨年限預防性打磨周期為4.5～6.5年，取較小整年4年作為預防性打磨周期。根據哈大、京石和京滬高鐵預防性打磨實踐，考慮到我國高鐵線路較多，鋼軌打磨質量水平參差不齊，廓形控制的差異，按較小的通過總質量作為預防性打磨指標，提出預防性打磨周期按通過總質量為60～90 Mt。根據哈大、京石、京滬等高鐵發生動車組異常振動[4，6-8]情況，反映鋼軌廓形的光帶寬度可作為預防性打磨狀態修指標，針對哈大、京石、京滬等高鐵第一次預防性打磨時鋼軌光帶寬度為36～40 mm，提出僅運行動車組的線路，鋼軌光帶寬度日常應保持在20～40 mm范圍，并且寬度均勻，直線區段鋼軌光帶寬度達到35 mm制定年度打磨計劃，光帶寬度達到40 mm應及時進行鋼軌預防性打磨。我國高速鐵路運營里程逐漸增加，2020年底，運營里程已經達到3.8萬km，而各局打磨車并沒有同步增加，按“每30～50 Mt通過總質量進行一次鋼軌預防性打磨，一般不宜超過2年”[10-11]的預防性打磨周期進行打磨不僅不現實，而且沒有必要，同時造成打磨資源浪費。

根據輪軌關系、大機打磨能力研究結果，并結合我國高速鐵路鋼軌打磨實踐，提出我國高速鐵路預防性打磨周期為：已開通運營的高速鐵路，鋼軌預防性打磨周期按通過總質量和鋼軌運用狀態確定；原則上每60～90 Mt通過總質量進行一次鋼軌預防性打磨，年通過總質量15 Mt以上線路一般不宜超過4年；僅運行動車組的線路，鋼軌光帶寬度日常應保持在20～40 mm范圍，并且寬度均勻。直線區段鋼軌光帶寬度達到35 mm制定年度打磨計劃，光帶寬度達到40 mm應及時進行鋼軌預防性打磨。

按60D或60N目標廓形打磨線路鋼軌，并滿足《高速鐵路鋼軌與道岔大型機械打磨驗收技術規范》，將“每30～50 Mt通過總質量進行一次鋼軌預防性打磨，一般不宜超過2年”的預防性打磨周期提高到“每60～90 Mt通過總質量進行一次鋼軌預防性打磨，年通過總質量15 Mt以上線路一般不宜超過4年”提高經濟效益1～2倍，同時節約大量“天窗點”，極大減輕打磨工作人員晚間上線時間和打磨對周圍環境污染，具有極大的社會效益。

7 結論

本文針對我國高速鐵路鋼軌預防性打磨周期問題，全面測試和分析了按60D和60N目標廓形進行打磨后廓形變化規律、鋼軌光帶變化、軌頂中心區域母材硬度變化、鋼軌焊接接頭高點變化，獲得了鋼軌廓形、磨耗、硬度及焊接接頭高點變化規律。在此基礎上，結合我國高速鐵路輪軌關系研究成果、高速鐵路路情及鋼軌打磨實踐提出了我國高速鐵路鋼軌預防性打磨周期。得到如下主要結論。

(1)按目標廓形60D或60N進行打磨的線路鋼軌經過4.5～6.5年時間運營，鋼軌實測廓形趨向60軌標準廓形；按目標廓形60D打磨后光帶寬度從22～23 mm發展到39～40 mm，按目標廓形60N打磨后光帶寬度從20 mm發展到36 mm。

(2)相鄰兩次打磨期間，只運行動車組高速鐵路鋼軌廓形改變來自于輪軌接觸區域磨耗，非輪軌接觸區域廓形不變，宏觀上沒有發生塑性變形，也沒有疲勞裂紋傷損。京滬高鐵和京石高鐵鋼軌平均每年自然磨耗量分別為0.09 mm和0.06～0.07 mm。

(3)京石高鐵和京滬高鐵U71Mn鋼軌布氏硬度在257～298HB之間，均值約為276HB；鋼軌母材硬度基本保持不變，基本沒有發生循環硬化現象。

(4)京石高鐵預打磨后至預防性打磨前，焊接接頭高點基本保持不變。

(5)提出我國高速鐵路鋼軌預防性打磨周期為：鋼軌預防性打磨周期按通過總質量和鋼軌運用狀態確定。原則上每60～90 Mt通過總質量進行一次鋼軌預防性打磨，年通過總質量15 Mt以上線路一般不宜超過4年，僅運行動車組的線路，鋼軌光帶寬度達到40 mm應及時進行鋼軌預防性打磨。