高速与重载铁路钢轨损伤及预防技术差异研究

２００７年１１月第３２卷第１ｌ期

润滑与密封

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高速与重载铁路钢轨损伤及预防技术差异研究＋

刘启跃王文健周仲荣

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（西南交通大学摩擦学研究所四川成都６１００３１）

窖摘要：结合多年的研究与调查，分析了高速与重载铁路钢轨损伤与预防技术的差异。钢轨侧磨与压溃是重载曲线段毫

罩钢轨的主要损伤类型，而高速铁路钢轨主要表现为疲劳损伤特征；根据磨损与疲劳的相互制约与竞争关系，提出了高速圣宴与重载铁路钢轨选材及车轮型面选择的不同要求；阐述了高速与重载铁路钢轨不同曲线轨头非对称打磨技术的原理及应０

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关键词：高速重载；钢轨损伤；磨损；疲劳；钢轨打磨

中图分类号：Ｕ２１１．５文馘标识码：Ａ文章编号：０２５４一０１５０（２００７）１１—０ｌｌ一４

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纹扩展导致钢轨断裂所引起…。

高速、重载铁路运输将导致车轮、钢轨的服役寿命严重降低。例如，大秦线重载铁路钢轨出现以侧磨、压溃和断裂破坏形式的钢轨材料服役失效，’重伤轨数每年以２０％的速度递增。铁路提速后。列车、轨道系统已经暴露了大量与材料服役环境有关的机械强度和可靠性问题。在我国第一条准高速线广深铁路上出现了钢轨斜线状裂纹，裂纹发展后会造成断轨事故。事实上，随着列车运行速度的加快，车辆、轨道的振动会大大加剧，动载幅度明显提高，牵引、制动力矩增大，材料的服役工况环境变得严酷，将使得材料的服役寿命大大缩短。

２１世纪的铁路是以高速、重载、高教、安全为特征的时代。作为全国人员物资输运的大动脉，高效铁路运输系统的发展处于国家经济发展的先锋地位，在我国铁路跨越式发展战略中，高速和重载是铁路运输的发展方向。目前，我国铁路营业里程达７万多公里，尤其是“九五”以来，重载铁路、快速和准高速铁路开始建设营运，目前已达全国铁路的１９．４％。今后，我国高速铁路、重载铁路建设速度将大幅度提高。

高速、重载铁路运输向科学研究提出了一系列挑战。欧洲高速铁路系统已有较长发展经验，但重大事故仍然不断发生，据统计，１９９９—２０００年度英国断轨事故急剧上升到９４９次，为此英国投入ｌ亿英镑研究对策。２０００年１０月１７日，一列高速列车以

１８５

然而，由于使用条件和运输环境的变化，高速与

重载铁路的钢轨损伤、维护及使用技术都会产生较大的差异，本文作者就此问题进行详细论述。１钢轨损伤的差异

ｋｒ∥ｈ的速度从伦敦驶往ｋｅｄｓ的途中，在通过曲

线时发生出轨事故，其原因为曲线外侧钢轨的疲劳裂

我国２０世纪９０年代开始发展重载铁路，已掌握

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０６７５１８３）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（２００６０６１３０１７），收稿日期：２００７—０８一∞

作者简介：刘启跃（１９６４一），男．博士，教授，主要从事轮轨

相关的一些重载钢轨运用与维护技术，重载铁路钢轨的主要损伤类型表现为钢轨侧磨、钢轨波磨、剥离掉块与钢轨压渍，它们占钢轨损伤量的８０％以上”４］。

钢轨侧磨是重载曲线段钢轨的主要损伤类型。在

一些山区铁路线上，钢轨侧磨已成为曲线钢轨更换的

摩擦学的研究．Ｅ－ｍ越ｌ：ｌｑｙ９０６５＠ｙ曲帆ｅ㈣．ｃｎ

润滑与密封

第３２卷

决定因素。车轮在钢轨上运行时一般轮轨间为一点接

触，即车轮踏面与钢轨顶面相接触。但车轮在曲线轨道上行驶时，导向轮由于惯性力的作用往往会发生轮缘与轨侧贴靠，形成两点接触。当车轮在轨踏面上为纯滚动时，则远离回转轴线的轮缘与轨侧的接触点必然存在着滑动，造成轮缘与轨侧的剧烈磨损，导致钢轨侧磨或轮缘磨耗而失效。钢轨波形磨损是指钢轨投人使用后，轨顶面沿纵向出现有一定规律性的波浪形状的不平顺现象，通常简称钢轨波磨。线路上出现钢轨渡磨后，会对线路造成下列不良影响：加剧轮轨垂向振动，引起钢轨扣件松动、轨枕下沉、破坏路基；机车车辆零部件损坏，使用维修费用增加：大大缩短钢轨的使用寿命；影响机车牵引力；噪声和振动影响了乘客的舒适度。同时钢轨波磨还是铁路安垒的一大隐患，急剧增加的轮轨作用力可能引起钢轨和车轴的断裂，而较大的振动会造成脱轨。钢轨波磨往往是由于较大的轮轨载荷导致钢轨塑性变形不均匀而形成的…。

钢轨压溃是重载线路上的一种钢轨主要损伤类型，是钢轨连续的塑性变形所导致的。特别是在重载线路的曲线区段，常会发生曲线钢轨的压溃现象，如图ｌ（ａ）所示。图中所示钢轨内轨角处材料压溃破坏形式主要发生在重载线路曲线低股钢轨上。在钢轨内轨角处轨头被挤压成蘑菇状。其原因可能为：钢轨材料强度过低，硬度不足，曲线超高或曲线过低，或低股钢轨轨底坡不合适；这种破坏形式主要发生在重

及以下的曲线上股钢轨陆续出现斜线状剥离裂纹，即钢轨斜裂纹，其宏观形貌见图ｌ（ｂ）。此种斜裂纹主要是位于工作边轨距角的踏面处呈斜线状形貌，不产生剥离掉块，达到一定深度后，裂纹快速疲劳扩展，导致形成轨头横向疲劳裂纹和横向断裂。广深准高速区段斜裂纹发生的特点主要为，发生在加速曲线地段；斜裂纹发展速度ＰＤ３轨比Ｕ７ｌＭｎ轨快；斜裂纹在没有侧磨的曲线上股发展快；斜裂纹产生后发展速度非常快。

比较钢轨的损伤类型可以发现，重载与高速铁路钢轨的失效形式是不同的。为了延长钢轨的使用寿命，在高速重载铁路的钢轨维护与运用技术中必然存在着差异，同时对钢轨选材的技术要求也不尽相同。２钢轨选材的差异

图２磨损与裂纹扩展速率的关系

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上述分析表明，重载铁路钢轨的失效主要是由于钢轨塑性变形及磨损导致的；而高速铁路钢轨的失效则是由钢轨的接触疲劳导致。钢轨材料的磨损对表面疲劳裂纹形成有着十分重要的影响，两者之间存在相互影响与相互制约的关系，材料的磨损会消除表面疲劳裂纹。早期Ｐ赫ｓ和Ｅｉｄｏｇ“给出了单个裂纹扩展速率和表面磨损速率的关系”１。如图２所示。他们认为对单个裂纹而言，车轮每次通过时。如果裂纹尖端扩展速率大于因表面材料磨损对裂纹根部的截断率，则裂纹能继续扩展；反之，则裂纹随着车轮滚动次数的增加，裂纹长度在不断缩小，直至裂纹彻底被磨

载线鼯上。

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掉。显然，裂纹扩展速率依赖于应力强度因子和磨损率。虽然钢轨接触表面多个裂纹扩展过程相互影响很大，但它们扩展过程和磨损过程中相互作用和单个裂纹有相似之处。

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由于高速铁路列车运行速度高、动车组轴重轻，轮轨接触应力小，钢轨垂直和水平磨耗都比较小。相对而言重载线路上常见的钢轨病害表现较轻，导致钢轨失效的主要原因是钢轨接触疲劳及钢轨斜裂纹导致的钢轨断裂，由于车轮主要依靠蠕滑力导向，故钢轨侧磨很小。如２００２年４月，广深准高速区段部分半径为ｌ６００ｍ、ｌ柏０ｍ和非准高速区段半径为ｌ０００ｍ

Ｋａｐ帅ｒ”１等人提出了磨损和表面裂纹扩展之间

相互作用关系图，认为钢轨的疲劳寿命是随着磨损率的增加而显著增加，即裂纹存在条件下疲劳寿命在增加。实际上，钢轨使用寿命是由图３所示２个寿命曲线较低的部分决定，即在Ａ段曲线上。是不安全的疲

劳寿命区，而Ｂ曲线段属磨损不安全期，“点材料失

２０町年第ｌｌ期

刘启跃等：高速与重载铁路钢轨损伤及预防技术差异研究

１３

效是因滚动接触疲劳引。轻轨侧的磨损”１。磨耗型踏面减轻曲线钢轨轨侧和轮起的，丑点失效是因磨损帮缘磨损主要得益于２个方面：（１）一般锥形车轮踏引起的。分析表明，磨面通过曲线时往往产生两点接触，而磨耗形车轮踏面损与疲劳是相互竞争与通过较完善的设计可使轮轨接触点只有一个，接触点相互制约的关系。即磨位置接近轮缘根部，这样的设计即使偶尔发生两点接损问题严重时，疲劳往触，两接触点位置也十分接近．造成的滑动量也较

往较轻；而疲劳问题严。

磨损率

小，从而减轻了由于轮轨相互滑动而造成的磨损；重时。磨损相对较轻。图３磨损失效与疲

（２）锥形踏面车轮的等效斜度不变，而磨耗形车轮因此，利用钢轨接触表劳寿命的关系

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踏面为弧形，当轮对中心相对于线路中心有较大横向面磨损和裂纹扩展之间”“”。“”

偏移时，会产生较大的等效斜度，使左右车轮滚动圆相互作用关系，采取适

半径差迅速增大，以适应曲线上内外轨长的变化，从当加大磨损速率措施，是可以有效地降低钢轨疲劳裂而提高轮对曲线通过能力，降低横向导向力，减轻轮纹的扩展速度。例如，利用打磨列车定期对钢轨进行

缘、轨侧的磨损。

打磨，消除表面疲劳裂纹，就可延长钢轨使用寿命。

但是在高速铁路上，情况有所不同。现场调查发由于重载铁路与高速铁路的损伤形式不同，分别现，广深准高速线钢轨斜裂纹在没有便４磨的曲线上股表现为磨损与疲劳２种形式，故钢轨选材的技术要求发展快，因此可以看出，高速曲线区段增加钢轨侧磨也是不相同的。在重载铁路上，一般要求钢轨材料强可以有效预防钢轨疲劳裂纹的形成，这是与重载线路度高，抗压溃性和耐磨性强，这可减轻钢轨的侧磨及不同的。所以在选择车轮型面时不同于重载线路，建钢轨波磨的形成；而对于高速铁路的钢轨选材，则要议在高速铁路上采用锥形踏面车轮，这样不仅可以有求钢轨的韧性较大，材质具有较好的抗疲劳性能，从效减轻钢轨疲劳现象的发生，同时也可以增加车辆运而减轻高速铁路钢轨的疲劳损伤。实际中高速线路钢行的稳定性。轨可以通过降低钢轨的含碳量适当降低钢轨强度，增３．３钢轨打磨技术

加磨损量来降低钢轨疲劳裂纹的形成概率。随着我国高速重载铁路的快速发展和运输能力的３钢轨使用中运用技术的差异

ｔ

不断提高，钢轨的维修和养护就愈来愈显得重要。由由于重载铁路与高速铁路钢轨损伤形式不同，因于轨面伤损的诸多不利因素，所以线路上钢轨出现表此钢轨使用中运用技术也存在差异。在重载铁路线面伤损后一般需及时进行整治。当今国际上对轨面伤上，铁路工程技术人员主要采用了轮轨润滑、磨耗型损整治的最新技术是采用轨面打磨”’。钢轨打磨是２车轮踏面及曲线轨头非对称打磨等不同方法来减轻钢种对钢轨轨面进行现场打磨维修的作业，使修复后的轨侧磨，延长钢轨使用寿命；而高速铁路的维护技术轨面纵向平顺、横向圆滑，是一种消除和抑制轨面伤与之相比存在有较大的差别。损非常经济、合理的手段。

３．１轮轨润滑技术

目前，国外已经广泛采用钢轨打磨技术维护钢

轮轨润滑是一种投资少、见效快的有效方法．不轨，其中有一种打磨方式称为“曲线轨头非对称打

仅能迅速减小轮缘及轨侧的磨损，延长钢轨寿命．而磨”，早期曲线轨头非对称打磨主要是针对钢轨侧磨且还能减低运行阻力，节约能源。由于轮轨系统的特与轮缘磨耗。打磨的目的是改善钢轨的受力和减缓曲殊性，轮缘与轨侧润滑只能是边界润滑，通过第三介线地段钢轨的磨耗。轮对通过曲线时由于外轨较内轨质作用，在金属表面形成边界润滑膜。边界膜具有较长，要使轮对以纯滚动通过曲线，就要求轮对外轮的小的剪切强度，使摩擦主要过程在边界膜内发生，碱滚动半径要大于内轮的滚动半径，以补偿内外轨的长小了金属的摩擦阻力，降低材料的磨损ｏ“。

度差，轮轨之间蠕滑力产生的力矩减小了轮轨冲角，因此在重载线路～般均要求曲线钢轨采用润滑技起到了很好导向作用，从而避免了轮缘贴靠轨侧导向术降低轮缘及轨侧的磨损。但大量的研究同时表明，或减小了轮缘贴靠轨侧的导向力，减轻了轮缘、轨侧钢轨润滑会导致加速钢轨疲劳裂纹的扩展，因此在高的磨耗。

速线路上，不建议使用轮轨润滑技术。增大轮对的滚动半径差的非对称性打磨示意图如３．２车轮型面

图４所示”－。图中实线和虚线分别为新轨和打磨后的

车轮运行过程中，磨耗型车轮踏面也可有效地减

钢轨断面，Ａ、Ｂ分别表示外内轨打磨前后的轮轨接

１４

润滑与密封第３２卷

触点，ｃ—ｃ为打磨区。理论上打磨后使轮轨接触点从Ａ点移向了曰点，人为地增大了轮对的滚动半径差，从而增大轮对自行转向的能力，便于车辆的曲线通过。曲线区段采用非对称性打磨是延长曲线钢轨寿命的有效方法之一．按设计合理的非对称轨头断面进

行打磨，一般可延长钢轨寿命３０％，同时可大大减

缓车轮轮缘的磨损。

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图４轨头非对称性打磨示意图

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高速铁路的钢轨打磨对于我国来说是一个崭新的研究课题，研究高速铁路的钢轨打磨技术对我国高速铁路的建设和开通运营后的线路养护维修具有重大意义。广深线钢轨斜裂纹的产生不同于普通线路的钢轨裂纹，它主要沿钢轨作用边出现，迎行车方向朝钢轨踏面中心扩展。从裂纹形成与发展的特点来看，裂纹主要在靠近轨肩的位置形成，然后向钢轨踏面中心扩展并形成横向裂纹而发生钢轨断裂，因此可以认为广深线钢轨斜裂纹产生的原因主要是由于线路曲线地段轮轨接触点接近轨肩，而导致轨肩承受较大的曲线侧向导向力所致。

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图５广深线斜裂纹钢轨非对称打磨示意图

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针对广深线钢轨斜裂纹，就要采用另一种钢轨曲线轨头非对称打磨方式。从线路实际调查发现，～般区段钢轨侧磨严重，钢轨斜裂纹现象就轻微。因此，希望通过增加钢轨侧磨而减轻钢轨斜裂纹现象。这种方法与上述的重载线路钢轨轨头非对称打磨方式相反，即通过钢轨轨肩打磨，使曲线外轨轮轨接触点向钢轨踏面中心移动，增加轮缘与轨侧的导向作用力，减轻轨肩横向接触应力，即减小轮轨接触点上的斜向导向摩擦力，降低钢轨斜裂纹形成的概率，如图５所示。４、Ｂ分别表示外内轨打磨前后的轮轨接触点，

ｃ—ｃ为打磨区。理论上打磨后使轮轨接触点从且点移向＾点，由一点接触变为两点接触Ａ和Ａ７，增大了轮缘与轨侧磨耗，从而增加了轨肩磨损，有利于减轻轨肩处斜裂纹的形成。

采用曲线轨头非对称打磨方式对广深线曲线钢轨进行了打磨试验，打磨结果如图６所示。通过打磨前后照片比较，采用非对称打磨后，上股钢轨光带向钢轨踏面中心偏移。因为偏移，车轮与钢轨的接触由一点接触变为两点接触，形成两条光带。两点接触与一点接触相比，车轮轮缘与钢轨接触点承受的导向力增大，从而减轻了车轮踏面接触点上的横向摩擦力，降低了钢轨斜裂纹产生的概率。从图６可以看出，过去

形成钢轨斜裂纹的位置不再发生轮轨接触，而由于钢轨踏面中间约束条件多，可以预防及减缓钢轨裂纹的产生，因此此种打磨方式能够有效减轻钢轨斜裂纹的形成。

图６１广槔线高下线Ｋ６８＋２３０处打磨效果图

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４结论

（１）重载铁路钢轨的失效主要是由于钢轨塑性变形及磨损导致的；而高速铁路钢轨的失效则是由钢轨的接触疲劳导致。

（２）在重载铁路上，一般要求钢轨材料强度高，抗压渍性和耐磨性强，这可减轻钢轨的侧磨及钢轨波磨的形成；而对于高速铁路的钢轨选材，则要求钢轨的韧性较大，材质具有较好的抗疲劳性能，从而减轻高速铁路钢轨的疲劳损伤。

（３）重载铁路可采用轮轨润滑、磨耗型车轮踏面及曲线轨头非对称打磨等不同方法来减轻钢轨侧磨，延长钢轨使用寿命。高速铁路不可采用轮轨润滑技术，车轮型面的选择也不同于重载线路，可采用锥形踏面车轮；重载线路钢轨轨头非对称打磨方式相反，即通过钢轨轨肩打磨，使曲线外轨轮轨接触点向钢轨踏面中心移动，增加轮缘与轨测的导向作用力，减轻轨肩横向接触应力，即减小轮轨接触点上的斜向导向摩擦力，降低钢轨斜裂纹形成的概率。

（下转第６８页）

６８

润精与密封

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第３２卷

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（上接第１０页）

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