张银花，李　闯，俞　喆，李　伟，张生玉，干　锋

(1.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京　100081；2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京　100081；3.中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京　100081；4.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都　610031)

钢轨是轨道交通运输的重要部件之一，在轨道交通运输中起着至关重要的作用。随着货车轴重的不断增加、车速的不断提高，钢轨断面尺寸不断增大、形状不断改进。我国以运输煤炭为主的大秦等重载铁路，货车轴重主要为25 t。为了缓解我国煤炭资源运输的紧张局面，货车轴重将进一步增大。近些年来，为了满足我国重载铁路发展需要，在借鉴重载铁路发达国家钢轨技术研究成果和成熟应用经验的基础上，开展了适应我国30 t轴重条件下钢轨的轨型、廓形、材质及维修养护策略、标准等研究，初步提出我国30 t轴重铁路钢轨技术体系和标准[1]。在国内某重载铁路上，通过铺设不同轨型、不同廓形、不同强度等级的钢轨，开展对比试验，对提出的技术体系进行了现场验证。

本文重点分析不同轨型、不同材质钢轨的轮轨接触几何关系、轨道结构动力学、货车动力学等的对比试验结果，并结合前期研究成果，对钢轨的关键技术参数进行研究比选，提出30 t轴重重载铁路的用轨策略。

1　钢轨轨型和材质对比试验

在某重载铁路通道上，选取91.8 km的线路进行轨道和车辆等的综合试验。在该段线路上，铺设不同轨型(60和75 kg·m-1)、不同廓形(60，60N，75N)、不同材质(U75V，U78CrV，U77MnCr，U76CrRE和贝氏体)共计8种组合的钢轨，且直线线路铺设热轧钢轨，半径≤1 200 m曲线线路铺设在线热处理钢轨。综合试验期间，主要开展轮轨接触几何关系、轨道动力学指标、货车动力学指标等的测试试验和仿真计算，货车轴重为30 t，最大载重为12 000 t，最高试验速度为110 km·h-1。

轮轨接触几何关系测试主要采用涂刷油漆的方式，测试货车的速度为90和100 km·h-1、载重为8 000和12 000 t条件下的轮轨接触几何，测点位置见表1中的测点1-1—测点1-3。每个测点测试3次往返数据，取平均值。除此之外，在这3个测点处，采用Miniprof等设备，分别测试钢轨的廓形、轨底坡、轨距，每个测点测试5组钢轨数据，同时测试560个货车车轮踏面数据。采用轮轨接触几何关系计算软件计算车轮等效锥度。

采用在轨腰粘贴应变片的方式，测试载重为8 000和12 000 t条件下，货车以不同速度通过3种廓形钢轨时的轨道动力学指标(轮轨垂直力、轮轨横向力、轮轴横向力、振动加速度等)，测点位置见表1中的测点1-1—测点1-3。在试验货车上安装测力轮对和加速度传感器，测量轮轨垂向力和横向力、车体横向和垂向振动加速度等，测点位置见表1中的测点1-4—测点1-6。

采用Miniprof、便携式里氏硬度计等设备，定期对试验段上8种组合钢轨服役性能进行测试，测试内容主要包括钢轨的轨面硬度、廓形、接触光带、焊接接头平直度、伤损等数据，综合试验期间共测试4次，试验结束后每年测试2次，测点位置见表2。

表1　轮轨接触几何、轨道动力学和货车动力学的测点布置及测试内容

表2　不同种类钢轨使用性能测点布置及测试内容

1.1　轮轨接触几何关系

对轮轨接触几何关系测试结果进行分析，得出如下初步结论：①60钢轨的轮轨接触光带偏向轨距角一侧，光带宽度为46～52 mm，光带距离工作边一侧最小距离为3 mm；②60N钢轨的轮轨接触光带基本居中，光带宽度为30～35 mm，光带距工作边一侧最小距离为12 mm；③75N钢轨的轮轨接触光带也基本居中，光带宽度为36～43 mm，光带距工作边一侧最小距离为11 mm；④钢轨的光带宽度与货车的载重、速度和运行方向均无关。

根据实测得到的钢轨和车轮外形数据，利用仿真手段分别计算60，60N，75N这3种钢轨的标准廓形、实测廓形与货车LM型车轮标准型面的轮轨接触关系和车轮等效锥度，结果如图1—图4所示。对计算结果进行对比分析，得出如下结论：①轮对横移量在-9～9 mm范围内，60N和75N钢轨的轮轨接触点集中于踏面中心处，而60钢轨则在轨距角处；②标准型面LM车轮与60N钢轨接触时，轮对横移量在-9～9 mm范围内，车轮等效锥度均为0.1左右；与75N钢轨接触时，在轮对横移量为±3 mm范围内，车轮等效锥度均为0.1左右，在轮对横移量大于3 mm后，车轮等效锥度达到0.1～0.3；与60钢轨接触时，轮对横移量在±3 mm范围内，车轮等效锥度为0.1左右，轮对横移量大于3 mm后，车轮等效锥度达到0.2～0.3；③与实测60钢轨接触时，车轮等效锥度为与标准廓形75N钢轨接触时的1.35～1.50倍；与实测60N钢轨接触时，车轮等效锥度为与标准廓形75N钢轨接触时的0.77～0.86倍，而与实测75N钢轨接触时，车轮等效锥度为与标准廓形75N钢轨接触时的0.94～1.00倍。

图4(a)中，由于编号为C96_134_2的车轮相比其他车轮而言踏面磨耗量大，导致计算得到的等效锥度有突变。

图1　标准廓形和实测廓形60钢轨与标准型面LM车轮的轮轨接触关系

图2　标准廓形和实测廓形60N钢轨与标准型面LM车轮的轮轨接触关系

图3　标准廓形和实测廓形75N钢轨与标准型面LM车轮的轮轨接触关系

图4　不同廓形钢轨与LM型面车轮匹配时的等效锥度对比

1.2　轨道结构动力学

根据货车以不同速度通过3种廓形钢轨时的轨道动力学指标等测试数据和计算数据，得到8 000 t载重条件下轨道动力学指标的散点图，如图5所示。图中：因左右轨数据相当，只列出右轨的轮轨垂直力和横向力平均值。

图5　8 000 t载重条件下3种廓形钢轨的轨道动力学指标散点

对测试数据进行对比分析可知：①3种廓形钢轨的脱轨系数平均值、轮重减载率平均值均较小；②60N和75N钢轨的轮轴横向力平均值接近，60钢轨的最大， 60N钢轨的轮轴横向力较60钢轨降低约50%；③轮轨垂直力平均值存在差异，60N和75N钢轨的接近，而60N的略小， 较60钢轨降低约8～15%；④3种廓形钢轨的轮轨横向力平均值均较小，其中60N和75N钢轨的大致相同，60N钢轨的略小，较60钢轨降低约50%；⑤钢轨振动加速度平均值分布分散；⑥轮轨垂直力和横向力的分布规律类似，分布比例相同时，60钢轨对应的荷载最大，75N钢轨次之，60N钢轨最小；荷载相同时，小于此荷载的比例60N钢轨最大，75N钢轨次之，60钢轨最小；综上所述，3种廓形钢轨的轨道动力学指标存在差异，60N钢轨的最小，75N钢轨的与60N钢轨的基本相当，60钢轨的最大。

12 000 t载重条件下轨道结构动力学指标与8 000 t载重条件下的有类似的结果。

1.3　货车动力学性能

根据货车通过3种廓形钢轨时的动力学指标测试数据和计算数据得到8 000 t载重条件下60，60N和75N这3种廓形钢轨的货车动力学指标与里程的散点图，如图6所示。由图6可知：由于实际测试的试验速度为80～90 km·h-1，速度较低，货车动力学指标受60，60N和75N这 3种廓形钢轨的影响不显著，测试数据基本分布在同一范围内。

12 000 t载重条件下货车动力学指标与8 000 t载重条件下的有类似的结果。

图68 000 t载重条件下3种廓形钢轨对货车动力学响应的散点图

1.4　钢轨使用性能

综合试验期间，对钢轨使用性能进行了4次测试，对测试数据进行对比分析，得出结论：①钢轨踏面硬度存在轻微加工硬化现象；②直线线路和曲线线路下股钢轨的光带变化不明显，曲线线路上股钢轨的光带明显变宽；③由于通过总重较低，钢轨廓形变化很小，钢轨磨耗很少。

综合试验后，继续跟踪钢轨使用性能，每年跟踪观测2次。由于该条线路的货车数量少，钢轨廓形、光带等变化很小，未出现滚动接触疲劳和其他伤损情况。

以75N(U78CrV)钢轨为例，2次测量的宏观形貌和磨耗对比情况如图7所示。由图7可见：直线线路钢轨的磨耗很小，曲线线路钢轨有磨耗，但磨耗量很小。

不同轨型、不同廓形、不同强度等级的钢轨使用效果还需经过长期的跟踪试验。

图7攀钢75N(U78CrV)钢轨的2次跟踪测试宏观形貌和磨耗情况(K565+970处，左股)

2　钢轨关键参数的选用

2.1　钢轨廓形

目前，我国既有的普速铁路干线主要采用60钢轨，大秦等重载铁路采用75钢轨，线路上运行多种型面的车轮。运行结果表明，轮轨多在轨距角位置接触，因轮轨长期在轨距角接触，引起轨距角处滚动接触疲劳伤损、曲线钢轨剥离掉块、核伤等。因此，有必要对60和75钢轨的廓形进行优化。为了实现直线上轮轨在踏面中心区域接触，曲线上轮轨形成共形接触的目标，在借鉴国外重载先进技术和成熟经验及我国重载钢轨应用实践的基础上，仅改变轨头的型式尺寸，设计了新轨头廓形钢轨，分别定义为60N钢轨[2]和75N钢轨，其中，75N钢轨的型式尺寸如图8所示[1-4]。

图8　新轨头廓形75N钢轨的轨头型式尺寸(单位：mm)

应用有限元软件分别对优化前后的60与60N和75与75N钢轨的轮轨接触几何和接触应力进行计算。结果表明：在与LM车轮匹配时，无论60N钢轨还是75N钢轨，优化后的轮轨接触区域均移向踏面中心部位；与60钢轨比较，在曲线半径R为300～600 m的曲线工况下，60N上股钢轨的最大接触应力和Mises应力降低最多，约19%，在直线工况下，在轮对横移量为-4～2 mm范围内，60N钢轨的最大接触应力和Mises应力降低最多，约17%；与75钢轨相比，在直线工况下，75N钢轨的Mises应力和最大接触应力降低最多，约20%，在R为300～800 m的曲线工况下，75N上股钢轨的Mises应力和最大接触应力降低最多，约29%。可见优化后的应力下降幅度均较大。轮轨接触几何和接触应力的仿真计算结果表用，新设计的60N和75N钢轨显著改善了轮轨接触关系，降低了轮轨接触应力[1-2]。

本次综合试验，测试了60，60N和75N这3种廓形钢轨与货车车轮的轮轨接触几何关系，测试了3种廓形钢轨对轨道结构动力学和货车动力学性能指标的影响和相应，并根据测试的钢轨廓形、车轮型面等计算了轮轨接触几何和等效锥度。测试和计算结果表明：60N钢轨无论是接触几何关系、等效锥度、动力学指标，还是轮轨匹配关系均明显优于60钢轨；60和60N钢轨与LM车轮接触时，应优先选用60N钢轨；60N和75N钢轨与LM车轮接触时，它们的轮轨接触几何关系、等效锥度、动力学指标均大致相同，轮轨匹配关系基本相当，还需要结合钢轨轨型的研究进行选择。

2.2　钢轨轨型

钢轨是轨道运输重要部件之一，强度、轨型、廓形等影响着钢轨的使用寿命。钢轨的整体强度受动弯应力、温度应力和残余应力的影响，它们的综合作用将导致钢轨在使用过程中发生疲劳断裂。不同轨型钢轨的弯曲应力(静强度)和疲劳强度的仿真计算结果表明，钢轨的弯曲应力随着单重的增加而降低，提高钢轨的单重可提高其静强度；提高单重有利于提高钢轨的抗弯曲疲劳性能， 75 kg·m-1钢轨的疲劳寿命估算值约为60 kg·m-1钢轨的2倍[1]。从前期大秦和朔黄重载铁路钢轨的使用性能测试结果来看，75 kg·m-1钢轨的使用寿命明显高于60 kg·m-1钢轨，60 kg·m-1钢轨的伤损率约为75 kg·m-1钢轨的4倍[1]。

本次综合试验，测试了2种轨型(60和75 kg·m-1)钢轨的使用性能，因综合试验期间和综合试验后通过总重均较小，目前的测试结果没有大的差别。根据前期不同轨型钢轨疲劳强度的仿真计算结果和大秦等重载铁路不同轨型钢轨伤损的实测结果，建议30 t轴重条件下选用75 kg·m-1的钢轨。

2.3　钢轨材质

大秦铁路是我国重载铁路线路，轴重为25 t及以上，目前开行2万t货车，年通过总重超过4亿t。1988年开通运营时，全线铺设使用U71Mn热轧钢轨，强度较低，耐磨性能较差。因此，20世纪90年代中后期，逐渐在直线线路上铺设使用U75V热轧钢轨，在曲线线路上铺设1 180 MPa级及以上热处理钢轨。近年来，随着万吨列车的开行及年运量的大幅增加，钢轨伤损增加。根据对钢轨的伤损统计情况看，2005年铺设使用的攀钢U75V钢轨，累计通过总重达到9亿t时，直线线路钢轨的累计重伤率约为5.0处·km-1。为了延长重载铁路钢轨的使用寿命，2006年成功研发了U77MnCr和U78CrV高强新钢种钢轨，2007年开始在大秦重载铁路线使用，在直线线路上铺设热轧钢轨，在半径小于1 200 m的曲线线路上铺设1 300 MPa级及以上的热处理钢轨，同时考虑了提高钢质纯净度，采用科学的润滑和合理的养护维修。2007年铺设的鞍钢U77MnCr钢轨和攀钢U78CrV钢轨，直线线路钢轨的(母材+厂焊)累计重伤率在通过总重9亿t时约为2处·km-1，在通过总重17亿t时约为5处·km-1，与2006年前铺设的钢轨相比，钢轨的累计重伤率降至原来的一半。直线线路钢轨的使用寿命由7～9亿t提高至超过15亿t通过总重，曲线线路钢轨的使用寿命超过10亿t通过总重[5-8]。2000年后，相继开发了贝氏体和过共析钢轨，目前分别在大秦和朔黄铁路试用[9-10]。

综合试验期间和综合试验之后，因通过总重较小，几种不同强度等级钢轨的使用性能没有发现大的差异。根据前期研究和试验结果，在30 t轴重条件下，建议直线线路上铺设强度等级为980 MPa级及以上的热轧钢轨，曲线线路上铺设强度等级为1 300 MPa及以上的在线热处理钢轨，在小半径曲线且伤损形式以滚动接触疲劳为主的线路上可推广使用贝氏体钢轨。

国内重载铁路常用钢轨性能指标见表3。

表3　钢轨抗拉强度、断后伸长率和轨头顶面硬度

3　结论及建议

(1)60，60N，75N这 3种廓形的钢轨与货车车轮接触时，60钢轨的轮轨接触光带偏向于轨距角一侧，60N和75N钢轨的则在踏面中心处；标准型面LM车轮与实测廓形60钢轨接触时的车轮等效锥度为与标准75N钢轨接触时的1.35～1.50倍；与实测廓形60N钢轨接触时的车轮等效锥度为与标准廓形75N钢轨接触时的0.77～0.86倍；与实测廓形75N钢轨接触时的车轮等效锥度为与标准廓形75N钢轨接触时的0.94～1.00倍。

(2)在8 000和12 000 t载重条件下，75N钢轨对脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂直力、轮轨横向力、钢轨振动加速度等轨道结构动力学指标的影响与60N钢轨的基本相当，60N钢轨的略小，60钢轨的最大。

(3)在载重为8 000和12 000 t、速度为80和90 km·h-1条件下，60，60N和75N 3种廓形钢轨对脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、横向和垂向振动加速度等货车动力学指标的影响不显著，测试数据基本分布在同一范围内。

(4)建议在30 t轴重重载铁路上，选用轨型为75 kg·m-1、廓形为75N的钢轨，在直线线路上铺设980 MPa级及以上、曲线线路上铺设1 300 MPa级及以上强度等级的钢轨，在小半径曲线且伤损形式以滚动接触疲劳为主的线路上可推广使用贝氏体钢轨。

(5)建议继续对综合试验段上8种组合的钢轨磨耗、踏面硬度、廓形、接触光带、累计伤损率等随着通过总重的变化规律进行跟踪观测，积累验证数据，完善30 t轴重重载铁路钢轨技术体系。

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