董华利

中铁物总技术有限公司，北京100036

对于重载铁路的小半径曲线区段上股钢轨，侧面磨耗与接触疲劳伤损是影响其使用寿命的主要因素［1］。由于磨耗速率明显大于其他区段，接触疲劳伤损发展较快，小半径曲线区段上股钢轨的使用寿命无法匹配大修周期，增加了换轨及维护成本。为了延长换轨周期，节约成本，研究如何提高小半径曲线区段上股钢轨使用寿命具有重要意义［2］。

为了减少小半径曲线区段上股钢轨的磨耗及延缓接触疲劳伤损发展，可以通过设置曲线欠超高和上下股非对称轨底坡、进行固体润滑、采用热塑性弹性体垫板等措施减少磨耗［3-4］，在小半径曲线上使用强度等级更高的热处理钢轨可以有效延长使用寿命［5-8］。文献［9］研究了在线热处理钢轨U75V作为道岔尖轨在服役过程中的廓形演化规律。

钢轨在服役状态下的廓形变化对钢轨选用及维护具有重要指导意义，而目前关于小半径曲线区段上股钢轨使用过程中的磨耗发展规律研究相对较少。本文对小半径曲线区段上股采用的不同热处理钢轨磨耗发展规律进行观测研究，为小半径曲线区段上股钢轨材质选择及维护提供基础数据。

1 观测条件

1.1 线路概况

石太线是山区重载铁路，小半径曲线区段较多，上股钢轨侧面磨耗严重，使用寿命与其他区段不一致，造成钢轨更换频繁，增加维护成本。选取石太线上两段半径小于400 m的曲线区段（曲线A和曲线B）作为观测区段，对使用过程中上股钢轨的磨耗及接触疲劳伤损发展进行观测。两个观测区段最大允许通过速度均为60 km/h，年通过总质量均为120 Mt；线路状况均为混凝土轨枕，碎石道床。曲线观测区段主要参数见表1。该线路上股钢轨采用固态润滑方式来减少钢轨侧面磨耗，每日进行车载涂油两遍。

表1 石太线曲线观测区段主要参数

1.2 钢轨力学性能

曲线区段上股钢轨原为某钢厂生产的U78CrV热轧钢轨，是目前我国标准中强度等级最高的热轧钢轨。为了对比不同热处理钢轨与热轧钢轨使用情况，曲线A上股铺设该厂生产的U78CrV热处理钢轨，代号为H370［10］，曲线B上股铺设该厂生产的U75V热处理钢轨，代号为H340［10］。各型号钢轨的主要力学性能见表2。

表2 钢轨主要力学性能

1.3 观测方案

结合所选择线路历史钢轨使用情况，选择磨耗较为严重的缓圆点DHY、曲中点DQZ和圆缓点DYH作为观测点。轨头廓形采用手持式廓形仪进行测量。

2 结果与讨论

2.1 侧面磨耗

图1为曲线A及曲线B上股圆缓点钢轨廓形变化情况。可知，钢轨刚上道时，在轨头轨距角位置存在轻微肥边；随着通过总质量G的增加，肥边消失，侧面磨耗逐渐增加。

图1 上股圆缓点廓形变化

不同通过总质量下，曲线A及曲线B各观测点的上股钢轨侧面磨耗量见图2。

图2 不同通过总质量下的上股钢轨侧面磨耗量

对图2中侧面磨耗与通过总质量的关系进行拟合，得到拟合直线方程，其斜率即磨耗速率。由于曲线A中缓圆点DHY磨耗较慢，且观测数据点较少，未进行拟合。曲线A的曲中点DQZ、圆缓点DYH及曲线B的缓圆点DHY、曲中点DQZ和圆缓点DYH的拟合方程依次见式（1）—式（5）。

由图2和式（1）—式（5）可知：

1）从同一曲线上的3个观测点来看，圆缓点DYH先出现可观测的侧面磨耗，且通过总质量相同时的磨耗总量大于其他两点，但圆缓点DYH的平均磨耗速率并不比其他观测点大，同一曲线上不同观测点的磨耗规律有待进一步研究。

2）曲线A上股钢轨曲中点DQZ和圆缓点DYH的侧面磨耗速率分别为0.022、0.019 mm/Mt；曲线B上股钢轨缓圆点DHY、曲中点DQZ和圆缓点DYH的侧面磨耗速率分别为0.040、0.023、0.036 mm/Mt。从不同曲线的侧面磨耗速率看，曲线A上股使用的H370钢轨侧面磨耗速率低于曲线B上股使用的H340钢轨。

可见，H370钢轨比H340钢轨具有更长的使用寿命以及更高的硬度和强度，且其片层间距比H340钢轨的小。总之，H370钢轨综合性能更优［11］。

两个曲线观测区段上股使用原U78CrV热轧钢轨时，曲线A上股钢轨因侧面磨耗达到了19 mm，在通过总质量为280 Mt时下道；曲线B上股钢轨因侧面磨耗达到了21 mm，在通过总质量为260 Mt时下道。曲线A上股使用H370钢轨后，下道时通过总质量达到了580 Mt，使用寿命达到U78CrV热轧钢轨的2倍以上；曲线B上股使用H340钢轨后，下道时通过总质量达到了460 Mt，使用寿命延长了约80%。

2.2 垂直磨耗

不同通过总质量下，曲线A及曲线B各观测点的上股钢轨垂直磨耗量见图3。

图3 不同通过总质量下的上股钢轨垂直磨耗量

对图3中垂直磨耗与通过总质量的关系进行拟合，得到拟合直线方程。曲线A的缓圆点DHY、曲中点DQZ、圆缓点DYH及曲线B的缓圆点DHY、曲中点DQZ和圆缓点DYH的拟合方程依次见式（6）—式（11）。

由图3和式（6）—式（11）可知：曲线A上股铺设的H370钢轨缓圆点DHY、曲中点DQZ和圆缓点DYH垂直磨耗速率分别为0.010、0.010、0.012 mm/Mt；曲线B上股铺设的H340钢轨缓圆点DHY、曲中点DQZ和圆缓点DYH垂直磨耗速率分别为0.013、0.010、0.012 mm/Mt。从两个观测区段总体垂直磨耗看，无论是同一曲线上的3个观测点，还是不同曲线上铺设的H370钢轨和H340钢轨，垂直磨耗速率差别均不明显。

须要说明的是，通过总质量达到200 Mt以后，对钢轨进行了打磨处理，一定程度上降低了垂直磨耗速率。

2.3 表面状态

不同通过总质量下，曲线A和曲线B中磨耗较为突出的圆缓点的表面状态见图4（列车由右向左行驶）。

图4 不同通过总质量下观测区段圆缓点的表面状态

由图4可知：

1）在通过总质量达到100 Mt时，曲线A及曲线B圆缓点上股钢轨的轨距角附近出现轻微斜裂纹，但整体表面状态较好。

2）随着通过总质量增加，在光带中心出现了轻微的剥离掉块。其中，曲线A上股钢轨在通过总质量达到460 Mt后，圆缓点斜裂纹及剥离掉块数量增加，但深度较浅；曲线B上股钢轨在通过总质量达到270 Mt时，表面未见严重剥离掉块。

综上，热处理钢轨在观测区段上使用的过程中，整体表面状态较好，未见较为严重的剥离掉块。

3 结论

为了研究不同热处理钢轨的磨耗规律，对石太线两条半径小于400 m的曲线区段上股使用的代号为H370的U78CrV热处理钢轨和代号为H340的U75V热处理钢轨进行观测，并与原来使用的U78CrV热轧钢轨进行对比。主要结论如下：

1）各观测点侧面磨耗速率均大于垂直磨耗速率，在整个使用周期内未见较为严重的剥离掉块。

2）侧面磨耗超限是影响小半径曲线区段上股钢轨使用寿命的主要因素。

3）相比热轧钢轨，热处理钢轨可以显著提高使用寿命，其中强度等级更高的H370钢轨比热轧钢轨可以提高使用寿命1倍以上，并且使用过程中表面状态良好。

4）无论钢轨强度等级大小，圆缓点的侧面磨耗量均大于缓圆点和曲中点，建议日常维护时加强对圆缓点的观测，并制定维护方案，以便进一步延长钢轨的使用寿命。