铁路运输是陆地交通的主要方式之一，承担的客货两用任务十分繁重[1-3]。随着列车运量和轴重的增加，我国重载铁路的钢轨和车轮磨损损伤的发生速度越来越快，列车在加速、制动、通过钢轨接头、弯道、道岔时，将会对钢轨产生摩擦、挤压和冲击，在长时间的反复作用下，钢轨将会发生多种疲劳损伤。这极大地增加了工务维修的工作量和轮毂修理量，威胁到铁路的行车安全，影响列车的正常运行。长时间承受列车荷载，轨道头端容易出现“核伤”“螺纹裂缝”“轨道底裂”等损伤，并伴随着列车行驶而不断恶化，最终将导致“钢轨断裂”“脱轨”，引发重大安全事故。因此，针对重载铁路伤损现状，对钢轨损伤进行了分析，并提出相应的预防与控制措施，以提高钢轨的服役性能，提高钢轨的服役寿命。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
1 钢轨伤损现状调查
1.1 钢轨伤损分布
大秦铁路所承载的列车轴重大多数在25 t左右，只有极少数在27t左右，因此在这种情况下，该铁路的轨道结构可能会出现一些异常情况。尤其是在重载运输条件下，由于机车速度提高，车辆运行密度增大，造成了不同程度的轨道结构故障事件，对列车运行安全产生极大影响。
以大秦铁路K536+000—K644+808段为例，通过人工检测出严重伤损的轨道数目统计情况如图1所示。由图1可以看出，2016—2019年铁路轨道严重伤损共计1023条，重车线轨道（下行）严重损伤率显著大于空车线，是空车线轨道（上行）严重损伤率的10多倍。通过对以上数据进行分析可以看出，无论是空车还是重车线都存在着不同程度的钢轨伤损现象。可以明显观察到，该区间的损伤主要发生在重车线的轨道结构上。通过工务部门对线路和轨道结构进行大量的维护与大修换轨相结合，加之运量在13亿t以上的钢轨逐渐下线，在过去的几年中，重车线的钢轨伤损一直在不断地减少。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
1.2 钢轨伤损类型
根据大秦铁路重载列车线路K536+000—K644+808段钢轨伤损情况统计对其分类，如图2所示。在2017年，这个路段一共出现了318条严重伤损的钢轨，与2016年比较，这一路段的钢轨伤损数量上升了2条。其中，103条是铝热焊接头伤损，78条是厂焊接头伤损，66条是裂纹，38条是钢轨垂直磨耗、侧磨，18条是轨头脱落，15条是擦伤。从图2中可以看出，铝热焊接头伤损、厂焊接头伤损和裂纹所占比例为77%，它们是最常见的钢轨伤损形式。在铝热焊接头和厂焊接头服役过程中，产生的核伤和裂纹是导致轨道损伤的重要因素。与此同时，重伤钢轨出现的地点，以大秦铁路重车线路K619+000—K644+808没有换过钢轨的地段为主，占到了65%左右，2017年，这个地段鼓包夹板的数目达到了416处，平均每公里有16处。
1.3 钢轨伤损发展规律
为了分析钢轨伤损随车辆载重的发展规律，对该区段直线段累计通过总质量与每公里钢轨累计伤损率进行统计分析，其结果如图3所示，由图3可以看出在累计通过总质量为1000 Mt时，2014—2015年母材和接头伤损率分别为1.6、5.2处/km，2016—2019年伤损率分别为1.3、3.1处/km，接头伤损率要显著高于母材伤损，并且随着时间的推移接头伤损大幅降低，这主要是由于随着时间的推移，焊接技术不断提高。
1.4 钢轨伤损特征
由于轮轨廓形、曲线半径、坡道等因素的影响，复杂的蠕滑现象常常在轮轨之间产生，呈现出不同的钢轨伤损特征，如图4所示。通过现存调查分析可以看出重载铁路上的钢轨伤损主要包括钢轨侧磨、滚动接触疲劳破坏以及波磨伤损3种情况，约占钢轨伤损总数的80%以上，其中又以钢轨侧磨、滚动接触疲劳破坏居多。
2 重载铁路钢轨典型伤损原因分析
由以上现状分析可以看出焊接技术不断提高，接头伤损大幅降低，因此可以推断未来接头损伤将不再是重载铁路钢轨典型伤损。本节主要分析外在因素的影响，其中蠕滑是轮轨关系中的固有行为，是导致钢轨侧磨和滚动接触疲劳的主要因素，首先对轮轨蠕滑产生机理进行分析，进而着重分析钢轨侧磨和滚动接触疲劳的成因。
2.1 轮轨蠕滑产生机理
轮轨蠕滑力对钢轨表面塑性变形、裂纹及滚动接触疲劳伤损影响较大。从铁道车辆结构特点来看，当铁道车辆经过某一曲线时，如图5，接触点处会产生滚动半径（R1、R2、R3），同一轮对左右车轮会形成滚动半径差为ΔRRD3，同一车轮两个不同接触点所产生的滚动半径差为ΔRRD2。若ΔRRD2所产生的转动力矩与ΔRRD3所产生的转动力矩正好相反时，则要求左、右车轮所形成的滚动半径差所产生的转向力矩较大，以确保充足的轮对转向力矩，然而可能造成轮轨纵向蠕滑力的增加，使得车轮与钢轨之间的磨损更加严重。
2.2 钢轨侧磨成因
钢轨侧磨是导致钢轨提前下道的主要因素，特别是在小半径曲线中，由于钢轨侧磨，大秦铁路曲线半径小于600 m曲线外股提前更换，经热处理后钢轨一年侧磨量依旧达到了15mm。这不仅给行车安全带来隐患，而且对线路维修工作提出了挑战，尤其是对于养护部门而言，需要大量人力物力进行打磨处理。当列车通过曲线时，由于离心力的作用，车轮会发生与钢轨轨侧的接触，容易出现两点接触的情况，如图6所示。当列车在曲线上行驶时，轮轨磨损的程度会受到多种因素的影响，包括但不限于轮对冲角和轮轨横向力。当轨头侧面与轮缘形成点接触时，随着导向力的增大，接触点的塑性区域也随之扩大，同时轨头侧磨的速度也会随之加快。当轮缘与轨面为直线接触时，其弹性变形很小，不会出现明显的侧向磨损现象，但对于小半径曲线而言，这种情况是比较少见的。当轮缘轨头相互作用时，受到向外的作用力，这种作用力增大了轨头侧磨速率，随着切削运动引起了轮缘表面粗糙度的增大。当列车行驶时，车轮踏面的滚动圆半径与车轮轮缘接触点半径相比较小，轮缘会在轨头侧面上发生滑动，导致轨头侧面和轮缘磨损。
2.3 钢轨接触疲劳成因
在车辆行驶过程中，如图7所示，轮对与钢轨之间存在着单点接触、两点接触、贴合式两点接触等不同的接触模式，轮轨之间的相互作用呈现出高度复杂的特点，这就导致钢轨疲劳损伤类型以及影响因素众多。随着列车运行速度不断提高，车轮与轨道间产生了更剧烈的相对运动，这就要求轮缘磨耗小、磨损均匀、具有较好的耐磨性及良好的弹性。轮轨接触应力较大，车轮与轨面之间的摩擦也很强，所以这种复杂的作用力将引起较大的附加动载荷。轮轨材料的选择对疲劳损伤程度有重要的影响，通过对不同材质钢轨与相同车轮匹配的滚动接触疲劳试验，发现贝氏体比珠光体组织的钢轨疲劳损伤行为更为严重。随着钢轨硬度的提高，其耐磨性和抗接触疲劳性能提高。随着轮轨滚动接触时间的增加，钢轨表面和内部残余应力不断重复作用，导致钢轨表面出现波磨、剥离、侧磨等不同形式的损伤，总结分析这些伤损产生的原因可能为：①钢轨滚动接触疲劳问题的根源在于轮轨间的摩擦力过大，当载荷超过一定程度后，钢轨就开始出现局部屈曲现象并最终导致其失效；②轮轨之间的接触所产生的应力相当显著，其中，道砟表面缺陷是导致曲线地段钢轨伤损最为常见的原因；③钢轨强度不足。
3 重载铁路伤损改善措施与应用效果
轮轨磨损和钢轨滚动接触疲劳的根源在于轮轨接触时所产生的摩擦力，这种摩擦力通常伴随着轮轨法向力、切向力和相对滑动。由于轮轨接触所产生的应力，导致轮轨之间发生了相对滑动，从而引发了蠕滑现象。同时，车轮踏面形状也会对轮轨间的相互作用力产生影响，进而改变了轮-轨接触面上的摩擦阻力，最终导致轮轨磨损加剧。由于轮轨磨损仅发生在滑动区，因此通过降低蠕滑率，缩小滑动区域，从而实现降低磨损的目标。
为了提高铁路运行速度和减少车辆脱轨事故，必须要对钢轨进行定期维修养护工作，其中最关键的是需要保证轮对与钢轨间的良好接触状态。通过对钢轨进行科学的打磨，可以有效地将轮轨接触点移动至更为合理的接触带内，从而降低轮轨接触力，延长钢轨的使用寿命。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
3.1 侧磨改善措施
（1）润滑
通过采用轨侧润滑措施，有效缓解钢轨侧磨问题，如表1所示，降低轮轨之间的滑动摩擦系数，从而显著减少侧磨，延长了钢轨的使用寿命。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
表1 润滑对钢轨的减磨效果
| 润滑程度 | 磨损率/[mm·(Mt)-1] | 降低的磨损率/% |
| 干磨 | 0.100 0~0.180 0 | 1 |
| 少量润滑 | 0.025 0 | 5 |
| 中等润滑 | 0.007 4 | 17 |
| 充分润滑 | 0.001 6 | 80 |
（2）调整轨底坡
为降低磨耗程度，通常采用增加内轮直径和增大外轮轴径等措施。随着曲线外轨轨底坡的减小，外轮与钢轨的接触点将向轮缘侧移动，从而导致车轮滚动半径的扩大。随着曲线内轨轨底坡的增大，内轮与钢轨的接触点将向远离轮缘的一侧移动，从而导致车轮的滚动半径缩小。这是因为随着外、内两轨道轨底坡逐渐加大，其接触面积和摩擦力也随之增加，进而影响到两侧轮径差。因此，适当提高曲线内轨轨底坡的尺寸，同时降低外轨轨底坡的尺寸，有助于增加左右轮的轮径差，从而促进车辆通过曲线，进而减轻曲线钢轨的磨损。表2为外轨底坡位1/40，不同内轨底坡情况下重载量达11.05 Mt和26.34 Mt条件下轨道侧磨情况，由表可以看出外轨侧磨随内轨轨底坡的增大而减小。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
表2 不同轨底坡外轨侧磨量
| 重载量/Mt | 侧磨量/mm | ||
| 内轨底坡1/40 | 内轨底坡1/30 | 内轨底坡1/20 | |
| 11.05 | 0.24 | 0.16 | 0.13 |
| 26.34 | 1.01 | 0.59 | 0.24 |
（3）调整曲线超高
通常曲线外轨超高是按照列车通过的平均速度进行设置，然而在实际过程中列车通过的速度很难与平均速度保持一致，这就导致了过超高和欠超高现象的出现，从而对磨耗速率产生了影响。如图8所示为对大秦铁路某段钢轨超高调整后，测量得到的钢轨侧磨情况，由图可以看出，超高调整后轨道侧磨明显减少。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
（4）钢轨打磨
目前，钢轨打磨已成为钢轨维护领域中被广泛采用的一种高效手段。这种技术能够使钢轨保持较高的强度和韧性以及良好的耐磨性。如图9所示，对比打磨和未打磨钢轨，说明该技术能够有效消除钢轨表面的塑性应变、裂纹、波磨和缺陷，从而降低接触应力和内部损伤，进而延长钢轨的使用寿命。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
3.2 滚动接触疲劳减缓措施
钢轨滚动接触疲劳受到多种因素的影响，包括轮轨接触面的光滑度、轮轨质量等。随着我国铁路高速发展和重载运输需求的增加，这些因素对于钢轨滚动接触疲劳的影响越来越突出，成为制约高速铁路安全稳定运行的重要原因之一。为了缓解钢轨因滚动接触而产生的疲劳，目前主要考虑提升轮轨强度、优化运营工况以及优化钢轨轮廓等措施。
（1）提升钢轨强度
提高轮轨强度和硬度可有效克服钢轨表面的塑性流动，从而减缓轮轨接触疲劳，这一结论得到了国内外研究的支持。目前，国外已经开始采用高强度钢制造车轮和车轴。随着我国重载事业的蓬勃发展，对承载能力的要求日益提高，因此在20世纪90年代，U78CrV、U77MnCr钢轨开始应用，成为重载铁路发展的重要组成部分。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
（2）优化营运状态
车辆在行驶过程中所处的自然环境，包括但不限于温度、天气等多种因素，都会对轮轨接触情况造成影响。当列车在高速行驶过程中受到外界环境条件变化的干扰时，如温度变化，轨道上出现树木、碎石等杂物情况，车轮和钢轨之间都容易出现滑动现象。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
（3）优化钢轨轮廓
在相同的车轮条件下，通过优化钢轨轮廓，可以显著提升机车车辆的动力性能，同时降低轮轨磨损和接触疲劳，从而有效延长钢轨的使用寿命。因此对钢轨进行打磨是非常必要和有意义的。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
4 结论
大秦铁路钢轨损伤主要发生在重车线的轨道结构上，2017年重伤钢轨段占到了65%，且接头伤损率要显著高于母材伤损，钢轨伤损以钢轨侧磨、滚动接触疲劳破坏居多。在小半径曲线上，钢轨的侧磨问题十分普遍，为了解决这个问题，可以通过调整钢轨轨底坡、超高或改善轮轨摩擦系数等措施来改善。
有效缓解钢轨滚动接触疲劳的措施包括提高车轮和钢轨的强度，优化营运状态，采用打磨的方法对轨道的轮廓进行优化。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
文章来源：
原文名称：重载铁路钢轨伤损分析及改善措施研究󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
作者信息：刘 平（国能朔黄铁路发展有限责任公司 肃宁分公司，河北 沧州 062350）󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
期刊信息：高速铁路新材料 2023年10月󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮
