陕西省地方铁路工程物业管理有限公司 高级工程师 韩伟
摘 要
随着我国铁路重载运输的快速发展，货物列车对线路结构的破坏问题日益突出。本文以HXN5C型内燃机车为牵引动力，在运量总数相同、轴重相同的约束条件下，针对单机牵引2500 t半列与双机牵引5000 t整列两种运输组织模式，在长大下坡道工况下，从轮轨接触力学、疲劳累积损伤理论、制动热损伤机理及道床累积变形规律等角度，系统对比分析了两种模式对钢轨和轨道结构的破坏与磨损。研究表明：在轴重相同的条件下，半列运输因开行频次翻倍，导致钢轨承受的应力循环次数、制动热冲击次数以及道床承受的循环加载次数均为整列的两倍，其对钢轨的疲劳损伤、制动热损伤及对道床的累积沉降和道砟破碎的破坏程度均显著大于整列运输。研究结论为重载铁路运输组织优化及线路养护维修策略的制定提供了理论依据。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
1 引言
重载铁路运输以其运能大、效率高、成本低等优势，已成为世界各国铁路货运发展的主要方向。我国大秦铁路、朔黄铁路等重载通道年运量已位居世界前列。随着运输需求的持续增长，如何在保障运输效率的同时延长线路服役寿命、降低养护维修成本，也成为各地方铁路运营单位面临的重大课题。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
在货运地方铁路、铁路专用线运营实践中，同样面临着“多拉快跑”与“线路延寿”之间的矛盾。一种常见的运输组织选择是：采用单机牵引半列（如2500 t）提高开行频次，还是采用双机牵引整列（如5000 t）减少开行次数。这一问题在山区铁路尤为突出——孝柳铁路有0-70公里地处山区，大里程方向有40公里是12‰-20‰长大上坡道，30公里是12‰-19‰长大下坡道；宝鸡北部丘陵山区某地方铁路，重车方向有65公里是12‰-20‰长大下坡道。在长大下坡道工况下，列车需持续周期制动，轮轨间的摩擦生热和纵向动力学作用显著加剧，对线路的破坏机理更为复杂。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
现有研究多聚焦于轴重对钢轨磨损的影响，或单独研究钢轨疲劳损伤、道床累积变形等问题，而从运输组织模式（半列 vs 整列）的角度系统对比其对线路破坏的差异研究较少。本文以HXN5C型内燃机车（轴重25 t）为研究对象，在运量总数相同、轴重相同的严格约束下，结合轮轨接触力学、疲劳累积理论、制动热损伤机理及道床沉降规律，对单机半列与双机整列两种模式的线路破坏效应进行系统对比分析。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
2 轮轨接触应力与疲劳累积损伤理论
2.1 轮轨接触应力与轴重的关系
轮轨接触应力是评价钢轨损伤的核心力学指标。根据赫兹接触理论，轮轨接触斑上的最大接触应力与轴重密切相关。研究表明，随着轴重的增加，轮轨接触应力相应增大，材料表面塑性变形更为严重；当轴重从20 t增至30 t时，接触表面的疲劳裂纹进一步扩展并发生分叉，伴随剥落坑的产生。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
在本文的研究场景中，无论是半列还是整列，HXN5C机车所牵引车辆C70的轴重为23t。在轴重相同的条件下，单个轮对通过时轮轨接触斑上的赫兹接触应力峰值基本相同。这意味着从单次通过的瞬时接触应力来看，两种运输模式对钢轨的“单次打击力”并无差异。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
2.2 Miner线性累积损伤准则
钢轨在服役过程中承受的是反复的循环载荷，其疲劳损伤遵循Miner线性累积准则——每一次载荷循环都会产生一定的损伤，当累积损伤达到临界值时发生破坏。该理论已被广泛应用于钢轨疲劳裂纹萌生寿命的预测。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
设单次轮对通过产生的损伤为d，则经过N次循环后的累积损伤为：
$$D=\sum_{i=1}^{N} d_i$$
当 D=1 时，材料发生疲劳破坏。
在运量总数相同的条件下，设整列一次完成运输，半列需分两次完成。若整列编组有n个轮对，则半列编组有n/2个轮对。对线路上某一固定段而言：
整列运输（1趟）：承受n次轮对冲击。
半列运输（2趟）：承受(n/2)×2=n次轮对冲击。
两者承受的轮对冲击总次数完全相同。在轴重相同、单次接触应力峰值相同的条件下，根据Miner线性累积准则，两者对钢轨的基础疲劳累积损伤总量在理论上相等。
然而，这一“相等”仅适用于理想的纯滚动工况。在长大下坡道的实际运营条件下，制动引起的热效应和纵向动力学效应将打破这一平衡。
3 长大下坡道对钢轨的破坏机制分析
3.1 制动热损伤与马氏体白层形成机理
长大下坡道是货运铁路最具挑战性的运营工况之一。列车在长大下坡运行时需持续周期制动，轮轨间的相对滑动产生剧烈的摩擦热。研究表明，当轮轨相对滑动速度超过0.5 m/s时，接触斑内的热流密度可达3.6×10⁸～1.2×10⁹ W/m²。在此条件下，钢轨表面温度可在0.1 s内迅速升高至约1092°C，远超珠光体钢的共析转变温度（727°C）。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
这种瞬时高温将引发钢轨表层的马氏体——相变奥氏体在随后的快速冷却（冷却速率约1.6×10⁴°C/s）过程中转变为马氏体白层。马氏体白层硬度极高（维氏硬度约为珠光体基体的2.1倍）但脆性大，是钢轨表面裂纹萌生的起点。裂纹从踏面表面萌生后，以约80°的倾角向内扩展，到达马氏体-珠光体界面后发生分叉和偏转，最终导致表面剥离掉块或横向疲劳断裂。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
3.2 半列运输的热循环次数劣势
在电阻制动占比相同的条件下，半列与整列的单次制动热效应强度相同。但关键区别在于热循环的次数：
整列运输（1趟）：线路上某一固定截面承受1次完整的“升温—相变—冷却”热循环。
半列运输（2趟）：同一截面承受2次完整的“升温—相变—冷却”热循环。
材料学研究表明，马氏体白层的形成与快速冷热循环密切相关。每一次热循环都意味着一次相变过程，每一次相变都在钢轨表层引入新的残余拉应力和微观组织损伤。热循环次数翻倍，意味着：󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
- 马氏体白层的形成频次翻倍，累积厚度增加；
- 热疲劳裂纹的萌生概率和扩展速率显著提升；
- 钢轨表面的擦伤、剥离破坏加速；
- 对于轴重为23～25 t的货运线路，当马氏体白层厚度达到1.2 mm时即达到轻伤及以上伤损标准。半列运输因热循环次数翻倍，将更快地逼近这一阈值。
3.3 纵向水平力的反复冲击
长大下坡道制动过程中，轮轨间除了垂直力外，还产生巨大的纵向水平力（制动力）。根据 Kalker 蠕滑理论，轮轨间的蠕滑力决定了纵向、横向和自旋蠕滑分量。这种纵向水平力通过钢轨传递至轨枕和道床，对轨道结构的破坏机理不同于垂直荷载——它试图水平推离道砟颗粒，破坏道床的横向稳定性。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
半列运输（2趟）运行，意味着道床同一部位承受纵向水平冲击的次数翻倍。每一次制动冲击都会松动道砟颗粒间的锁固力，加速道床的松散和线路爬行。
4 对轨道结构的破坏分析
4.1 道床累积沉降与加载次数的关系
有砟道床是由碎石道砟组成的散粒体结构。在列车循环荷载作用下，道床会产生不可恢复的塑性累积沉降。研究表明，道床的累积沉降与循环加载次数密切相关——加载次数越多，累积沉降越大。当循环累积次数超过某一临界点时，道床沉降速率会有所减小，但累积沉降总量仍随次数单调增加。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
在运量相同的条件下，线路上某一固定段承受的总循环加载次数，半列运输（2趟）与整列运输（1趟）理论相等（如前所述，总轮对冲击次数相同）。然而，道床作为散粒体，其破坏不仅取决于总次数，还与加载的间隔和连续性密切相关。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
4.2 “重新扰动”效应的放大
道砟颗粒在首次加载后会发生一定程度的压密和重新排列，颗粒间的接触力和咬合关系达到一种新的平衡状态。若随后中断加载（半列的第一趟结束到第二趟开始之间存在时间间隔），道床的颗粒体系在一定程度上发生松弛；第二趟加载时，颗粒需要重新建立咬合关系，这一过程伴随着额外的颗粒破碎和重新排列。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
整列运输一趟通过，道床只经历一次连续的加载过程，颗粒体系在持续荷载下逐步趋于稳定；半列运输两趟通过，道床经历两次独立的加载——卸载——再加载过程，每一次“重新扰动”都伴随着额外的道砟破碎和结构损伤。散粒体道床的循环累积变形是轨道沉降的主要来源，而“重新扰动”则加速了这一过程。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
4.3 道砟破碎的加速
道砟颗粒在反复冲击下会发生棱角磨耗和颗粒破碎。循环加载次数越多，道砟颗粒间的相互牵制力和摩擦力降低越快，道床弹性下降，几何形变增大。半列运输虽总加载轴次数与整列相同，但两次独立的加载过程意味着道砟经历了两次颗粒重排和棱角破碎的高峰期，其劣化速度显著快于整列的一次连续加载。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
此外，轴重增加条件下道床承受的应力较大，内部组织破坏严重。长大下坡道的纵向水平力进一步加剧了道砟颗粒间的相对位移和破碎。
5 综合对比与讨论
5.1 两种模式破坏效应的系统对比
基于上述分析，在运量总数相同、轴重相同、HXN5C机车牵引、长大下坡道的特定工况下，单机半列与双机整列对线路的破坏效应可归纳如下：
| 破坏维度 | 半列（2500t×2趟） | 整列（5000t×1趟） | 优劣比较 |
|---|---|---|---|
| 单次轮轨接触应力峰值 | 相同 | 相同 | 持平 |
| 轮对冲击总次数 | n | n | 持平 |
| 钢轨疲劳累积损伤（纯滚动） | 相同 | 相同 | 持平 |
| 制动热循环次数 | 2次 | 1次 | 半列劣势 |
| 马氏体白层形成频次 | 2倍 | 1倍 | 半列劣势 |
| 纵向水平冲击次数 | 2倍 | 1倍 | 半列劣势 |
| 道床加载—卸载循环次数 | 2次独立循环 | 1次连续加载 | 半列劣势 |
| 道砟“重新扰动”效应 | 显著 | 轻微 | 半列劣势 |
5.2 关键机理的阐释
第一，制动热损伤是决定性因素。在纯滚动理想条件下，半列与整列对钢轨的疲劳累积损伤理论相等。然而在长大下坡道的实际运营中，制动引起的马氏体相变热损伤成为主导因素。半列运输因开行频次翻倍，钢轨承受的热循环次数翻倍，马氏体白层的形成频次和累积损伤翻倍。这一差异是两种模式线路破坏差异的核心来源。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
第二，“重新扰动”效应对道床破坏的放大。道床作为散粒体，其对加载历史的响应具有明显的不可逆性和记忆效应。半列运输的两次独立加载过程，每一次都相当于对道床的一次“重新扰动”，加速了道砟破碎和道床沉降。整列运输的一次连续加载则使道床颗粒体系在持续荷载下逐步趋于稳定。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
第三，纵向动力学效应的累积。长大下坡道的制动过程产生的纵向水平力对道床框架的破坏具有累积性。半列运输使线路承受两次完整的制动——滚动纵向冲击，而整列仅承受一次。
5.3 工程启示
本研究的结论为重载铁路运输组织提供了明确的理论依据：在轴重不变的条件下，采用长编组整列运输不仅提高了运输效率，还是保护线路、延长大修周期的有效手段。这也解释了货运铁路极力推行大列、万吨超长列车的深层次原因——除了运营效率的考量，减少列车开行频次本身就是对钢轨和轨道结构最好的保护。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
同时，本研究也揭示了长大下坡道区段线路养护的重点方向：应重点关注制动热损伤引起的马氏体白层，通过控制轮轨接触应力、摩擦系数和制动参数来避免马氏体相变的热力学条件；对于道床，应加强道砟的补充和捣固，以应对反复加载引起的累积沉降和道砟破碎。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
6 结论
- 在运量总数相同、轴重相同的条件下，单机半列与双机整列对线路上某一固定段的轮对冲击总次数理论相等，纯滚动条件下的疲劳累积损伤总量持平。
- 在长大下坡道工况下，制动引起的热效应成为钢轨损伤的主导因素。半列运输因开行频次翻倍，钢轨承受的制动热循环次数和马氏体白层形成频次均为整列的两倍，热疲劳损伤显著大于整列。󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
- 半列运输使道床承受两次独立的加载——卸载循环，“重新扰动”效应加速了道砟破碎和道床累积沉降，其对轨道结构的破坏大于整列的一次连续加载。
- 整列运输对线路钢轨和轨道结构的破坏与磨损均显著小于半列运输。在轴重不变的前提下，推行长编组列车是兼顾运输效率与延长线路寿命的有效路径。
参考文献
[1] 重载工况下轮轨滚动接触疲劳损伤行为研究[J]. 铁道学报, 2026, 48(5): 104-112.
[2] 应忠良, 文广, 何成刚, 等. 重载条件下PD3淬火钢轨磨损机制试验研究[J]. 润滑与密封, 2014, 39(12): 58-62.
[3] He C. Thermomechanical Analysis of Wheel-Rail Contact: Modeling, Validation, and Application[D]. Delft University of Technology, 2025.󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
[4] Failure cause analysis of surface burn on high-speed railway U75VG rails[J]. Railway Sciences, 2026.󠅅󠅃󠄵󠅂󠄪󠇖󠆨󠆨󠇕󠆞󠆒󠅬󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹
[5] 魏明鉴, 许平, 周陶勇, 等. 基于PFC3D的高速有砟道床沉降研究[J]. 农业装备与车辆工程, 2021, 59(7): 1-4.
[6] 试论列车轴重对钢轨磨耗与损伤的影响[J]. 铁道学报.
[7] 循环荷载下有碴铁路道床下沉特性试验分析[J].
[8] 朔黄铁路2万吨重载列车自动驾驶运行实践[N].
