高速铁路用钢轨的若干问题

收稿日期:20031222

高速铁路用钢轨的若干问题

周清跃　张银花　陈朝阳

(铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心　北京　100081)

摘　要　钢轨是轨道结构的重要部件,是高速铁路重要的基础设施。根据高速铁路钢轨的服役条件以及出现的伤损特点,提出了高速铁路钢轨应重点关注的性能指标,介绍国外高速铁路采用的钢轨强度等级,论述国内钢轨生产厂家应进行的技术改造,讨论了高速铁路采用长定尺钢轨的可行性包括长定尺钢轨的生产、运输、焊接,以及钢轨焊接体系。

关键词　高速铁路　长定尺钢轨　技术要求　技术改造

1　高速铁路用钢轨及其主要伤损

日本新干线早期采用断面为50T 的普通碳素热轧钢轨,后期改用强度等级为800MPa 的60kg 普通碳素热轧钢轨,使用中钢轨出现的主要损伤为轨头踏面的黑斑(dark spot )以及钢轨焊接接头部位的低塌所引起的波状磨损[1]。

钢轨轨头踏面的黑斑主要发生在列车的加速驱动以及减速制动区间,在高速行驶车轮的转动作用下,引起钢轨轨顶表面0105～012mm 的表层金属加工硬化。此加工硬化层将成为剥落损伤的起源(或核),随着通过总重的增加,黑斑缺陷发展成纵向水平裂纹甚至引发钢轨断裂。日本学者称这种伤损为钢轨中的癌症[2,3]。

高速铁路列车轴重轻,运行速度快,钢轨磨损轻微。钢轨表面的伤损以接触疲劳伤损以及短波波磨为其主要特点。目前,高速铁路比较发达的许多国家除了正在积极研究和试验由具有优良抗表面伤损性能的新材料制成的钢轨如贝氏体钢轨外,主要采用对钢轨进行定期打磨的办法来解决这种接触疲劳伤损。钢轨打磨还能去除引起钢轨剥落的表面细微裂纹并降低钢轨与车轮接触面发生的转动噪声。

焊接接头是无缝线路的薄弱环节。焊接接头的平直度以及轨顶面的硬度是否与母材匹配,将决定其在使用过程中是否出现低塌以及影响列车平顺运

行,严重时将发生焊接接头断裂。如日本东海道新干线在运行初期钢轨伤损大部分(约占80%)发生在铝热焊接头处[1]。从日本的情况来看,铝热焊接头强度难以满足铁路高速运行的需要。

而法国的情况与日本不同[4]。法国高速铁路早期采用60kg/m UIC700普通热轧钢轨,后来采用60kg/m UIC900A 普通热轧钢轨,从1983年开通运营至2001年,断轨80起,其中30%断在焊缝上,而这30%

的焊缝断头中有9/10断在铝热焊焊缝处。从绝对数量看,法国高速铁路最薄弱的铝热焊缝断头率年平均1起左右,而钢轨其它部位的折断率为年平均3起左

右(后者发生在钢轨母材上的断裂主要是由于钢轨擦伤以及道碴飞溅打伤钢轨造成的),这说明铝热焊接头虽然是无缝线路的薄弱环节,但从铝热焊技术本身而言是可以满足高速铁路使用要求的。

2　高速铁路对钢轨的基本要求

针对高速铁路钢轨的服役条件以及出现的伤损特点,要求钢轨钢质洁净,钢轨表面尤其轨头表面基本无原始缺陷,几何尺寸精度高、平直度好。

(1)钢质洁净

材质内部高洁净是对高速铁路钢轨的最基本要求。钢质洁净有利于提高其抗疲劳性能。

(2)表面基本无缺陷

钢轨表面基本无原始缺陷不仅对保证钢轨安全使用有益,而且可以减少表面接触疲劳伤损的出现,延长钢轨的使用寿命。

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(3)脱碳层深度要浅

钢轨表层脱碳,造成表面硬度降低,会导致波状磨损等表面伤损的过早出现。因此,高速铁路在开通运行前均要用打磨列车进行打磨,以除去脱碳层和施工过程中造成的钢轨表面伤损。为了保持打磨后钢轨表面的光洁度以及避免打伤钢轨,新轨打磨深度一般不超过013mm。因此,高速铁路钢轨的轨头表面脱碳层深度应控制在013mm以内为好。

(4)几何尺寸高精度、高平直度

钢轨的几何尺寸高精度、高平直度是高速铁路实现平顺运行的重要保证。高速铁路用钢轨的几何尺寸公差以及钢轨端头和本体的平直度、扭曲等应达到有关规定的要求。为此应采用万能法轧制钢轨,并且应进行钢轨平直度的自动检测以及严格控制3m左右周期性不平顺。

(5)采用长定尺钢轨,减少钢轨焊接接头

高速铁路要求轨道平顺,必须实施焊接铺设无缝线路,而焊接接头是无缝线路的薄弱环节。因此,现代铁路要求增加定尺钢轨的长度,以减少焊接接头的数量。另外,一根钢轨经过矫直机矫直后,在钢轨两端各形成一个非矫直区及过渡区,中部为矫直变形区。各个区域的轨高、头宽尺寸都有不同程度的变化。在正常情况下高差达014mm,头宽差011 mm[5]。钢轨长尺生产采用长尺矫直冷锯定尺工艺,利用热轧头尾余量切除非矫直区和过渡区,使整支钢轨尺寸高度一致,提高钢轨整体的平顺度。例如,法国生产80m的长定尺钢轨时,长尺矫直后冷锯定尺时钢轨两端各切去115m,德国则切去018m[4],这样可充分消除其端部存在的矫直和探伤盲区,同时还提高钢轨的成材率,保证端部平直度、端头内部质量以及钢轨全长的性能质量。钢轨长定尺生产还便于对钢轨进行热预弯,减少钢轨矫直前的弯曲度,以降低钢轨因矫直引起的残余应力和表面损伤。因此,高速铁路应积极采用长定尺钢轨。

(6)严格出厂检验,确保钢轨质量

要求对高速铁路钢轨进行严格的质量检验包括钢轨平直度激光自动检测,确保钢轨平直度,尤其是3m左右的周期性不平顺应严格控制在规定的范围内;作钢轨轨头顶面和轨底面表面涡流探伤(探测出>013mm深度的表面缺陷),保证钢轨的表面质量;进行多探头钢轨超声波探伤(要求探头12个及以上,采用<210m平底孔当量进行缺陷标定),确保出

厂钢轨的内部质量。

3　国外高速铁路用钢轨的强度等级

日本高速铁路一直采用强度等级为800MPa的热轧珠光体钢轨,要求轨面硬度大于235H B,其化学成分及常规性能指标要求见表1。

法国高速铁路在修建东南线(巴黎—里昂)时采用强度等级为700MPa的热轧珠光体钢轨(UIC700),该线路自1983年开通,至今未大修换轨,也未出现钢轨的波磨,垂磨也很少,更未见严重的滚动接触疲劳伤损。后来修建的高速铁路均采用强度等级为880MPa的UIC900A钢轨(见表1)。

德国高速铁路采用客货混跑,钢轨的强度等级也只采用880MPa的UIC900A钢轨。

其它欧洲国家修建的高速铁路也均只采用强度等级为880MPa的UIC900A钢轨。

表1　国外高速铁路用钢轨的化学成分及其性能

国别钢号

化学成分/%力学性能

C S i Mn P Sσb/MPaδ/%硬度

日本新干线60kg0163～01750115～01300170～1110≤01030≤01025≥800≥10≥235H B 法国东南线(巴黎—里昂)UIC700(220)0140～01600105～01350180～1125≤01050≤01050680～830≥14220～260H B 法国其它高速铁路UIC900A(260)0162～01800115～01580170～1120≤010*******～01025≥880≥10260～300H B 德国、意大利、韩国等UIC900A(260)0162～01800115～01580170～1120≤010*******～01025≥880≥10260～300H B 注:括弧中的钢号为欧洲钢轨标准E N13674-1规定的钢号,其中化学成分作了优化

由上可知,无论是采用动力分散的日本高速铁路(轴重11～14t),还是采用动力集中的法国TG V (轴重19～21t)、客货混跑的德国以及其它国家的高速铁路,在较大半径的曲线以及直线地段所采用的钢轨强度等级均未超过880MPa级。日本高速铁路为了降低曲线上钢轨的磨耗,采用了部分热处理钢轨。德国客货混跑的高速铁路,经过对不同强度等级(220,260,350HT)钢轨的试验结果表明,强度等

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