重载铁路钢轨技术的研究

国地域宽阔，大宗货物的运输需要发展重载铁

路。为满足我国铁路发展25~35 t大轴重运输的需

要，近年来，在重载铁路轮轨关系，钢轨新材质、新工艺等方面进行了持续不断的研究，并取得一些阶段性成果。钢轨是重载技术的重要组成部分。结合大秦重载铁路，针对钢轨的主要伤损类型即钢轨的侧磨和剥离掉块、疲劳核伤及焊接接头的伤损，提出钢轨伤损的预防对策，并加以

重载铁路钢轨技术的研究

周清跃：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，研究员，北京，100081张银花：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，研究员，北京，100081陈朝阳：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，副研究员，北京，100081刘丰收：中国铁道科学研究院金属及化学研究所，助理研究员，北京，100081俞 喆：中国铁道科学研究院，硕士研究生，北京，100081

摘 要：为满足重载铁路发展的需要，对钢轨和道岔用轨进行持续不断的研究，并取得一些阶段性成果：采用钢轨预打磨和设计新的轨头廓形，使轮轨在轨头踏面中心区域接触，或形成共形接触，可有效降低轮轨接触应力；高强耐磨新钢种钢轨和道岔用轨的研制和应用、钢轨焊接技术的优化、打磨技术的科学应用，可显著提高钢轨和道岔用轨的耐磨、抗疲劳性能，大幅提高钢轨的使用寿命、延长换轨大修周期。

关键词：重载铁路；轮轨接触关系；高强耐磨；钢轨焊接；钢轨打磨；钢轨大修周期

实施。这些措施可归纳为改善轮轨接触关系以降低外力、研制高强耐磨抗疲劳钢轨以提高内部抗力，为钢轨的使用寿命由9亿t延长至15亿t以上指明了方向[1]。

1 改善重载铁路轮轨接触关系

1.1 轮轨接触关系研究

针对新轮新轨形面匹配不良的情况，提出优化轮轨形面，使轮轨接触发生在轨头踏面中心区域或形成共形接触，避免形成两点接触或轨距角单点接触，以降低轮轨接触应力。

在重载铁路上应同时提高轮轨的硬度以满足重载高载荷工况的需要。在曲线上钢轨磨耗严重，应以提高钢轨硬度为首选；在直线上应以提高钢轨耐疲劳性能为主。为此提出了研制高强耐磨钢轨（强度等级大于1 300 MPa，轨面硬度大于370 HB）在曲线上使用，研制适当硬度钢轨在直线上铺设（轨面硬度大于300 HB）的技术思路。

我

1.2 新廓面钢轨的研发

为改善重载铁路轮轨接触关系，2007年开展美标68 kg/m钢轨的上道铺设试验。结合京包线大修施工，经轨头廓形优化后的68 kg/m热轧和在线热处理钢轨在京包线2个区间铺设上道，其中半径小于等于1 200 m的曲线铺设68 kg/m热处理钢轨，直线和半径大于1 200 m的曲线铺设热轧钢轨，至今已使用3年多，总体寿命提高1倍以上。试验表明：60 kg/m U75V钢轨在使用初期就出现严重的剥离掉块，而68 kg/m钢轨则没有（见图1），原因主要是68 kg/m钢轨与我国货车车轮（LM型面）具有更好的轮轨接触关系；68 kg/m钢轨在轨距角部位容易形成共形接触（见图2），75 kg/m钢轨与货车车轮在曲线上股贴靠时，在轨距角部位形成单点接触（见图3）。

68 kg/m钢轨的铺设使用为我国新廓面钢轨的研制提供了试验验证。在此基础上优化设计了新的75 kg/m钢轨（75 N），其与我国LM车轮的匹配情况见图4[2，3]。

2 高强耐磨新钢种钢轨的研发

2.1 U77MnCr钢轨

2006—2007年，中国铁道科学研究院（简称铁科院）与鞍山钢铁集团公司（简称鞍钢）合作，先后成功

研制出60 kg/m 和75 kg/m U77MnCr钢轨，采用铬合金强化钢轨，钢中含铬0.25%～0.40%。U77MnCr热轧钢轨抗拉强度大于980 MPa，断后伸长率大于10%。经热处理后，抗拉强度大于1 280 MPa，断后伸长率大于12%，钢轨顶面硬度为39～43 HRC，钢轨的焊接性能良好。60 kg/m和75 kg/m U77MnCr钢轨先后在陇海线和大秦线上道铺设使用，结果表明，在曲线上铺设的热处理钢轨的耐磨性能明显优于U75V热处理钢轨，控制使用寿命的主要因素仍为上股钢轨的侧磨而不是剥离掉块。75 kg/m U77MnCr在大秦线R 800 m的曲线上使用，通过总重达到12亿t；且钢轨出现核伤等几率较低，尤其是钢轨焊接接头的重伤率较低，在直线上使用，寿命达到15亿t以上[4，5]。2.2 PG4钢轨

2005年和2007年，攀钢集团有限公司（简称攀钢）

先后研制成功了60 kg/m和75 kg/m PG4钢轨，采用铬、钒等合金元素强化钢轨，钢中含铬0.30%～0.50%，含钒0.04%～0.12％。热轧钢轨的硬度大于320 HB；抗拉强度大于1 100 MPa，断后伸长率大于8%。热处理后抗拉强度大于1 280 MPa，断后伸长率大于10%，钢轨顶面硬度为40.5~43 HRC；闪光焊接头性能指标均达到标准规

图1 68 kg/m（左）和60 kg/m（右）钢轨使用情况

图2 美标68 kg/m钢轨与我国货车 LM车轮的匹配示意图

图3 我国75 kg/m钢轨与货车LM车轮匹配

图4 新设计的75 kg/m 钢轨(75 N)与我国货车

LM车轮的匹配情况

R 1

4.2

9

R 254

R 31.7

5

注：钢轨为原始75 kg/m轨；车轮为LM车轮

R 8

R

16

R 50

R 200

注：新75轨（R 50）+LM车轮

单位：mm

单位：mm

定的要求。60 kg/m、75 kg/m PG4热处理钢轨在小半经曲线铺设使用，其耐磨性能明显优于U75V热处理钢轨。

75 kg/m PG4热处理钢轨在大秦线R800 m的曲线上使用，通过总重达到12亿t；在直线上使用，达到15亿t以上。

2009年后，大秦重载铁路大修换轨全部采用PG4钢轨，在直线上铺设未热处理钢轨，在半径小于1 200 m的曲线上下股铺设在线热处理钢轨，使用情况良好[5]。

2.3 过共析钢轨

过共析钢轨由于钢中含碳量高，耐磨性能得到进一步的提高，为国外轴重30 t以上重载铁路近年来普遍使用的钢轨，其耐磨性能比共析珠光体钢轨提高25%以上。

为满足重载铁路发展的需要，借鉴国外经验，铁科院与攀钢合作对过共析钢轨进行了多年的研究。通过对化学成分配方的优化、实验室试验，2010—2011年，在国内首次轧制生产出含碳量达到0.95%的过共析钢轨。与日本、美国等研制的过共析钢轨对比，其硬度、强度、塑性基本相当：经在线热处理后，轨面硬度大于390 HB，抗拉强度1 300 MPa，伸长率大于8%；出现的游离渗碳体数量明显小于美国使用的过共析钢轨（游离渗碳体是一种比较脆的组织，在过共析轨钢中越少越好）。

2.4 贝氏体钢轨

贝氏体钢轨钢强度高、韧塑性好，其中冲击韧性是珠光体钢轨钢的3～5倍。铁科院对贝氏体钢轨进行了多年的研究。2002年与鞍钢合作，在国内首次成功试制出空冷贝氏体钢轨，并完成了贝氏体钢轨闪光焊接、铝热焊接等试验研究。研制的贝氏体钢轨抗拉强度达到1 300 MPa，伸长率达到15％左右，断面收缩率达到50％左右，室温冲击功达到100 J左右，全断面硬度达到38～43 HRC。

从2003年开始，铁科院与鞍钢合作研制生产的贝氏体钢轨先后在沈山线下行、成渝线及石太线上行上道试铺。使用结果表明，贝氏体钢轨的抗接触疲劳伤损性能、耐磨性能明显优于珠光体钢轨[6]。

3 高强耐磨道岔钢轨的研发

3.1 贝氏体钢辙叉

由于贝氏体钢轨具有优良的强韧性配合和抗剥离及耐磨的综合性能，十分适合用作道岔用材料。2005年，铁科院与鞍钢及齐齐哈尔铁路工务机械厂合作，制造生产贝氏体钢翼轨锻焊辙叉，通过总重达4亿t以上，比以往铺设的高锰钢辙叉使用寿命高2倍以上。自2007年以来，贝氏体钢翼轨锻焊辙叉在哈尔滨铁路局各主要干线铺设使用，质量稳定，使用寿命高，得到工务段的一致好评。

3.2 贝氏体钢尖轨

根据道岔尖轨的结构特点、使用工况以及贝氏体钢的特性，2008年铁科院与鞍钢合作，开展60AT贝氏体钢轨的研制；与齐齐哈尔工务机械厂合作，进行60AT贝氏体钢尖轨的研制。2008年12月，完成铁道部运输局组织的上道审查，试制的60 kg/m 和75 kg/m道岔用贝氏体钢尖轨共9组，分别在北同蒲和大秦重车线上道试铺。

试验结果表明，贝氏体钢尖轨轨头平均抗拉强度为1 307 MPa，屈服强度为1 127 MPa，伸长率为15.0％，断面收缩率为55.2％，冲击值为100.8 J/cm2，硬度为38.7～43.5 HRC，全断面组织性能均匀一致，强韧性配合非常好，明显优于珠光体钢尖轨。铺设使用结果表明，部分贝氏体钢尖轨的使用寿命比原来铺设的珠光体钢尖轨提高3倍。由于质量稳定，使用寿命长，贝氏体钢尖轨在大秦重载铁路得到推广应用。

3.3 深层热处理道岔钢轨

针对目前我国铁路道岔尖轨采用热轧非对称断面钢轨，先铣削加工后进行全长热处理存在的全长硬化层质量均匀性差、变形大的问题，铁科院与攀钢合作，研发了道岔用非对称断面深层在线热处理钢轨。钢轨轨面硬度大于360 HB，硬化层深度大于30 mm，道岔厂可直接用于制作道岔用尖轨，可大幅提高其使用性能。目前已完成4个钢种（U71Mn，U75V，350LHT和PG4）3种断面（50AT，60AT，60D40）深层热处理钢轨的研制，60AT和60D40深层热处理钢轨已分别于2010年10月和2011年3月通过铁道部组织的上道审查，目前已用于道岔制造中，正在进行使用考核。

4 钢轨焊接技术研究

焊接接头是重载铁路轨道的薄弱环节，占钢轨重伤的比例很大。在研究焊接接头伤损原因和机理的基础上，重点对焊接及其焊后热处理工艺进行优化研究。针