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 14.29R 254R 31.75注：钢轨为原始75 kg/m轨；车轮为LM车轮R 8R16R 50R 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。

针对在使用中焊接接头普遍出现轨面低塌的情况，提出焊接接头顶面平直度高于标准0.3～0.5 mm/m、轨面硬度适当高于母材的技术措施并予以实施，取得良好的效果。

对比焊接接头轨面硬度与母材的比值，热处理钢轨控制在0.95～1.05，热轧钢轨控制在1.0～1.1，通过调整焊后热处理喷风压力予以实施。

5 钢轨打磨技术研究基于大秦重载铁路钢轨的伤损特点，重点对钢轨打磨廓面、打磨周期等进行研究。

钢轨打磨廓面应适应LM货车车轮的打磨廓面，打磨后，直线区段轮轨接触在轨顶踏面中心部位（即光带居中），轮轨接触面宽度20~30 mm；曲线区段尽量形成轮轨的共形接触，避免在轨距角单点接触或在轨头顶面和侧面两点接触，以减少钢轨受力。

由于大秦重载铁路运输繁忙，大修天窗时间少，无法进行预防性打磨，因此，可采用在有限的时间里优先重点打磨曲线和钢轨轨距角的措施，新轨铺设后的钢轨预打磨应在上道后半年内完成，打磨周期可暂按通过总重60~100 Mt考虑。

6 钢轨大修周期研究目前世界各国铁路钢轨的大修周期主要由以下3种方式确定：（1）通过总重确定。

如法国、日本高速铁路大修换轨周期为通过总重5亿t；我国铁路也是按通过总重来确定换轨大修周期，规定60 kg/m无缝线路钢轨为通过总重7亿t，75 kg/m无缝线路钢轨为通过总重9亿t。