朔黄重载铁路延长钢轨使用寿命技术措施

朔黄重载铁路延长钢轨使用寿命技术措施 薛继连1，贾晋中1，孟宪洪1，徐涌2，张格明2，翟婉明3，许玉德4，

马战国2，李伟2

（1.朔黄铁路公司，北京；2.铁道科学研究院，北京；3.西南交通大学，成都；3.同济大学，上海） 摘 要：朔黄重载铁路年运量已突破1.8亿吨，但山区大量小半径曲线75kg/m钢轨过度疲劳伤损和严重磨耗已阻碍朔黄铁路运能进一步提高，为此，朔黄铁路公司联合国内科研院

校开展了为期两年多的系统试验研究，从重载铁路轮轨相互作用关系源头出发，着重

开展了曲线设置参数、轮轨型面匹配关系的优化和分析，以及钢轨打磨、曲线钢轨润

滑技术的研究与试验工作，提出了延长朔黄重载铁路钢轨使用寿命的综合技术措施，

并经过现场实际应用考核，证实了其有效性和实用性。

关键字：铁路；重载；钢轨；寿命

1 概述

朔黄重载铁路西起山西省神池县神池南站，东至河北省黄骅市黄骅港口货场，正线总长近600公里，是我国西煤东运的第二条重载运煤铁路。朔黄重载铁路于2000年5月18日建成通车，新建时为60kg/m配套轨道结构，600kg/m、U71Mn、25m标准轨、II型混凝土轨枕、轨枕配置1840根/公里、I型弹条、II级碎石道床，道床厚550mm，道床顶宽3.1m、边坡1:1.75。自2005年5月19日开始，朔黄重载铁路上行线进行跨区间或区间无缝线路改造，钢轨更换为U75V 75kg/m钢轨，2005年11月底全部完成正线换铺工作，换轨总长557.5km，其中在半径800m及以下曲线地段铺设了强度等级高的全长淬火钢轨（1180MPa）。

朔黄重载铁路上行线自2005年开始更换U75V 75kg/m钢轨后，运营半年左右时间，小半径曲线（R500m~R800m）内股钢轨轨面表层开始出现鱼鳞状裂纹，并逐步发展成鱼鳞状剥落掉块，到2006年2月底已发现有30条曲线共计4.571km钢轨出现大范围的剥落掉块，而且发展趋向严重。小半径曲线外股钢轨也同样出现裂纹掉块，但出现时间晚于内股，其发展情况与外股基本相同。

曲线钢轨磨耗和疲劳伤损是世界各国重载铁路钢轨病害的基本形式，但在如此短的在役时间和较小的累计通过总重情况下，朔黄铁路上行线75kg/m钢轨病害形成和发展速度如此之快，病害程度如此之严重，预示着朔黄重载铁路75kg/m钢轨线路与运行的机车车辆间存在极为不利的相互作用，为此，朔黄铁路公司于2006年联合北京铁路局、中国铁道科学研究院、西南交通大学、同济大学协同研究延长朔黄铁路钢轨使用寿命技术措施。

2 朔黄铁路75kg/m钢轨伤损

朔黄铁路于2000年5月18日开通，当年完成运量547万吨，2004年完成7470万吨，超过近期设计能力6800万吨，2006年完成1.12亿吨，超过远期设计能力1亿吨，比大秦线提前5年达到亿吨。2010年完成1.8亿吨，现行运行图铺画日均115对列车，最高日达129 对，包括12对万吨重载列车。

随着朔黄重载铁路运量逐年快速增长，75kg/mU75V钢轨的疲劳伤损和曲线钢轨侧磨速率加快，尤其是小半经曲线R500~800，钢轨伤损和磨耗已成为控制钢轨下道的直接原因，平均寿命大约在通过总重4~4.5亿吨。

（1） 钢轨磨耗图式

图2.1为小半经曲线钢轨典型磨耗图式，其中内股钢轨磨耗主要发生在钢轨轨顶面上，且轨顶常常由于塑性变形的原因而被压平、出现肥边；外股钢轨磨耗在轨距面和轨顶均出现，且侧磨量较垂磨大，轨距侧金属塑性变形而出现肥边。

外轨

内轨

图2.1 朔黄铁路小半经曲线钢轨典型磨耗图式

（2） 钢轨疲劳伤损图式

朔黄铁路小半经曲线75kg/m钢轨病害表现出以下特征：曲线钢轨裂纹及剥离掉块普遍发生，严重程度随曲线半径不同而有差异，曲线半径越小，钢轨裂纹和剥离掉块发生的越早、发展速度越快；出现严重钢轨病害的曲线集中体现在R500m~R800m；一旦钢轨出现裂纹和微掉块后，钢轨裂纹和剥离掉块发展速度基本相同。当钢轨鱼鳞状剥离掉块发展出现连续、面 积较大的掉块时，达到高峰，随后趋向稳定，此时曲线外股钢轨侧磨速度加剧，成为钢轨下道的关键因素。外股钢轨侧磨呈非均匀磨耗状态，进曲线和出曲线位置钢轨侧磨相对严重，尤其是靠近曲线圆缓点（靠近曲线出口方向）的钢轨平均磨耗大于曲中和缓圆点的钢轨平均磨耗，且钢轨平均磨耗（外轨侧磨、外轨垂磨、内轨垂磨）都较大。

图2.2是小半经曲线典型钢轨病害区段（R=500m，K64+400）的钢轨表面伤损图式，不难看出，R500曲线的内轨，轮轨接触点分布比较广，整个轨顶面基本都与车轮踏面发生接触，主要轮轨接触带为从轨距边至轨顶面中心，宽度约33~46mm，说明轮对在通过该曲线时，横向移动幅度可能很大，轮轨接触几何关系不合理。R500曲线的外轨，接触带为轨距边向

外侧边约50~60mm 的宽度，随着侧磨的加剧，接触带逐渐向外侧边扩展，宽度超过60mm。除了侧磨外，外轨在轨距边存在45度斜裂纹、在靠近轨距边的轨顶面存在剥离，而在靠近外侧边约20mm 处存在垂直裂纹，这表明外轨轨距边、轨顶面和外侧边附近存在不良轮轨接触的情况。

图2.2 朔黄铁路小半经曲线钢轨典型磨耗图式 3

延长钢轨使用寿命技术措施

3.1 钢轨型面优化

朔黄重载货车车轮采用LM 踏面，它是根据我国铁路60kg/m 钢轨轨头断面尺寸和钢轨轨底坡1:20而设计的，轮缘根部采用R14mm 圆弧段与钢轨轨头R13mm 弧段配合，在轮缘根部和踏面之间采用R100m 弧段作为过渡段弧段，踏面中部为R500mm 圆弧。U75V 75kg/m 钢轨轨头宽75mm ，轨顶采用500mm 圆弧，与车轮踏面的中部圆弧相等，轨顶与轨距角的过渡圆弧半径为80mm ，轨距角采用R15mm 与轮缘R14mm 圆弧匹配。

图3.1a 显示新LM 车轮与新75kg/m 钢轨外形轮廓匹配的示意图，接触点主要集中在内侧上圆角处，接触面相对较小。由于车轮踏面的形状，如果要实现车轮与钢轨之间出现更大接触面积的共形接触，则需要钢轨和车轮大量的磨耗才能达到。图3.1b 为磨耗形车轮与新钢轨轮廓匹配的示意图，同样出现钢轨内侧接触应力集中的现象。由此可以推断，LM 车轮与75kg/m 钢轨型面匹配关系欠合理，适当优化轮轨型面可实现轮轨共形接触、减小轮轨接触应力、产生良好的曲线通过性能和直线运动稳定性。

(a)新轮/新轨 (b)典型磨耗型车轮与新轨

图3.1 LM 车轮与75kg/m 钢轨型面匹配关系 朔黄铁路轮轨型面优化可从LM 车轮型面、75kg/m 钢轨轨头型面两方面入手进行，通过

外股钢轨 内股钢轨