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

对朔黄铁路LM车轮踏面尺寸统计分析发现，实测的朔黄重载货车车轮踏面虽出现不同程度的磨耗，但踏面上不同位置处的磨耗量基本相当，车轮踏面仍基本保持原有的外形，未出现明显的凹形踏面，因此，优化朔黄铁路轮轨型面匹配关系可立足于钢轨型面优化。

为分析75kg/m钢轨不同轨头型面设计方案的效果，选取两种车轮型面作为分析基准，一是新LM型面，二是对实测的朔黄铁路Z8A、K2、K6三种实际运营转向架的360个车轮踏面数据统计分析，选择具有典型代表性的K6转向架的磨耗车轮踏面作为车轮匹配方案。两种基准车轮型面如图3.2所示。

图3.2 朔黄铁路轮轨型面优化中基准车轮型面

在确定了基准车轮型面后，通过对朔黄重载铁路现场大量测试的钢轨型面数据的统计分析，应用SIMPACK软件对大量钢轨型面初步设计方案的轮轨接触几何关系进行了分析，在此基础上，运用车辆－轨道耦合动力学仿真软件TTISIM对初选后的型面进行了动力性能分析、比选，以减小轮轨横向力和冲角、降低轮缘与钢轨侧面接触的可能性、降低轮轨接触力为优化目标，研究提出了适合于朔黄重载铁路运营条件的小半径曲线内、外侧钢轨的最佳型面，如图3.3所示。优化型面与基准车轮型面接触关系比较见图3.4，动力学参数比较列入表3.1。

图3.3朔黄铁路75kg/m钢轨轨头型面优化结果

(a)新轮/新轨

(b)典型磨耗车轮/新轨

(c)典型磨耗车轮/型面优化钢轨

图3.4 基准车轮型面与新轨、型面优化钢轨轮轨接触点比较

表3.1 轮轨动力学参数比较

动力学参数

典型磨耗车轮/型面优化钢轨 新轮/新轨 典型磨耗车轮/新轨 轮轨横向力(kN)

-4.35 -7.73 -6.28 轮轨垂直力(kN)

118.80 118.16 118.36 磨耗功(Nm/m）

1134.57 1468.24 1600.72 钢轨横向位移(mm)

-2.98 -6.80 -3.10 轮轨冲角(mrad)

0.35 0.70 0.52 轮轨接触应力 (MPa) 1470 2000 1850

为考核优化的75kg/m 钢轨轨头型面对轮轨相互作用和钢轨磨耗的影响，朔黄铁路在正线上选择了一条R600小半经曲线用于试验验证，钢轨型面按优化型面进行打磨，打磨前后进行了轮轨动力学参数测试，同时定期进行钢轨磨耗观测。试验曲线动力学测试数据表明，钢轨优化型面打磨后，轮轨动力性能指标得到了改善，钢轨优化型面打磨前后，外侧轮轨垂向力最大值的范围分别是120~160kN 和110~160kN；外侧轮轨横向力最大值的范围分别是50~65kN 和35~60kN；而轮轴横向力最大值的范围则分别是21～43kN 和20～41kN。钢轨优化型面打磨前外轮脱轨系数最大值的范围是0.35～0.60，而钢轨优化型面打磨后的外轮脱轨系数最大值的范围是0.30～0.60；钢轨优化型面打磨前内轮轮重减载率最大值范围是

High Rail High Rail High Rail Low Rail

Low Rail Low Rail

0.10～0.55，而钢轨优化型面打磨后内轮轮重减载率最大值范围是0.10～0.45。对比试验曲线型面改进后外侧钢轨侧磨量与试验曲线前后有历史磨耗记录数据的连续4条曲线（运营条件与试验段较为接近）的历史磨耗平均值，如图3.5，试验曲线在钢轨型面改进后，圆曲线段外侧钢轨侧磨量平均值较对比曲线的历史磨耗状况降低了30~40%。

图3.5 优化钢轨型面试验曲线钢轨磨耗与历史磨耗数据对比

3.2 钢轨打磨

钢轨打磨是重载铁路预防和及时整治钢轨病害重要技术措施，但朔黄铁路自2000年开通运营以来，至2005年一致未进行有效的钢轨打磨，一是朔黄铁路未配备钢轨打磨车，二是没有适用技术规范来确定钢轨打磨周期、打磨量和相应打磨策略。2006年开始，朔黄铁路开始实施了钢轨打磨技术的系统试验研究，其研究重点是钢轨打磨技术参数和策略确定。

朔黄铁路钢轨打磨技术参数，除钢轨打磨模板由3.1节确定外，其它技术参数如打磨周期、打磨量均通过在役钢轨现场切轨取样、室内金相分析方式来确定。具体实施过程为：选取朔黄上行重车线K86+214~K86+827曲线（半径500m、超高90 mm、圆曲线长度393m、坡度7‰、缓和曲线长110m）为钢轨取样试验曲线，根据累计通过总重的变化，对试验曲线外轨和内轨表面疲劳裂纹发展情况进行了8次跟踪观测、9次磨耗跟踪测量和9次定期钢轨取样（含新轨）。观测和取样时间按累计通过总重划分，分别是新轨上道、通过总重10MGT、30MGT、60MGT、100MGT、150MGT、210MGT、280MGT、320MGT，基本覆盖了朔黄重载铁路小半径曲线钢轨全寿命周期。

钢轨型面变化特征如图3.6所示，从新轨上道到累积通过总重到10MGT，圆曲线的外轨型面在轨距边有轻微的塑性变形出现；10MGT~30MGT时，塑性变形被磨损掉；30MGT以上后，外轨轨距边逐渐发生侧磨，在小于60MGT时，型面基本保持较好的形状；累积通过总重达到100MGT时，外轨型面轨距边由于较明显的侧磨而变形，侧磨下缘出现肥边；之后，随着通过总重的累积，侧磨越来越大，肥边越来越突出，外轨型面的轨距边越来越向内凹；在200MGT以后，过度的侧磨同时引起垂磨的增加，钢轨最后因磨耗下道。内轨在30MGT 通过总重以内时，型面变化不明显；30~100MGT以内时，垂磨逐渐增加，轨顶逐渐变平；通过总重超过100MGT以后，内轨轨顶基本被磨平，同时随着累计通过总重的增加，在轨距

边和外侧边均出现肥边和塑性变形；280MGT 以上后，内轨型面基本被磨耗成方形。

图3.6 典型圆曲线外轨、内轨型面变化

图3.7 金相分析试样的截取

图3.8轨头疲劳裂纹特征（横向和纵向截面）

图3.9 裂纹长度和深度随通过总重累积变化特征

钢轨金相分析取样方式和典型特征见图3.7和图3.8，钢轨疲劳裂纹变化特征如图3.9

所示，在累计通过总重10MGT时，外轨轨距边出现疲劳裂纹、内轨未有明显的疲劳裂纹；累计通过总重30MGT时，外轨轨距边和内轨轨顶面都出现明显的疲劳裂纹，且金相观测发现裂纹长度和深度较大；随着通过总重进一步增加，裂纹逐渐加长加深，向轨头内部扩展，当累计通过总重约100MGT时，裂纹达到最长、最深，而且裂纹逐渐向表面扩展，形成“弯勾”形裂纹；累计通过总重100MGT~200MGT时，弯勾裂纹到达表面，并彼此相连，形成较严重的轨面剥离掉块；累计通过总重200MGT以上时，裂纹和剥离掉块逐渐被压紧、磨损。

从试验曲线钢轨疲劳裂纹深度来看，金相观测的裂纹位置是钢轨垂磨测量点，在累计通过总重100MGT以内，外轨裂纹深度平均值平稳发展，内轨裂纹深度平均值呈降低变化趋势，外轨裂纹深度平均值约为1.2mm，内轨裂纹深度平均值约为0.8mm。在累计通过总重100MGT 以内，如每隔25MGT累计通过总重进行一次预防性钢轨打磨，则朔黄重载铁路钢轨预防性打磨每年进行4次，每次预防性打磨的打磨量为外轨0.3mm、内轨0.2mm；如按15MGT的钢轨预防性打磨周期计算，则朔黄重载铁路钢轨预防性打磨每年进行6次，每次预防性打磨的打磨量为外轨0.2mm、内轨0.2mm。

由此可确定朔黄重载铁路小半径曲线（半径500~600m）钢轨打磨策略：（1）新轨预打磨：打磨量0.2~0.3mm；（2）预防性打磨：每隔15~25MGT实施，打磨量0.2~0.3mm；（3）修理性打磨：每隔100MGT左右实施，打磨量根据现场钢轨伤损、表面状态、波磨深度确定。

为验证钢轨打磨策略和技术参数合理性和有效性，朔黄铁路与2010年9月在重车正线选择了线路条件和运输条件基本一致的三条R500曲线进行对比考核，其中一条曲线只进行新轨预打磨，另两条曲线完全按朔黄铁路小半经曲线钢轨打磨策略管理。截止2011年3月，累计通过总重约100MGT，对比曲线钢轨侧磨量为3.00mm，轨面出现严重疲劳裂纹，而实施打磨的两条曲线钢轨侧磨量分别为0.05mm和1.20mm，轨面平滑，无明显疲劳裂纹。由此不能看出，朔黄铁路钢轨打磨策略和技术参数是合理有效的。

3.3 钢轨润滑

曲线钢轨润滑是公认的重载铁路延长曲线钢轨使用寿命、减小轮轨相互作用的重要技术措施。朔黄铁路曾采用润滑油、油脂类润滑剂进行过曲线钢轨润滑，但收效甚微，主要原因是润滑油和油脂类润滑剂不可避免地会导致“油楔”效益，从而加速钢轨伤损。

为获得良好的钢轨润滑效果，朔黄铁路从2006年开始进行固体润滑剂的选型试验，先后在国内外收集了6种固体润滑剂（俄罗斯ART粉体润滑剂、加拿大kelsan轨侧润滑剂、重庆运达RGL轨侧干膜润滑剂、济南三新干式润滑剂、铁科院金化所固体润滑棒、安阳固体润滑棒）进行对比选型。对比试验采用MM-200摩擦磨损实验机模拟铁路轮轨的滚滑接触，参照“SH/T 0190-92 润滑剂摩擦系数测定法”进行，评价标准为润滑剂在轮轨界面形成润滑膜的承载能力和润滑膜有效持续时间，不同承载压力下三种润滑效果较好的润滑剂性能试验曲线如图3.10所示。

时间（分）摩擦系

数

时间（分）摩擦系数

(a)正压力1500N (b)正压力2000N

图3.10 不同承载压力下润滑剂运转时间与摩擦系数对应关系

单从润滑剂润滑效果来看，室内试验测试数据表明济南三新干式润滑剂具有良好抗磨性

能，其主要特点是承载能力好、润滑膜有效时间长，且润滑剂的喷涂为“固-液-固”形式，即固体润滑剂可加热至110°直融为液态，以液态形式喷涂，喷涂至钢轨轨距角后再次固化并在车轮碾压下形成固体润滑膜，因此，朔黄铁路通过比选确定采用济南三新润滑剂进行实际应用考核。

图3.11济南三新润滑剂润滑膜有效性变化趋势图 图3.12 试验曲线外轨侧磨变化

为验证济南三新固体润滑剂的减磨效果，朔黄铁路选择一R600小半经曲线进行试验考

核。试验曲线润滑剂喷涂采用基于车载TAX2研制的车载式智能钢轨润滑装置，即利用机车车载TAX2获取机车监控装置中的时间、公里标、速度和车次等列车运行信息，钢轨润滑装置据此识别曲线起终点，并控制润滑剂喷涂单元的工作。润滑周期通过试验曲线一次喷涂润滑剂后轨距角表面摩擦系数的变化来确定，实测一次喷涂24小时连续测试的轨距角表面摩擦系数如图3.11所示。不难看出，按朔黄重载铁路每天通过列车数不超过100列计算，济南三新干式润滑剂的润滑膜保持有效的时间约12小时。按这一润滑周期，采用车载自动润滑装置实施润滑剂喷涂，试验曲线实测曲线外轨侧磨发展变化趋势及与该曲线历史磨耗数据对比如图3.12所示，从实测数据对比来看，济南三新干式润滑剂减磨效果良好，相对于历史磨耗数据，圆曲线区段平均减磨可到达55％。

3.4 曲线参数优化

曲线设置参数是影响曲线钢轨磨耗的关键因素之一，并且影响规律十分复杂，曲线参数设置不当会引起剧烈的钢轨磨耗，反之，合理的曲线参数能够起到有效地减磨效果。为合理优化朔黄铁路小半经曲线设置参数，朔黄铁根据机车车辆曲线通过形态，采用动态（非稳态）曲线通过理论和NUCARS动力学仿真分析软件，建立车辆曲线通过动力学仿真分析模型，从理论上分析曲线设置参数对轮轨接触、轮轨动态响应以及磨耗指标的影响，根据动态仿真分析结果，优化提出朔黄重载铁路合理的曲线设置参数。

曲线设置参数对车辆曲线通过性能的影响主要是通过改变轮对内外轨滚动半径差而产生作用的，国内既有研究表明，曲线超高和轨底坡是最为直接的影响因素，单一的曲线轨距加宽或变窄对于半径超过500m的曲线而言基本不产生影响，因此，朔黄铁路曲线设置参数优化主要针对超高和轨底坡来展开。

图3.13 曲线超高对轮轨冲角、横向力、磨耗指数影响 (R600, C64)

图3.13是C64货车以55~70 km/h速度通过半径为600m曲线时不同超高设置对轮轨冲角、横向力和磨耗指数影响的典型仿真结果。多方案仿真分析表明，对于朔黄铁路R500、600、800三种不同曲线半径，C64和C70A货车在不同速度、不同超高变化率下，当曲线超高由均衡超高降低至欠超高时，虽外轨横向力增大，但轮轨磨耗Vogel指数和轮缘冲角都有一定程度的降低，有利于减轻轮轨间的磨耗；在欠超高10%时，与均衡超高相比，轮轨冲角可降低3%，磨耗指数可降低1~4%，曲线设置为欠超高可减轻钢轨的侧磨。因此，朔黄铁路曲线超高可优化设置为欠超高，欠超高比例以10~15%为宜。

图3.14是C70货车以55~70 km/h速度通过半径为600m曲线时内外轨不同轨底坡对轮轨冲角、横向力和磨耗指数影响的典型仿真结果。综合分析C62和C70A两种不同车型以不同速度通过R500、600、800三种不同曲线半径时，四种不同轨底坡设置方案对主要评价指标的影响规律，可以得出：内轨轨底坡1/20、外轨轨底坡1/40时，外轨横向力、轮轨磨耗Vogel指数和轮缘冲角都有明显的降低，有利于减轻轮轨间的磨耗；内轨轨底坡1/20、外轨轨底坡1/40时，与内外轨轨底坡均为1/40相比，冲角减小了6.81%~17.2%，横向力减小了10.48%~21.02%，磨耗指数减小了约13.57%~23.95%。据此，朔黄铁路轨底坡可优化设置为内轨轨底坡1/20、外轨轨底坡1/40。

图3.14 轨底坡对轮轨冲角、横向力、磨耗指数影响 (R600, C70, 10%欠超高)

在仿真分析基础上，朔黄铁路在正线重车方向选择了四条R500小半经曲线作为曲线优化参数现场试验段，曲线1设置为10%欠超高、轨底坡1/40，曲线2设置10%欠超高、内轨轨底坡为1/20外轨1/40，曲线3设置为均衡超高、轨底坡1/40，曲线4设置10%过超高、轨底坡1/40。试验曲线设置完成后进行了轮轨动力学参数测试和曲线钢轨磨耗长期检测。从动力学参数测试结果来看，设置10%欠超高和内轨轨底坡调整为1/20的试验曲线，重载列车通过时轮轨动力学性能最优，最大横向力、脱轨系数和轮重减载率分别为76.6、0.59、

0.35，全部在安全限度内。四条试验曲线外轨钢轨侧磨数据对比情况如图3.15所示，曲线

1、曲线2外轨侧磨值较小，外轨侧磨最大值分别为10.83mm、11.03mm，曲线3外轨侧磨最大值为14.19mm，曲线4外轨的侧磨值最大，为18.80mm，已接近侧磨允许值；与各试验曲线既有历史磨耗数据对比，前三条试验曲线外轨侧磨平均值与历史同期相比分别降低了16.09%、25.16%、12.6%，而曲线4外轨侧磨较历史同期侧磨增加3.68%。由此可见，朔黄铁路小半经曲线设置10%左右欠超高、调整内轨轨底坡为1/20，可显著降低钢轨的侧磨。

图3.15 曲线设置对钢轨侧磨影响的对比

4 总结

为解决朔黄铁路75kg/m钢轨的疲劳伤损和过度侧磨，朔黄铁路开展了为期两年多的系统试验研究，研究提出了适合朔黄重载铁路钢轨型面管理方法和设计原则、钢轨打磨策略和技术参数、曲线钢轨润滑、曲线设置参数优化等技术措施，并通过现场试验验证了延长钢轨

使用寿命综合技术措施的有效性和实用性。

作者简介：张格明（1968.10），男，博士，研究员，铁道科学研究院。