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重载小半径曲线钢轨最佳磨耗率及钢轨打磨参数研究
摘要：对不同通过总重下的重载铁路小半径曲线在役钢轨进行取样、裂纹深度测量、流变层金相分析、钢轨型面测量和磨耗计算，分析了轮轨磨耗和裂纹随通过总重累积的发展情况和相互关系。根据磨耗和打磨对裂纹的影响，分析了裂纹-磨耗消长平衡机制，提出了最佳磨耗率的计算方法，并分析了试验段的钢轨最佳磨耗率和预防性打磨参数。结论表明：用适当时机的磨耗加打磨来消除或控制裂纹，有利于实现预防性钢轨打磨和延长钢轨使用寿命。该重载条件下，小半径曲线预防性钢轨打磨的打磨周期约为1700~2000 万吨通过总重，上、下股钢轨打磨量分别为0.40~0.45mm、0.25~0.30mm，最佳磨耗率为0.032~0.034mm/MGT。
关键词：道路与铁道工程；钢轨；滚动接触疲劳；钢轨磨耗；钢轨打磨；最佳磨耗率
0 引言
现场观测发现，重载铁路小半径曲线钢轨上道后不久就在表面出现疲劳裂纹、剥离掉块和肥边[1]，而这时的轮轨磨耗还不足以磨损掉这些伤损，使得疲劳裂纹和剥离掉块得以进一步扩展；当通过总重累积到一定程度时，轮轨磨耗才逐渐加快并抑制疲劳裂纹的发展，但这时在曲线钢轨上已经形成一定规模且较为严重的密集裂纹或剥离掉块，之后钢轨磨耗特别是上股钢轨侧磨快速发展，导致钢轨的型面恶化甚至过早下道。疲劳裂纹和剥离掉块的存在影响钢轨的现场探伤，会引起核伤、断轨等安全事故，而磨耗影响钢轨使用寿命。目前，预防性钢轨打磨是控制和减缓钢轨使用初期滚动接触疲劳裂纹、改善轮轨关系的重要措施，其目的就是通过合理时机内的轮轨磨耗结合钢轨打磨来“捕捉”到裂纹的发展，同时恢复钢轨型面、改善轮轨关系，从而平衡裂纹和磨耗，这个平衡点被称为最佳磨耗率[2][3]。Kalousek 等[4][5]研究了北美重载铁路的最佳磨耗率，提出了预防性钢轨打磨的参数如打磨周期和打磨量。
Dikshit 等[6]设计了钢轨取样和实验室裂纹金相分析的方法；Satoh 等[7]通过对轨头表面塑性变形的观测，建立了有效的钢轨打磨作业方法；Schoech 等[8]跟踪观测了疲劳裂纹和磨耗的发展，设计了相应的钢轨养护方法。为了发挥钢轨打磨技术的优势，需要根据我国重载铁路小半径曲线钢轨滚动接触疲劳裂纹和磨耗发展的规律，确定小半径曲线钢轨的最佳磨耗率及打磨参数。本文在对我国典型重载铁路中的小半径曲线钢轨进行跟踪取样、裂纹测量和特征分析、轨头型面测量的基础上，建立裂纹-磨耗消长平衡机制，研究疲劳裂纹与轮轨磨耗、钢轨打磨量和打磨周期的关系，提出最佳磨耗率和相应的预防性钢轨打磨参数。
1 试验概况
试验线路为山区重载货运铁路，电气化自动闭塞，开行5000 吨重载列车，年运量约1.2亿吨，重车线的小半径曲线铺设75kg/m 的U75V 淬火钢轨（1180MPa），II 型混凝土轨枕、1840 根/公里、I 型弹条扣件、II 级碎石道床，道床厚550mm。
前期现场观测发现，500m~600m 曲线半径的钢轨上道后约10MGT（百万吨通过总重）时，在一些地段就出现疲劳裂纹并随着通过总重的累积逐渐密集、扩展、相连最后形成剥离掉块，而这时的轮轨磨耗尚不足以磨耗掉这些裂纹；通过总重约100MGT~150MGT 以后，轮轨磨耗加剧，疲劳裂纹和剥离掉块的发展受到抑制，但已形成一定规模，甚至布满整个轮轨接触带。
选取 R=500m 的某曲线线路作为试验段，其圆曲线部分长375m，坡度7‰，超高90mm。
线路在观测期间进行正常的上股钢轨侧面涂油和大机捣固。
对试验段钢轨进行多次取样和磨耗测量，时间分别是新轨上道后（新轨未预打磨）、累积通过总重约9.8MGT、30.1MGT 和58.2MGT。
2 钢轨疲劳裂纹测量
2.1 钢轨表面观测和取样
经表面观测，累积通过总重9.8MGT 和30.1MGT 时，试验段的上、下股钢轨均在垂磨测量点位置（靠近轨距角1/3 轨头宽度处，下同）有疲劳裂纹，而顶面及其他位置未出现裂纹；累积通过总重58.2MGT 时，上、下股钢轨在轨距角和轨顶面都存在疲劳裂纹裂纹。
每次观测后，分别从试验段的圆曲线中部截取30cm 长的上、下股钢轨各一根，作为裂纹测量的取样轨。从取样轨上沿列车运行方向切割纵断面试样若干，并在裂纹出现的位置截取试样进行裂纹深度观测。
2.2 裂纹深度
疲劳裂纹的深度是纵断面试样上轨头表面到裂纹尖端的垂直距离。上、下股钢轨在垂磨测点处的裂纹深度随通过总重的累积而变化的情况如图1 所示。从图 1 中可以看出，随着通过总重的累积，上、下股钢轨的疲劳裂纹深度的最大值和平均值都呈增长的趋势。说明在新轨上道后的初期，上、下股钢轨表面疲劳裂纹就较早地萌生，并以较快速率向轨头内部扩展。
2.3 钢轨表面塑性变形
从钢轨横断面金相组织发现，裂纹大多数起源于表面，且沿表层流变方向扩展，随着通过总重的累积，流变层的厚度逐渐增加，如表1 所示。当超过表1 的深度后，钢轨内部的流变逐渐减弱。
3 钢轨型面测量和磨耗计算
新轨上道后，采用钢轨型面测量仪测量定点（间隔5m）的上、下股钢轨型面作为初始轮廓。在3 次通过总重条件下，再分别测量相同测点的钢轨型面，与初始轮廓进行比较，计算相应的垂磨量和侧磨量。
考虑到用于裂纹测量的取样轨位于圆曲线中部，因此，将圆曲线中心前后各65m 范围内的钢轨测点进行统计，全长130m，约占圆曲线全长的1/3。计算磨耗发展率时，将两次测量的磨耗量与两次测量间的通过总重增量相比。两股钢轨的平均磨耗量和平均磨耗发展率如表2。可以发现，垂磨方面，初期垂磨量较大，且随着通过总重的累积逐渐增加，而垂磨发展率呈降低趋势；侧磨方面，初期上股钢轨侧磨量较小，且随着通过总重的累积逐渐增加，侧磨发展率也呈增加趋势，下股钢轨侧磨不明显未做统计。这样，在60MGT 前，上股钢轨侧磨量在1.2mm 以内，侧磨速率在增加，垂磨量在1.0mm 以内，垂磨速率在降低。
4 最佳磨耗率和打磨参数
4.1 裂纹-磨耗消长平衡机制
国内外对裂纹和磨耗的研究表明[4][5]，钢轨滚动接触疲劳裂纹与轮轨磨耗相互影响。磨耗较小，则裂纹发展就很快；磨耗较大，则裂纹发展缓慢，甚至变化不明显或被消除掉。从试验段观测来看，轮轨磨耗不足以消除裂纹，需要引入钢轨打磨，借助打磨来平衡裂纹和磨耗的关系。这样，建立裂纹-磨耗消长平衡机制来控制裂纹扩展，找到最佳磨耗率，并设计合理的钢轨打磨参数，如图2 所示。裂纹-磨耗消长平衡机制的原理就是，在掌握裂纹理论深度（一定通过总重下，不考虑轮轨磨耗时裂纹理论上扩展的深度）和垂磨发展率的基础上，将钢轨打磨考虑进来，设计合理的打磨周期和打磨量，即在裂纹扩展的适当时机（打磨周期），以最小的打磨量结合打磨周期内的轮轨自然磨耗量，将钢轨疲劳裂纹消除或控制，达到裂纹-磨耗的平衡。这样，就将裂纹的扩展与磨耗的发展、打磨周期和打磨量联系起来。
这时根据钢轨打磨和自然磨耗所确定出来的单位通过总重的磨耗速率即为最佳磨耗率。
这种最佳磨耗率使钢轨具有状态良好、无明显裂纹的滚动表面，或者使钢轨具有稳定的、适度裂纹的钢轨表面。这种情况下的预防性钢轨打磨，既能很好的控制滚动接触疲劳裂纹，又改善了轮轨关系，一定程度上控制了侧磨的发展，同时又以较少的打磨量、快速的打磨效率，节约了打磨成本，充分发挥了打磨设备的效率。
4.2 疲劳裂纹的理论深度
首先根据裂纹和磨耗测量数据计算不同通过总重下的裂纹理论深度。一定通过总重时的平均理论深度Q0 h 包括该通过总重下金相测量到的平均裂纹深度Q h 和被通过总重磨耗掉的平均深度wQ h ，即垂磨量，计算公式如下：
whQ = hQ + hQ0 （1）式中，Q 为累积通过总重（MGT）；Q0 h 为Q 通过总重时的平均裂纹理论深度（mm）；Q h 为Q 通过总重时测量得到的平均裂纹深度（mm）； wQ h 为Q 通过总重时的轨头平均垂磨量（mm），iwQiniwQ Q s h Δ ? Δ =Σ=1（2）i 为测量次数； i ΔQ 为第i次测量至第i+1次测量间的通过总重增量（MGT）； wQi Δs 为i ΔQ通过总重内的轨头平均垂磨发展率（mm/MGT）。
根据图 1 和表2 的数据，计算得到的平均裂纹理论扩展深度hQ0 如图3 所示，其符合对数分布的规律。
4.3 最佳磨耗率和打磨参数
根据裂纹-磨耗消长平衡机制，在预防性打磨周期内，最佳磨耗率可以从以下两方面考虑：
（1）从磨耗角度考虑，最佳磨耗率应包括轮轨垂磨速率和单位通过总重下的打磨量；（2）从裂纹理论深度考虑，最佳磨耗率应正好磨耗掉理论裂纹。
这样，以打磨量、打磨周期和最佳磨耗率分别为x、y、z 为坐标，建立三维坐标系。根据由测量数据经曲线拟合后内插得到的垂磨发展率和理论裂纹深度数据。由表2 可知，通过总重到达约58MGT 时，上股钢轨平均侧磨已经达到1.274mm，这时钢轨型面已经发生变化，预防性钢轨打磨将钢轨型面恢复到标准型面较困难，打磨量会很大，因此，预防性打磨应该在钢轨型面未发生明显变化之前，即通过总重约60MGT 之前实施。
假设打磨周期在5MGT~60MGT 通过总重、打磨量在0.1mm~1.0mm 变化时，公式（2）、（3）得到的最佳磨耗率是两公式所代表的曲面的交线，上股钢轨的最佳磨耗率如图4 所示。图 4 中，网格曲面由公式（2）结合磨耗发展率数据得到，为从磨耗和打磨角度考虑的最佳磨耗率；光滑曲面由公式（3）结合平均理论裂纹深度数据得到，为从裂纹深度角度考虑的最佳磨耗率。当前者大于后者时，说明不仅裂纹被磨耗掉，而且不存在裂纹的轨头金属也被过度磨耗掉；反之，则说明裂纹没完全被磨耗掉，轨头内仍然存在裂纹。当两者计算得到的最佳磨耗率相等时（图4 中的黑实线），则说明裂纹恰好被磨耗掉。俯视图4，即将打磨量和打磨周期分别作为横、纵坐标，就形成图5。可以发现，在两曲面的交线处，当打磨参数取最小时（图5 的A 点），即打磨量为0.33mm、打磨周期为1000 万吨，对应的最佳磨耗率为0.061mm/MGT。考虑到轨头垂直磨耗限值为12mm（75kg/m 钢轨重伤标准），这种情况下钢轨的寿命大约为1.97 亿吨通过总重，钢轨寿命因初期较高的轮轨磨耗（与新钢轨型面与车轮型面匹配而发生较高的磨耗有关）和频繁的打磨而缩短，因此，这种打磨参数及对应的最佳磨耗率对钢轨寿命不利。当最佳磨耗率取最小时（图5 的B 点），即最佳磨耗率为0.026mm/MGT，这时对应的打磨周期为5500 万吨通过总重，打磨量为1.0mm，在这样的通过总重下，钢轨轨头轮廓被磨耗成与车轮外形匹配的外形，因而轮轨磨耗率降低，但是裂纹深度已经较大，需要大量的、多遍的打磨才能消除裂纹，增加了实际作业的难度。所以要使打磨参数和最佳磨耗率两者最佳匹配，如图5中的C 点，最佳磨耗率为0.032mm/MGT，对应的打磨周期为2000 万吨、打磨量为0.45mm，可以打磨掉表面流变层的厚度，预计的钢轨寿命大约为3.7 亿吨通过总重。
同理，分析下股钢轨的最佳磨耗率和打磨参数发现，最佳磨耗率为0.034mm/MGT 时，对应打磨周期为2000 万吨、打磨量为0.3mm，这时预计的钢轨寿命为3.5 亿吨通过总重。
考虑到打磨车的作业效率，一条曲线通常是两股钢轨同时进行打磨作业，则该小半径曲线的预防性钢轨打磨可以考虑每隔1700~2000 万吨通过总重时进行，打磨量约为0.40~0.45mm（上股钢轨）和0.25~0.30mm（下股钢轨），这时对应的最佳磨耗率约为0.032~0.034mm/MGT。
5 结论
本文建立了钢轨裂纹-磨耗消长平衡机制，提出了最佳磨耗率和打磨参数的计算方法，得到如下结论：
（1）试验段现有条件下，钢轨上道初期的轮轨磨耗无法消除或控制裂纹的扩展，必须利用裂纹-磨耗消长平衡机制，引入预防性钢轨打磨，在钢轨表面伤损如裂纹和磨耗尚未严重时，选择适当时机，以较小的打磨量，平衡裂纹和磨耗的发展，从而达到控制钢轨表面伤损和磨耗、延长钢轨寿命的目的；（2）设计合理的预防性钢轨打磨周期和打磨量，要根据运行状况、轨道结构参数等条件，掌握钢轨磨耗状态和裂纹萌生扩展状态；（3）在一定的线路运输条件、轨道结构和轮轨几何关系的情况下，钢轨的最佳磨耗率与打磨参数，即打磨周期和打磨量密切相关、相互影响，只有将打磨参数和最佳磨耗率综合考虑，才能充分发挥预防性打磨的优势、有效地延长钢轨使用寿命；（4）在考虑磨耗和疲劳裂纹发展的情况下，试验线路的钢轨最佳磨耗率约为0.032~0.034mm/MGT，预防性钢轨打磨周期为1700~2000 万吨通过总重，每次打磨的打磨量约为上股钢轨0.40~0.45mm、下股钢轨0.25~0.30mm；（5）一次打磨作业的打磨量应该超过该打磨周期内轨头表面流变层的厚度；（6）在进行预防性钢轨打磨时，除实施设置的打磨量以消除和控制轨面裂纹外，还应通过打磨恢复标准钢轨型面或为减缓钢轨侧磨而设计的特殊钢轨型面（如非对称钢轨型面），从而改善轮轨几何关系和接触关系，改善车轮通过曲线的状态，减缓钢轨侧磨。
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