高速鐵路鋼軌擦傷原因及措施
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摘要：
滬昆高鐵在運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)了多處鋼軌擦傷，對全面排查發(fā)現(xiàn)的33處擦傷進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鋼軌是由施工建設(shè)過程中的工程車輛在長大坡道上造成的制動擦傷，經(jīng)過一年多的列車運(yùn)行，擦傷處會出現(xiàn)裂紋乃至掉塊等病害，嚴(yán)重影響線路運(yùn)行品質(zhì)，更有甚者危及高鐵行車安全。針對此情況探討鋼軌擦傷的預(yù)防及鋼軌擦傷后的處理措施，以便類似情況可以借鑒。
關(guān)鍵詞：
1概況
滬昆高鐵浙江段于2009年開始建設(shè)，2013年10月開始鋪軌，2014年11月開通運(yùn)營，全線為一次性完成鋪設(shè)的跨區(qū)間無縫線路，鋼軌為武鋼2012年產(chǎn)U71MG百米定尺軌。線路開通一年后，工務(wù)車間于2015月12月在鋼軌外觀檢查過程中，發(fā)現(xiàn)鋼軌頂面存在擦傷現(xiàn)象，經(jīng)過全線排查一共發(fā)現(xiàn)了不同程度的擦傷33處。滬昆高鐵是設(shè)計運(yùn)營時速350km/h，后調(diào)整為時速300km/h的高速鐵路，而鋼軌出現(xiàn)大量擦傷現(xiàn)象將直接影響到高鐵的線路質(zhì)量及運(yùn)營安全。所以擺在面前的是要找到造成鋼軌擦傷的原因，并及時采取處置措施，確保高鐵運(yùn)營萬無一失。
2鋼軌擦傷原因分析
滬昆高鐵開通一年多，怎么會出現(xiàn)這么多的擦傷呢？這些擦傷又是怎樣產(chǎn)生的呢？下面從擦傷發(fā)生的時間、擦傷類型、線路特征、鋼軌材質(zhì)等方面進(jìn)行分析：
2.1擦傷發(fā)生時間分析
滬昆高鐵開通后，在運(yùn)營過程中，除了動車組、鋼軌探傷車、打磨列車和維修軌道車外，從未有其它列車在線路上運(yùn)營。期間，也陸續(xù)接到動車組緊急制動的報告，在接到緊急制動的報告后，工務(wù)段按規(guī)定對發(fā)生緊急制動地點前后一公里線路鋼軌進(jìn)行重點檢查。據(jù)統(tǒng)計，2016年，滬昆高鐵上海局管內(nèi)一年發(fā)生動車組緊急制動共25次。經(jīng)檢查，都未造成鋼軌擦傷。鋼軌探傷車、打磨列車和維修軌道車在運(yùn)行和作業(yè)過程中，未出現(xiàn)打飛輪或緊急制動照成鋼軌擦傷，從而排除了開通運(yùn)營后鋼軌擦傷的可能性。即鋼軌擦傷發(fā)生在開通運(yùn)行之前。
2.2擦傷類型分析
輪軌擦傷的主要類型可以分為兩種，一是長大坡道制動擦傷，其形狀通常呈連續(xù)的長條形，擦傷深度不定，可以發(fā)生在一股或兩股鋼軌上；二是列車啟動時輪對空轉(zhuǎn)造成的擦傷其形狀多為橢圓形，也有呈長條形，一般擦傷深度較深，可達(dá)0.5mm~2mm，長度為20mm~100mm，寬度為30mm~50mm，通常左右股成對出現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場33處輪軌擦傷的情況看，基本上都是呈連續(xù)的長條形（如圖1），發(fā)生在單雙股、深淺都有，且其擦傷點分布具有一定規(guī)律，根據(jù)滬昆高鐵上行K224+178處擦傷情況，繪制其擦傷位置分布示意圖（如圖2）。以DF4D機(jī)車為例，其輪對間距為1.8m，且其他東風(fēng)系列機(jī)車輪對間距基本相同。據(jù)此分析其擦傷位置間距與東風(fēng)內(nèi)燃機(jī)車輪對間距基本吻合，即可以確定現(xiàn)場擦傷多為東風(fēng)內(nèi)燃機(jī)車造成的制動擦傷。
2.3擦傷地段線路特征分析
鋼軌發(fā)生擦傷的地點并不是偶然的，也存在一定的規(guī)律，對照所發(fā)現(xiàn)的33處鋼軌擦傷地點的平縱斷面特點進(jìn)行分析。如表1、圖3、圖4。由上可知，鋼軌擦傷多發(fā)生在長大坡道上。因為，建設(shè)初期工程列車運(yùn)輸組織多為單線正反運(yùn)行，空出另一線施工，所以長大坡道上下坡都會出現(xiàn)制動擦傷。而鋼軌擦傷多為左右股同時對稱出現(xiàn)在曲線上居多。
2.4擦傷鋼軌材質(zhì)原因分析
滬昆高鐵浙江段所采用的鋼軌為U71MnG強(qiáng)度等級為880MPa，其布氏硬度在260HB-300HB。該鋼軌中含碳量較低，采用Mn元素來提高強(qiáng)度，有較好的韌、塑性，焊接性優(yōu)良。而建設(shè)過程中在線路上運(yùn)行的機(jī)車多為東風(fēng)系列機(jī)車，輪對硬度參數(shù)：265HB-320HB間，輪與軌硬度比在1.05～1.15之間,即輪比軌硬度大?，F(xiàn)在所發(fā)現(xiàn)的所有擦傷，從其本質(zhì)都是輪軌接觸面相對摩擦產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致軌頭頂面金屬組織產(chǎn)生相變，由珠光體組織轉(zhuǎn)變成硬而脆的馬氏體組織，簡稱“白層”（如圖5）。它們有兩個主要特性：一是硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼軌母材的硬度，根據(jù)現(xiàn)場測量其布氏硬度值達(dá)600HB~700HB，而正常鋼軌母材在260HB-300HB間；二是仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)它的顏色跟鋼軌母材顏色有區(qū)別，更白更亮，固得名白亮層。鑒于以上原因分析，可以知道，高鐵鋼軌擦傷一般發(fā)生在建設(shè)初期，由建設(shè)過程中的工程列車（多為東風(fēng)內(nèi)燃機(jī)車）造成的制動擦傷，而非在高鐵建成運(yùn)營后動車制動造成的。鋼軌擦傷發(fā)生地段長大坡道的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平坡，且多為左右股對稱出現(xiàn)，曲線上多于直線。鋼軌擦傷發(fā)生后，一般情況下難于被發(fā)現(xiàn)。未及時發(fā)現(xiàn)和處理的鋼軌擦傷，開通運(yùn)營后白亮層更明顯，而運(yùn)營一年到一年半后白亮層上會出現(xiàn)橫向裂紋，最終會出現(xiàn)軌面上剝離掉塊（如圖6），嚴(yán)重影響線路的平順性，并危及行車安全，必須及時處理。
3鋼軌擦傷預(yù)防及處理措施
根據(jù)高速鐵路鋼軌擦傷的原因來看，首先要重視預(yù)防，特別是在建設(shè)過程中怎么預(yù)防工程車輛運(yùn)行給鋼軌造成的傷害是我們急需解決的問題。鋼軌擦傷一旦出現(xiàn)，只能通過換軌或打磨（銑磨）的處理方式來解決。
3.1鋼軌擦傷的預(yù)防
由于機(jī)車啟動和制動擦傷多數(shù)發(fā)生在高鐵建設(shè)過程中，監(jiān)理和路局工務(wù)提前介入人員應(yīng)對鋪軌過程，或驗收中仔細(xì)檢查鋼軌軌面情況，重點檢查長大坡道上鋼軌是否出現(xiàn)擦傷或出現(xiàn)白亮層，可以通過鋼軌頂面布氏硬度測量來確定是否擦傷。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)盡快在建設(shè)過程中盡早處理，否則將其遺留到開通運(yùn)營后再處理將增加難度，并威脅行車安全。高鐵建設(shè)過程中應(yīng)建立工程列車調(diào)度指揮機(jī)制，合理組織運(yùn)輸，減少鋼軌擦傷的發(fā)生，并建立工程列車緊急制動及列車輪對空轉(zhuǎn)臺賬，便于準(zhǔn)確找到鋼軌擦傷地點，盡早采取措施。
3.2換軌焊接處理
鋼軌擦傷達(dá)到重傷或無法通過打磨處理的情況下，只能通過鋼軌更換處理。首先是在建設(shè)初期就發(fā)現(xiàn)鋼軌擦傷時，應(yīng)根據(jù)擦傷情況制定具體的更換方案。但應(yīng)遵循區(qū)間不得使用鋁熱焊且要盡可能減少焊縫，盡量避免焊縫相錯的現(xiàn)象發(fā)生。其次是在運(yùn)營之后，再發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重擦傷，根據(jù)擦傷分布情況，若單一處采用插入不少于20m短軌用鋁熱焊焊接；若是多處集中擦傷可采用長軌更換，減少插入焊縫數(shù)量。
3.3打磨處理
鋼軌擦傷較輕的可以通過打磨處理，其中打磨可分為人工打磨和大機(jī)打磨。對于個別出現(xiàn)的輕微擦傷可以通過人工小機(jī)打磨，打磨時應(yīng)兼顧鋼軌原有廓形，打磨時前后應(yīng)順接好。人工打磨可以采用廓形卡尺（如圖7）對鋼軌廓形進(jìn)行控制。對于區(qū)間內(nèi)多處出現(xiàn)的輕微擦傷可采用大機(jī)進(jìn)行打磨，打磨前對鋼軌進(jìn)行全面調(diào)查，包括鋼軌光帶及廓形情況等。根據(jù)調(diào)查情況，制定專項打磨技術(shù)方案及設(shè)計廓形（如圖8）。一般大機(jī)打磨能處理深度0.5mm左右的鋼軌擦傷。
4結(jié)束語
高速鐵路鋼軌擦傷現(xiàn)象并非只在滬昆高鐵出現(xiàn)，在已建成的高鐵多有發(fā)生，且有多次因鋼軌擦傷嚴(yán)重而更換鋼軌。高速鐵路鋼軌擦傷嚴(yán)重影響軌道的平順性、列車運(yùn)行的穩(wěn)定性及旅客乘車的舒適性，同時經(jīng)過長時間運(yùn)行碾壓會引起鋼軌的剝離掉塊或橫向疲勞裂紋，導(dǎo)致鋼軌折斷，嚴(yán)重威脅行車安全。而鋼軌擦傷后，在無法通過打磨處理的情況下，只能更換鋼軌，存在施工風(fēng)險及成本浪費(fèi)。希望通過本文引起大家對鋼軌擦傷的重視，能更好地幫助大家預(yù)防和處理高速鐵路鋼軌擦傷。
參考文獻(xiàn)
[1]徐偉昌.高速鐵路無砟軌道運(yùn)營初期鋼軌傷損分析及對策措施，上海鐵道科技，2014年第3期.
[2]魏堂建.客運(yùn)專線鋼軌擦傷原因分析，鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2015年，第12卷第3期.
作者:寧國平 單位:上海鐵路局杭州工務(wù)段
