基于轮轨关系的重载铁路曲线钢轨延寿技术研究

Research on Rail Life Extension Techniques for Heavy-Haul Railway Curves Based on Wheel-Rail Relationship

摘要

针对重载铁路小半径曲线钢轨寿命短、与直线钢轨寿命不匹配的问题，基于钢轨磨耗和伤损现状，运用动力学仿真明确小半径曲线钢轨服役寿命关键影响因素和性能需求；通过实验室试验提出高性能钢轨成分体系及在线热处理工艺参数；现场开展钢轨选用、打磨及润滑试验，研究轮轨关系调控措施对钢轨的延寿效果。结果表明：疲劳伤损是影响曲线地段钢轨服役寿命的关键因素，小半径曲线钢轨性能提升目标为抗拉强度1 250 MPa、硬度365 HB，-20 ℃断裂韧性35 MPa · m^1/2；采用C-Si-Mn-Cr加微量Cu和Ni的合金成分体系，结合高风压、短时在线热处理工艺可实现钢轨强度和韧性的协同提升；试制的钢轨性能达到预期目标，相较于U75VH钢轨，其耐磨、抗疲劳性能分别提升34%和21%；合理选用钢轨、科学打磨钢轨、精准控制润滑等轮轨关系调控策略的综合应用，可使曲线钢轨预期服役寿命延长67%，并能实现半径800 m曲线钢轨与直线钢轨同寿命。研究成果可为保障重载钢轨服役安全性和耐久性提供技术支撑。

Abstract

Aiming at the problems of short life of small radius curve and mismatch with straight line of heavy-haul railway, based on the current situation of rail wear and damage, the key influencing factors of service life and performance requirements of small radius curve rails are identified by dynamic simulation, the composition system and on-line heat treatment process parameters of high-performance rail are put forward through laboratory tests, and the wheel-rail relationship control measures for rail life extension are studied through rail selection and grinding and lubrication tests on site. The results show that the fatigue damage of curved rails is the key factor affecting their service life, and the target properties for rails in small radius curves are tensile strength 1,250 MPa, hardness 365 HB and fracture toughness 35 MPa · m^1/2 at -20 ℃. By using the alloy composition system of C-Si-Mn-Cr plus trace Cu and Ni and the on-line heat treatment process with high wind pressure and short time, the strength and toughness of rail are improved synergistically. The performance of the trial-produced rail reaches the expected goal, and compared with U75VH rail, its wear resistance and fatigue resistance are improved by 34% and 21%, respectively. Through the comprehensive application of wheel-rail relationship control strategies such as rational selection of high-performance rails, scientific rail grinding, and precise control of lubrication, the expected service life of curved rails is prolonged by 67%, and equal service life for curved rails and straight rails with a radius of 800 m is realized. The research results can provide technical support for ensuring the service safety and durability of heavy-haul railway rails.

Graphical abstract

关键词

重载铁路 / 钢轨 / 强韧性 / 轮轨关系 / 延寿技术

Key words

Heavy-haul railway / Rail / Strength and toughness / Wheel-rail relationship / Life extension techniques

重载铁路用钢轨面临高运量、大轴重及复杂地形和环境等严酷条件。重载铁路的小半径曲线钢轨因磨损疲劳失效频繁维修，带来安全隐患且占用大量时间，是影响运输效率持续提升的关键因素^［1-2］。面对更高轴重、更大运量的重载铁路发展需求，解决曲线钢轨磨损疲劳失效问题、延长钢轨服役寿命，对于保障运输安全高效、降低运营成本至关重要。

国内外关于钢轨延寿技术研究主要集中在钢轨强度提升和养修策略优化2个方面。在钢轨性能方面，日本JFE钢铁公司在2010年成功开发一种重载铁路用过共析珠光体钢轨^［3］，强度等级达到1 360 MPa，硬度达到400 HB，在北美重载铁路表现出较好的耐磨性；我国针对大秦铁路钢轨延寿需求，开发了U78CrVH钢轨^［4］和U77MnCrH钢轨^［5］，在北京局、太原局、上海局和郑州局管内小半径曲线铺设应用，耐磨性能比U75VH钢轨提高1倍以上^［6］；我国从2006年开始研制过共析钢轨^［7］，U95Cr钢轨抗拉强度为1 360 MPa、踏面硬度为408 HB，与日本过共析钢轨性能基本相当，在新焦货运专线、TTCI重载试验线和大秦中重车线应用表现出了优异的耐磨损性能。在钢轨养修方面，通过应用新轨头廓形75N钢轨^［8］，改善了重载钢轨铺设初期轮轨匹配不良问题及钢轨疲劳伤损情况，取得了良好的现场应用效果；Zhai等^［2］通过钢轨廓形非对称设计及轮轨接触几何优化，将半径600 m曲线钢轨侧磨速率降低30%~40%；田常海等^［9］研究了大秦铁路75 kg · m^－1钢轨伤损变化及影响因素，总结了不同强度等级钢轨伤损规律，提出采用钢轨预防性打磨技术，累计通过总质量10亿t钢轨伤损率可降低20%；张昕等^［10］通过开展重载铁路小半径曲线打磨试验，提出加大小半径曲线钢轨的打磨频率有利于延长钢轨使用寿命；杨光等^［11］通过仿真手段分析了在不同钢轨磨耗阶段进行润滑作业后的磨耗和疲劳性能变化情况，指出曲线上股钢轨出现侧磨后再进行润滑作业，既能降低工作边磨耗，又能降低出现疲劳伤损的概率。

通过采用强度等级更高的钢轨、科学运用钢轨养修技术，重载铁路直线及大半径曲线60 kg · m^－1钢轨大修周期从7亿t提升至10亿t^［12］，75 kg · m^－1钢轨大修周期从10亿t提升至15亿t^［13］。从近几年钢轨运用现状来看，重载铁路小半径曲线铺设U75VH，U77MnCrH，U78CrVH等高强度等级的钢轨后，耐磨性显著增加^［14］，但钢轨接触疲劳伤损、核伤等问题尚未有效解决^［15-16］，小半径曲线钢轨服役寿命不足10亿t、难以实现与直线钢轨同寿命，高强度等级钢轨的抗疲劳性能还有较大的提升空间。

本文针对重载铁路小半径曲线钢轨寿命短、与直线钢轨寿命不匹配的问题，分析曲线钢轨寿命的关键影响因素，利用动力学仿真明确重载铁路小半径曲线钢轨性能需求，通过钢轨合金成分及热处理工艺优化协同提升重载钢轨强度和韧性、增强钢轨耐磨性及抗疲劳性能，综合应用钢轨选用、打磨及润滑等钢轨养修技术调控轮轨关系，从钢轨强韧性协同提升及轮轨关系调控2个方面改善钢轨服役性能、延长钢轨使用寿命。

1 重载曲线钢轨寿命影响因素

1.1　钢轨伤损规律

对某重载铁路2018年—2023年钢轨重伤部位、类型等情况进行统计分析，结果如图1所示。由图1可见：钢轨轨头重伤占比79%，远大于其他部位伤损；轨头伤损中，内部裂纹（主要为核伤）占比达到81%，接触疲劳伤损（主要为鱼鳞纹、剥离掉块等）占比11%。

进一步统计该线路某工务段管内372 km钢轨轨头疲劳重伤的出现位置，曲线地段钢轨轨头疲劳重伤数量占比67%（曲线上股52%、曲线下股15%），为直线段钢轨疲劳重伤数量的2倍。此外，分析钢轨伤损与曲线半径的关联性发现，半径800 m曲线钢轨疲劳重伤数量占比37%，直线钢轨疲劳重伤数量占比为33%，半径1 000 m曲线钢轨疲劳重伤数量占比19%，其余半径曲线钢轨疲劳重伤数量占比11%。总体来看，半径800和1 000 m曲线钢轨发生疲劳重伤的数量相对更多，这也与该线路这2种半径的曲线数量较多有关，半径800 m曲线是钢轨延寿优化的重要目标。

1.2　曲线钢轨磨耗及疲劳伤损

某重载铁路半径500 m曲线的上股钢轨磨耗情况及表面状态如图2所示。图中：蓝色曲线为钢轨初始廓形；红色曲线为钢轨实测廓形。由图2可见：钢轨垂直磨耗（简称垂磨）5 mm左右、侧面磨耗（简称侧磨）7 mm左右；钢轨工作边廓形已形成了与车轮共形的几何特征，且存在因塑性变形累积引起的肥边；工作边轨距角区域存在较为明显的鱼鳞纹、轨顶区域存在零散的剥离掉块伤损。

对于侧磨发展较快的钢轨，一般通过选用高强度等级、高硬度的钢轨及钢轨润滑来改变轮轨硬度匹配关系、减缓钢轨磨耗、延长钢轨寿命^［1］。但在高强度等级钢轨应用过程中，也由于钢轨服役初期磨耗发展慢或润滑介入过早，出现了早期疲劳伤损。如图3（a）所示，某线路曲线上股钢轨轨面存在明显的纵向剥离掉块伤损，钢轨轨距角区域存在致密鱼鳞纹，踏面中心存在纵向扩展的表面裂纹；现场调查发现，累计通过总质量近50 Mt，钢轨无明显侧磨且工作边有润滑油脂堆积的情况。图3（b）为某线路因内部核伤折断的钢轨，裂纹源位于工作边轨距角下方10 mm左右位置；现场调查发现，累计通过总质量近250 Mt，钢轨以垂磨为主，无明显侧磨且工作边有润滑油脂堆积的情况。经实验室伤损失效分析发现，高强度等级钢轨服役初期出现的疲劳伤损主要与轮轨接触应力较大且分布集中有关，由于高强度等级钢轨耐磨性更好且存在油脂润滑情况，导致钢轨未能迅速与车轮磨合形成良好的匹配关系，更易发生疲劳伤损。

因此，在通过材料性能提升改善轮轨硬度匹配关系、延长钢轨寿命后，还需要合理打磨及科学润滑来改善轮轨型面匹配关系及钢轨受力状态，避免早期疲劳伤损问题。

综上所述，控制小半径曲线钢轨疲劳伤损是目前重载铁路钢轨延寿的重要目标，鉴于钢轨疲劳伤损的出现与钢轨自身抗伤损能力及其受力状态均密切相关，仍需要协同提升高强钢轨韧性、增强抗疲劳能力，并优化重载铁路曲线轮轨关系、改善钢轨受力状态，最终达到延寿目的。

2 重载钢轨强韧性协同提升

2.1　重载钢轨性能需求

借助仿真手段分析典型曲线工况下钢轨受力特点，提出重载铁路小半径曲线钢轨性能优化方向及性能需求。

基于多体动力学理论，建立重载车辆-曲线轨道耦合动力学模型，用于分析重载铁路钢轨受力状态。其中，货车车辆模型以25 t轴重C₈₀型货车为参考，包含1个车体及前后2个转向架，整体数值计算模型由车体、摇枕、侧架、承载鞍、轮对、交叉拉杆和摩擦斜楔等结构组成；曲线轨道模型方面，曲线半径800 m、超高70 mm、圆曲线长480 m、缓和曲线长100 m。仿真用车轮型面采用新车轮型面和实测磨耗车轮型面；仿真用钢轨廓形采用实测数据，包括某半径800 m曲线钢轨整个服役周期内4个阶段（刚上道、服役初期、服役中期及服役末期）的实测钢轨廓形。重点分析列车曲线通过时轮轨接触应力的情况，曲线不同接触位置轮轨接触应力的平均值和接触应力总体分布统计结果如图4所示。

由图4（a）可见：在不同钢轨磨耗阶段，曲线上、下股钢轨平均接触应力为1 250 MPa左右，其中，曲线上股钢轨轨顶接触区域的平均接触应力最大1 300 MPa、总体在1 120 MPa左右；曲线上股钢轨工作边接触区域的平均接触应力最大1 700 MPa、总体在1 380 MPa左右；曲线下股钢轨接触区域的平均接触应力最大1 330 MPa、总体在1 250 MPa左右。

从轮轨接触应力分布情况来看，如图4（b）所示，列车曲线通过时，轮轨接触应力在1 000~1 400 MPa范围的占比达到51%，1 400~1 800 MPa范围的占比为20%。

由此可见，半径800 m曲线钢轨所受轮轨荷载平均接触应力水平在1 250 MPa左右。在进行钢轨性能设计时，钢轨强度要求应与曲线钢轨所受的平均应力水平相当，当抗拉强度应不小于1 250 MPa时，可保障钢轨较好的抗疲劳性能。

硬度是影响钢轨磨耗的关键指标，与钢轨强度正相关。依据GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》，抗拉强度1 254 MPa碳钢对应的布氏硬度换算值为365 HB。参考对钢轨抗拉强度的需求，半径800 m曲线钢轨硬度应不小于365 HB。

韧性是影响钢轨疲劳性能的关键性能指标，既有标准规定了-20℃时的钢轨断裂韧性要求为不小于26 MPa · m^1/2，实验室检测数据发现，重载铁路常用1 180 MPa级钢轨断裂韧性在35 MPa · m^1/2左右，1 280 MPa级钢轨断裂韧性在30 MPa · m^1/2左右。为了保障钢轨耐磨性及抗疲劳性能，需兼顾钢轨强度及韧性提出性能需求：钢轨在强度不小于1 250 MPa的同时，韧性应与1 180 MPa级钢轨保持同一水平、达到35 MPa · m^1/2。

2.2　钢轨强韧性提升

为了提升钢轨服役性能，一般通过增加钢轨成分中的C含量来提升钢轨强度和硬度，但C含量提升会在一定程度上牺牲钢轨的韧性，导致钢轨耐磨性能提升明显，但抗疲劳性能提升相对有限，现场也出现了多起高强钢轨侧磨发展慢但疲劳失效快的问题。为了实现钢轨强度和韧性的协同提升，需要从钢轨合金成分体系和热处理工艺2个方面开展优化工作。

1）合金成分体系优化设计

基于既有重载铁路用珠光体钢轨C-Si-Mn-Cr成分现状，设计不同元素含量的钢轨钢成分方案并开展中试试验，其中，C元素含量（质量分数）变化范围为0.75%~0.82%，Si元素含量变化范围为0.34%~0.50%，Mn元素含量变化范围为0.8%~1.2%；Cr元素含量变化范围为0.25%~0.40%。从试验结果看，C，Si，Mn，Cr各元素均表现出与硬度具有正相关趋势，当C含量0.80%左右、Si含量0.43%左右、Mn含量0.95%左右、Cr含量0.35%左右时，钢轨硬度可达到380 HB以上且保持稳定，满足重载钢轨硬度不小于365 HB的性能要求。

此外，还添加了微量Cu和Ni元素以提升钢轨的耐蚀性和韧性，形成了C-Si-Mn-Cr加微量Cu和Ni的高性能钢轨微合金化成分体系，主要元素含量控制要求见表1。较窄的成分波动更有利于热处理后钢轨性能、组织的稳定控制。

2）在线热处理工艺调控

利用试制的高性能钢轨开展热处理工艺参数试验，通过调整风压和热处理时间，分析不同热处理工艺对钢轨硬度的影响，结果见表2。由2表可知：采用低风压时延长热处理时间，钢轨硬度均值为378 HB，钢轨全长范围的硬度368~389 HB，总体偏低；采用高风压时缩短热处理时间，钢轨硬度均值为390 HB，钢轨全长范围的硬度378~399 HB，硬度相对低风压工艺有明显提升。因此，通过对不同热处理工艺参数钢轨的性能分析，明确了采用高风压、短热处理时间的在线热处理工艺更有利于钢轨硬度的提升。

2.3　钢轨性能优化效果验证

对经过合金成分及热处理工艺优化后的高性能钢轨进行性能检验，抗拉强度、踏面硬度及断裂韧性检验结果与目前广泛应用的U75VH钢轨对比情况见表3。由3表可知：与1 180 MPa级的U75VH钢轨相比，高性能钢轨强度提高81 MPa、硬度提高40 HB、断裂韧性相当，抗拉强度、踏面硬度和-20℃温度下断裂韧性均满足重载钢轨性能需求，实现了钢轨强度和韧性的协同提升。

进一步利用轮轨摩擦磨损试验^［14］分析高性能钢轨耐磨及抗疲劳性能，试验用钢轨材料采用高性能钢轨与U75VH钢轨材质，试样取自于钢轨轨头踏面5 mm以下，直径为60 mm，厚度为10 mm；试验用车轮材料采用重载货车车轮广泛采用的CL65材质，试样取自于标准车轮的踏面5 mm以下，直径为60 mm，厚度为10 mm，并对车轮试样圆周加工出厚度5 mm的阶梯状凸台，即轮轨对磨试验实际接触区域为宽度为5 mm。

试验模拟轮轨接触应力为1 200 MPa、接触滑差为4%，试验总转数为5万r，试验过程中每到1万r时暂停试验，对试样进行称重后继续试验，试样质量的变化量即为磨耗量，结果见表4。

由表4可知：经过5万r试验后，U75VH钢轨磨耗量为0.310 g，高性能钢轨磨耗量为0.204 g，相对U75VH钢轨降低34%；此外，U75VH钢轨磨耗速率保持在0.062 g · （万r）^－1左右，高性能钢轨磨耗速率保持在0.040 g · （万r）^－1左右。

将2种钢轨材料摩擦磨损5万r后沿转动方向（纵向）取得的剖面试样制成金相试样，500倍金相显微镜下2种钢轨试样表面形成的疲劳裂纹情况如图5所示。由图5可见：U75VH钢轨试样表层的疲劳裂纹呈斜线向试样内部扩展，且有进一步向内扩展的趋势，裂纹深度25 μm、扩展范围148.6 μm；高性能钢轨表层的疲劳裂纹在向试样内部扩展一定程度后又向着试样表面的方向扩展，最终形成厚度10~20 μm的细小剥离层，裂纹扩展范围146.7 μm；与U75VH钢轨相比，高性能钢轨疲劳裂纹的范围与深度都有所减小，疲劳伤损的影响面积减小21%。

此外，分析2种钢轨试样表面裂纹扩展方向可能带来的风险：U75VH钢轨试样疲劳裂纹由表面斜向内部扩展，在钢轨实际服役过程中，此类疲劳损伤不易探伤发现且易劣化演变为钢轨核伤或折断，存在较大安全风险；高性能钢轨试样疲劳裂纹先向内部扩展后转向表面的方向扩展、形成细小剥离，在钢轨实际服役过程中，此类疲劳损伤易发展为轨面剥离掉块，是较为直观且极易通过打磨修理的伤损，安全风险可控。因此，从钢轨疲劳损伤可能带来的风险来看，高性能钢轨也具有更优的抗疲劳性能。

综上所述，从力学性能检验及轮轨摩擦磨损试验结果来看，相对U75VH钢轨，高性能钢轨强度提高81 MPa、硬度提高40 HB、韧性基本相当，耐磨性提升34%，抗疲劳性能提升21%，满足了前文提出的性能需求，耐磨性和抗疲劳性能均获得了较好的提升效果。

3 重载铁路轮轨关系调控策略

通过钢轨合金成分及热处理工艺优化实现钢轨强韧性协同提升后，钢轨耐磨、抗疲劳性能均有不同程度提升，但在现场运用过程中，新的轮轨硬度匹配关系可能会延长轮轨磨合周期，进而出现早期疲劳损伤的问题，需要进一步开展钢轨选用、打磨及润滑等技术试验研究，主动调控轮轨型面匹配关系，充分发挥钢轨性能优势、延长钢轨使用寿命。

3.1　钢轨选用

前期实验室轮轨滚动接触疲劳试验结果表明，与U75VH钢轨相比，高性能钢轨磨耗降低34%、疲劳伤损的影响面积减小21%、疲劳损伤引起的安全风险更低。对现场分别铺设高性能钢轨和U75VH钢轨的2条半径780 m曲线钢轨磨耗情况进行跟踪测试，并计算相同周期内2条曲线钢轨磨耗与累计通过总质量的比值，得到钢轨磨耗速率，结果如图6所示。由图6可见：与U75VH钢轨相比，高性能钢轨垂直磨耗速率和侧面磨耗速率分别降低34%和60%，耐磨性能提升明显。

因此，从实验室试验及现场试验结果来看，在重载铁路小半径曲线选用高性能钢轨可获得更好的耐磨、抗疲劳效果，将有利于延长钢轨服役寿命。

3.2　钢轨打磨

通过钢轨打磨可有效优化钢轨廓形、改善轮轨关系、整治接触疲劳伤损，是提升钢轨服役性能的重要技术手段。针对现场调查发现的曲线上股高强钢轨易出现早期接触疲劳伤损的情况，重点以引导曲线上股钢轨迅速磨合、改善接触疲劳伤损为目标，设计钢轨打磨目标廓形：首先，通过改变曲线上股钢轨轨距角区域廓形，设计6种钢轨廓形方案；其次，将6种廓形设计方案输入重载车辆-曲线轨道耦合动力学模型中，进行脱轨系数、轮轴横向力、磨耗指数、疲劳指数等指标的仿真计算；最后，对比分析不同廓形设计方案对应的各指标计算结果的差异，选出综合性能最优的打磨目标廓形设计方案。结果表明，优选出的钢轨廓形相对其他设计方案安全性指标基本相当，磨耗指数降低50%以上、疲劳指数降低15%以上。利用优选出的钢轨打磨目标廓形设计方案指导钢轨打磨，打磨前后钢轨廓形如图7所示。由图7可见：曲线上股重点打磨钢轨轨距角区域，一方面可修理轨距角鱼鳞纹，另一方面通过廓形优化降低了该区域与车轮接触概率，改善轮轨接触几何状态、避免接触疲劳伤损，引导轮轨迅速磨合形成良好的匹配关系；曲线下股重点打磨钢轨两侧轨肩区域，恢复轨头廓形饱满度。

将打磨前后实测钢轨廓形输入至建立的重载车辆-曲线轨道耦合动力学模型中，分析钢轨打磨效果，钢轨磨耗指数和表面疲劳指数的计算结果如图8所示。由图8可知：钢轨打磨后，钢轨磨耗指数降低35%、表面疲劳指数降低15%，将有利于改善曲线钢轨磨耗及接触疲劳伤损情况。

现场试验段钢轨磨耗跟踪测试结果表明，钢轨打磨前，曲线缓圆点、曲中点和圆缓点处的钢轨磨耗速率分别为0.007 0，0.005 5和0.008 0 mm · Mt^-1；打磨后，曲线缓圆点、曲中点和圆缓点处的钢轨磨耗速率分别为0.004 5，0.003 0和0.004 0 mm · Mt^-1，磨耗速率平均降低44%，可见通过打磨改善轮轨关系后，钢轨磨耗有所改善。

打磨前、后曲线上股钢轨表面状态跟踪测试结果如图9所示。由图9可见：钢轨打磨后，消除了钢轨鱼鳞纹及剥离掉块伤损；钢轨打磨半年后及1年后，钢轨轨面仅出现了轻微鱼鳞纹，未出现剥离掉块伤损。由此可见，通过钢轨廓形优化及钢轨打磨调控曲线轮轨接触关系，钢轨接触疲劳伤损得到有效改善，有效避免了高性能钢轨早期接触疲劳损伤的发生。

3.3　钢轨润滑

钢轨润滑是通过在轮轨界面增加水、油、脂等第三介质，降低轮轨摩擦系数来减少钢轨磨耗。现场采用道旁式润滑设备对试验段曲线进行轮轨摩擦调控试验，介质为润滑脂。道旁式润滑设备布置于列车进曲线位置，当识别到车轮通过时，将润滑油脂推送到钢轨工作边，车轮滚过时润滑油脂附着到车轮轮缘，再随车轮向前滚动将润滑油脂携带到曲线其他位置，实现曲线钢轨工作边润滑油脂的涂覆。现场试验及轮轨摩擦系数测试结果表明，道旁式润滑的显著影响范围约为200 m，显著区域内油脂涂覆较为均匀、钢轨侧磨位置的摩擦系数可降至0.1左右，轨顶面未见润滑油脂、摩擦系数为0.3~0.5，可见道旁式润滑技术可有效调控钢轨工作边一侧轮轨摩擦关系，且不会对轨顶摩擦关系带来不利影响。

采取润滑措施的曲线和未润滑的曲线上股钢轨垂直磨耗和侧面磨耗对比情况如图10所示。由图10可见：2条曲线钢轨垂磨情况基本相当，润滑的曲线垂磨略大于未润滑的曲线，可见润滑未影响轨顶轮轨摩擦关系；2条曲线侧磨存在较为明显的差异，减磨效果较为明显的是曲线曲中点和圆缓点，减磨率分别达到56%与42%，5个曲线特征点平均减磨率约为46%。

3.4　钢轨服役寿命综合分析

综合分析实验室试验与现场试验段钢轨选用、打磨、润滑试验及钢轨磨耗、伤损跟踪测试结果：选用高性能钢轨后，钢轨垂直磨耗速率和侧面磨耗速率相对U75VH钢轨分别降低34%和60%，发生疲劳伤损的风险也相对更低；利用钢轨廓形优化及打磨调控轮轨关系后，曲线钢轨接触疲劳伤损得到有效消除，钢轨磨耗也有所降低，平均磨耗速率降低44%，轨面可长期处于较好的状态；应用道旁式润滑设备可有效改善曲线钢轨工作边一侧轮轨摩擦关系，摩擦系数降低至0.1左右，减磨率达到46%。由此可见，综合应用钢轨材质合理选用、钢轨打磨及润滑等养修策略，可优化轮轨材质、型面匹配关系及轮轨摩擦关系，降低钢轨磨耗、改善钢轨接触疲劳伤损。

调查试验段钢轨设备台账发现，相同区段前期铺设U75VH钢轨更换下道时的累计通过总质量约6亿t。高性能钢轨及配套养修技术应用后，钢轨表现出了优异的耐磨性能和抗疲劳性能，累计通过总质量达到4亿t时钢轨垂磨4 mm左右、侧磨不足1 mm；疲劳伤损总体数量较少、程度较轻，即使轨面出现疲劳伤损也可及时通过钢轨打磨消除，有效解决了制约曲线钢轨服役寿命的疲劳伤损问题。因此，主要按磨耗速率来推算钢轨服役寿命，依据TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》钢轨应在磨耗达到重伤（垂磨11 mm、侧磨19 mm）前及时更换，依据目前磨耗速率可推测钢轨下道时的累计通过质量将超过10亿t，相对U75VH钢轨寿命可延长67%，基本实现了半径800 m曲线钢轨与直线钢轨同寿命。

4 结论

（1）统计分析重载钢轨重伤数量、部位、类型等情况发现，轨头疲劳重伤是重载钢轨的主要伤损形式，占钢轨重伤数量的73%左右；曲线钢轨疲劳重伤为直线段钢轨疲劳重伤数量的2倍，曲线地段钢轨疲劳伤损是重载铁路钢轨运维关注的重点。

（2）通过建立的重载列车-曲线轨道耦合动力学模型分析半径800 m曲线轮轨接触特性及钢轨受力状态，发现重载铁路半径800 m曲线钢轨应满足抗拉强度1 250 MPa、硬度365 HB、-20℃断裂韧性35 MPa · m^1/2的性能要求。

（3）提出了C-Si-Mn-Cr加微量Cu和Ni的高性能钢轨微合金化成分体系及控制要求，明确了采用高风压、短热处理时间的在线热处理工艺及关键参数。试制出的高性能钢轨强度、硬度及断裂韧性指标均满足性能要求，相对U75VH钢轨，强度提高81 MPa、硬度提高40 HB、韧性基本相当，耐磨性提升34%，抗疲劳性能提升21%，获得了较好的性能提升效果。

（4）通过应用合理选用强韧性更好的高性能钢轨、科学优化钢轨廓形指导钢轨打磨、精准控制润滑等综合养修策略，可有效调控轮轨关系、降低钢轨磨耗、改善钢轨疲劳伤损情况，钢轨预期服役寿命将超过累计通过质量10亿t，相对U75VH钢轨寿命延长67%，可实现半径800 m曲线钢轨与直线钢轨同寿命。

参考文献

[1] 周清跃，张建峰，郭战伟，等.重载铁路钢轨的伤损预防对策研究［J］.中国铁道科学，2010，31（1）：27-31.

[2] ZHOU Qingyue， ZHANG Jianfeng， GUO Zhanwei， et al. Research on the Rail Damages and the Preventive Countermeasures in Heavy Haul Railways ［J］. China Railway Science， 2010， 31 （1）： 27-31. in Chinese

[3] ZHAI W M， GAO J M， LIU P F， et al. Reducing Rail Side Wear on Heavy-Haul Railway Curves Based on Wheel-Rail Dynamic Interaction ［J］. Vehicle System Dynamics， 2014， 52 （）： 440-454.

[4] KIMURA T， TAKEMASA M， HONJO M. Development of SP3 Rail with High Wear Resistance and Rolling Contact Fatigue Resistance for Heavy Haul Railways ［J］. JFE Technical Report， 2011 （16）： 32-37.

[5] 张银花，周清跃，陈朝阳，等. 1 300 MPa级在线热处理钢轨使用性能研究［J］.中国铁道科学，2008，29（6）：23-29.

[6] ZHANG Yinhua， ZHOU Qingyue， CHEN Zhaoyang， et al. Study on the Service Performance of 1 300 MPa Online Heat Treatment Rails ［J］. China Railway Science， 2008， 29 （6）： 23-29. in Chinese

[7] 刘丰收，周清跃，张银花，等. 重载铁路用U77MnCr钢轨的试验研究［J］. 铁道工程学报，2009（5）：16-20.

[8] LIU Fengshou， ZHOU Qingyue， ZHANG Yinhua， et al. Research on the Performances of U77MnCr Used for Heavy-Haul Railway ［J］. Journal of Railway Engineering Society， 2009 （5）： 16-20. in Chinese

[9] 张银花，周清跃，陈朝阳，等.重载铁路高强钢轨的试验研究［J］.中国铁道科学，2010，31（4）：20-26.

[10] ZHANG Yinhua， ZHOU Qingyue， CHEN Zhaoyang， et al. Test Study on the High Strength Rails of Heavy Haul Railway ［J］. China Railway Science， 2010， 31 （4）： 20-26. in Chinese

[11] 张银花，李闯，周清跃，等. 我国重载铁路用过共析钢轨的试验研究［J］. 中国铁道科学，2013，34（6）：1-7.

[12] ZHANG Yinhua， LI Chuang， ZHOU Qingyue， et al. Test Study on Hypereutectoid Rail for Heavy Haul Railway in China ［J］. China Railway Science， 2013， 34 （6）： 1-7. in Chinese

[13] 刘丰收，周清跃，张澎湃，等. 75N钢轨的试验研究［J］. 铁道工程学报，2014，31（11）：50-53.

[14] LIU Fengshou， ZHOU Qingyue， ZHANG Pengpai， et al. Experimental Research on the 75N Rail ［J］. Journal of Railway Engineering Society， 2014， 31 （11）： 50-53. in Chinese

[15] 田常海，张金，俞喆，等. 大秦铁路75 kg/m钢轨伤损变化及影响因素研究［J］. 铁道工程学报，2019，36（9）：1-5，22.

[16] TIAN Changhai， ZHANG Jin， YU Zhe， et al. Research on the Changes of 75 kg/m Rail Failures and Its Effect Factors in Datong-Qinhuangdao Railway ［J］. Journal of Railway Engineering Society， 2019， 36 （9）： 1-5， 22. in Chinese

[17] 张昕，赵鑫，彭峰，等. 重载曲线钢轨滚动接触疲劳时变规律及治理优化［J］. 铁道科学与工程学报，2024，21（8）：3153-3165.

[18] ZHANG Xin， ZHAO Xin， PENG Feng， et al. Evolution of Rail Rolling Contact Fatigue on Heavy-Haul Curves and Treatment Optimization ［J］. Journal of Railway Science and Engineering， 2024， 21 （8）： 3153-3165. in Chinese

[19] 杨光，刘丰收，李闯，等.轮轨接触关系对货运小半径曲线钢轨磨耗和疲劳伤损的影响［J］.中国铁道科学，2023，44（4）：187-194.

[20] YANG Guang， LIU Fengshou， LI Chuang， et al. Influence of Wheel-Rail Contact Relationship on Wear and Fatigue Defects of Rail in Small Radius Curve for Freight Railway ［J］. China Railway Science， 2023， 44 （4）： 187-194. in Chinese

[21] 田常海，张金，俞喆，等.普速铁路60 kg/m钢轨的换轨周期［J］.中国铁路，2020（9）：55-61.

[22] TIAN Changhai， ZHANG Jin， YU Zhe， et al. 60 kg/m Rail Replacement Cycle of Conventional Railway ［J］. China Railway， 2020 （9）： 55-61. in Chinese

[23] 田常海.重载铁路75 kg/m钢轨的换轨周期研究［J］.铁道标准设计，2019，63（8）：1-5.

[24] TIAN Changhai. Major Repair Cycles of 75 kg/m Rail in Heavy Haul Railways ［J］. Railway Standard Design， 2019， 63 （8）： 1-5. in Chinese

[25] 李英奇，张银花，刘佳朋，等. 重载铁路钢轨磨损与损伤行为试验研究［J］. 中国铁道科学，2022，43（6）：152-160.

[26] LI Yingqi， ZHANG Yinhua， LIU Jiapeng， et al. Experimental Study on Wear and Damage Behavior of Rail for Heavy Haul Railway ［J］. China Railway Science， 2022， 43 （6）： 152-160. in Chinese

[27] ZHANG R J， ZHENG C L， LV B， et al. Effect of Non-Uniform Microstructure on Rolling Contact Fatigue Performance of Bainitic Rail Steel ［J］. International Journal of Fatigue， 2022， 159： 106795.

[28] ZHAO X， XING Y H， ZHANG X， et al. Rail Rolling Contact Fatigue on a Chinese Heavy Haul Line： Observations， Monitoring and Simulations ［J］. Engineering Failure Analysis， 2025， 167： 109040.

基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2024G041)

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2025YJ209)