城市轨道交通钢轨寿命的探讨

摘要： 影响城市轨道交通中的钢轨使用寿命因素很多，如行车密度、轴重、钢轨材质、车辆类型及运营速度，也有相关专业的影响，如供电、信号等，还有波磨、冶炼工艺等等。钢轨的使用寿命直接影响轨道交通的正常运营，本文分析了可能引起钢轨使用寿命的因素，针对这些因素展开探讨。

关键词：城市轨道交通；钢轨；寿命

Abstract: many factors influence the service life of the rail in urban rail transit, such as train operation density, axle load, the rail material, vehicle types and operating speed, and also have relevant professional influence, such as power supply, signal, and wave grinding, smelting process and so on. Rail service life directly affect the normal operation of the rail transit, this paper analyzes the factors may cause the service life of the rail, the study on these factors.

Key words: urban rail transit; Rail; life

中图分类号：U213.42文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

城市轨道交通中钢轨出现的问题

近年来，城市轨道交通通过提高列车行车速度、缩短发车间隔、改善车辆承载能力等措施，不断满足日益增加的客流需求，同时也加剧了对车辆和轨道结构的破坏作用，减少了钢轨的使用寿命，增加了养护维修成本。在荷载及温度作用下，钢轨将发生压缩、伸长、弯曲、扭转、压溃、磨耗、裂纹等各种复杂的变形。另外，冶炼过程中的缺陷以及运输、使用过程中的不良条件也会导致钢轨的伤损。

总之，影响钢轨寿命的原因比较多，下面进行了一些分析。

影响钢轨寿命的原因分析

城市轨道交通近年来大力发展，钢轨的安全和运营也越来越被重视。由于运营条件有所不同，不能完全生搬硬抄国有铁路的使用，因为钢轨的使用寿命不仅与钢轨的材质、工艺、性能有关，而且与钢轨的合理使用和科学维护相辅相成。

1） 材质

城市轨道交通中使用较多钢轨的有60kg/m的U71Mn热轧轨和U75V热轧轨。U75V热轧轨比U71Mn热轧轨性能有所改善，抗拉强度980Mpa，提高了100，布氏硬度≥280HB，提高约20 HB，根据相关研究，钢轨与车轮的硬度比为1.1～1.2为宜，最新的轨道交通车轮的硬度为255HB，所以，根据轮轨匹配合理情况，采用与车轮相配备的U75V热轧轨，可以增加钢轨的使用寿命。

2） 钢轨波磨和侧磨

钢轨侧磨（见图1）主要发生在小半径曲线上，在己运营的部分轨道交通快线中，小半径曲线线的轮轨侧磨主要有以下2个特点：

1）折返道岔导曲线及岔后附带曲线，出入段线钢轨侧磨较严重，曲线半径在200一250 m之间，侧磨速度较快，己超出正常水平，而正线最小曲线半径为350 m，侧磨处于正常水平。

2) 车辆轮缘磨耗较严重，有偏磨问题。经车辆相关部门统计，轮缘磨耗最大值达7 mm，仅差2 mm到极限。此外，轮对两侧轮缘磨耗呈不对称特征，右侧车轮磨耗5～6mm，左侧车轮磨耗量2～3 mm，车轮磨耗右侧是左侧的2倍左右。

钢轨波磨作为城市轨道交通钢轨伤损的主要形式之一，早已引起了发达国家轨道交通工务部门的重视。美国、加拿大、法国、意大利和日本等国先后对所在地区的轨道交通线路上的波磨进行了大范围的观测与统计，总结出了轨道交通钢轨波磨的一些特征。城市轨道交通钢轨波磨在曲线下股和直线的左右股均有可能产生；波磨钢轨波峰光滑，波谷有密集的裂纹，部分地段波峰、波谷的裂纹相连。钢轨波磨的波长介于50～350 mm 范围之内，波深最大值可超过1mm。

钢轨波磨会导致列车噪声与振动增加、轨道扣件松脱等现象。这些异常钢轨波磨的出现与运行线路的运量增长快、行车密度大、城区线路S弯多有着密切的关系，也与地铁减振设计理念、减振轨道新品的性能质量及使用验收规则有关，与轨道、车辆的养护维修能力及规范有关，还与轨道工程施工验收质量、轮轨材质质量及匹配有很大关系。

波形磨耗（简称波磨）是普遍存在的钢轨伤损形式。地铁波磨危害很大，不仅振动及噪声污染增加，而且造成轮轨寿命缩短。全国各地的地铁均有钢轨波磨问题，据了解，出现波磨的地段主要是铺设克隆蛋扣件的道床，初步分析由于钢轨下垫板刚度过低导致，现在已经全面整治波磨问题。

3） 冶炼工艺

小半径曲线上钢轨磨耗非常严重，国内外的铺设实践证明，在小半径曲线使用1200～1300Mpa强度级别的全长热处理钢轨，钢轨寿命可以提高2～5倍。使用热处理钢轨是延长钢轨在小半径区间上使用寿命的主要途径。

4） 线路条件

曲线半径的大小直接影响钢轨使用寿命的长短，即曲线半径越小，钢轨磨耗越严重，通过理论计算发现，车辆蠕滑导向的最小曲线半径为900～1300m。轨道交通线路曲线地段一般占全线的1/3左右，曲线在800m一下的地段站大部分，在困难地段还有250m，300m的小半径曲线。

5） 供电回流影响

地铁车辆在行驶过程中，车辆会产生一部分电流，通过车辆导入钢轨中，均流电流和回流电流会在钢轨中聚集，如果回流电缆不能连通，电流过大，会灼伤钢轨，引起钢轨受损。深圳地铁3号线就出现过钢轨回流过大，出现灼伤钢轨和烧坏信号机的问题。主要原因是正线钢轨回来电流没有焊接完整导致钢轨中的电流无法回流所致。

6） 轨底坡的影响

1/40的轨底坡在直线应用比较合适，有些时间由于施工的误差导致1/40的轨底坡不能完全实现，出现钢轨侧磨现象。另外，在曲线地段由于超高的作用，车轮的踏面与钢轨顶面未全面接触，易形成钢轨磨耗。

7） 超高设置的影响

曲线地段超高设置偏大，超高在向心力作用下撞击磨擦下股钢轨；超高设置偏小，车轮在离心力作用下撞击磨擦上股钢轨。超高设置偏大、偏小均对钢轨产生侧磨。

提高钢轨寿命的措施

综上所述，影响钢轨寿命因素较多。单一消除钢轨病害方法，是不能改善钢轨的寿命，必须从整个轮轨系统的相互关系出发，结合车辆、轨道结构、线路条件、车辆运行条件等因素分析并治理，从而有效地延长钢轨的使用寿命。

1） 从轨道交通设计角度来讲，采用轮轨匹配的车辆和钢轨，设计线路更加合理，正确选择钢轨涂油漆减少钢轨磨耗，设计中要与接口专业如供电、信号等专业协调一致，减少各专业后期对钢轨的影响。另外，合理选用超高值，轨底坡选用要与车辆配套等等。

2） 从施工的角度讲，要严把轨道施工质量关，确保施工质量。轨底坡施工不到位，将出现车轮与轨面不相配，车轮就会在行驶过程中对钢轨产生磨损，影响钢轨的使用寿命。

另外，要加强钢轨损的检测与处理。目前，大部分城市轨道交通探伤仍然采用半人工检测轨道的伤损状态。即使有探伤车也基本很难快速的探测出钢轨的伤损。而静态检测的结果并不能动态地反映出列车通过线路时的真实状态。再加上地铁空间狭窄，在一定程度上给检测工作带来了困难，影响了对钢轨伤损程度的判断。因此，迫切需要引进先进的探伤车，提高检测的工作效率和准确性。增强了检测技术之后，就可以根据更加精确的检测结果，在曲线段等钢轨磨耗率高的地方涂油进行;对钢轨表面存在的微小裂纹进行打磨，以有效消除、控制裂纹及钢轨表面缺陷的进一步发展。在潮湿地段要做好钢轨的防锈、除锈和养护工作。

除监测监管措施外，对伤损钢轨有针对性地开展整治修复工作。通过改善线路状况尽量减少钢轨伤损出现，对已形成伤损的钢轨减缓其发展，对已发展至一定程度的钢轨及时加固或更换，从而消除线路隐患，延长钢轨的使用寿命。加强无缝线路钢轨焊接接头处的维修养护，对碎石道床加强捣固，保持焊头处道床饱满密实。对异常爬行的轨条及时进行应力放散，减少钢轨内部应力集中现象，改善钢轨受力状况;对钢轨硬弯进行矫直，对个别有轻微高焊头及支嘴现象的焊头打磨顺直，消除轨面不平顺，减小列车冲击荷载影响，防止其发展为内部伤损，对低塌焊头进行焊补及打磨等等措施。

3） 从运营的角度来讲，预防性打磨和定期钢轨打磨，能去除断面偏差、减少波磨。加强线路检查，做好线路问题记录，及时发现问题，及时处理。

结论及建议

综合分析影响轨道交通中钢轨寿命因素是多方面的，要提高钢轨寿命，不仅要从设计角度，从选线、钢轨的选型、超高和减振段的合理设置等出发；还要从施工，养护维修，提高各种工艺等综合考虑。综合治理才能达到更好的治理效果。建议以后在以下方面进一步做深入的研究和探讨：

1）城市轨道交通各种轴重下，钢轨的技术体系和标准的研究，包括使用条件、地段、钢轨的材质、平直度等具体的参数制定；

2）小半径曲线地段采用热处理钢轨；

3）曲线钢轨涂油。曲线外侧钢轨涂油可有效减缓钢轨的侧磨，提高钢轨寿命。但因合理确定涂油周期及涂油量。

4）提高焊接质量的技术研究。目前，钢轨焊接完后对焊头进行热处理的方式是火焰加热，稳定不宜控制，导致热处理质量不稳定。今后考虑研究在铺轨基地采用电感应加热焊后热处理装置，这样焊头的质量能很好的控制。

5）加强曲线的日常维修，保持曲线的圆顺，减少车轮对钢轨的冲击力。

参考文献：【1】《城轨交通轨道部件磨耗分析及对策》—杨其振，于春华

【2】《城市轨道交通线路钢轨全寿命养护策略研究》—周宇，许玉德

【3】《广州地铁线路钢轨打磨应用技术》—刘林武，李建国

【4】《城市轨道交通钢轨选用的探讨》—陈鹏

【5】《小曲线半径钢轨磨耗研究》—胡国喜