高速铁路钢轨擦伤原因及措施
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摘要：
沪昆高铁在运营过程中发现了多处钢轨擦伤，对全面排查发现的33处擦伤进行分析，发现钢轨是由施工建设过程中的工程车辆在长大坡道上造成的制动擦伤，经过一年多的列车运行，擦伤处会出现裂纹乃至掉块等病害，严重影响线路运行品质，更有甚者危及高铁行车安全。针对此情况探讨钢轨擦伤的预防及钢轨擦伤后的处理措施，以便类似情况可以借鉴。
关键词：
1概况
沪昆高铁浙江段于2009年开始建设，2013年10月开始铺轨，2014年11月开通运营，全线为一次性完成铺设的跨区间无缝线路，钢轨为武钢2012年产U71MG百米定尺轨。线路开通一年后，工务车间于2015月12月在钢轨外观检查过程中，发现钢轨顶面存在擦伤现象，经过全线排查一共发现了不同程度的擦伤33处。沪昆高铁是设计运营时速350km/h，后调整为时速300km/h的高速铁路，而钢轨出现大量擦伤现象将直接影响到高铁的线路质量及运营安全。所以摆在面前的是要找到造成钢轨擦伤的原因，并及时采取处置措施，确保高铁运营万无一失。
2钢轨擦伤原因分析
沪昆高铁开通一年多，怎么会出现这么多的擦伤呢？这些擦伤又是怎样产生的呢？下面从擦伤发生的时间、擦伤类型、线路特征、钢轨材质等方面进行分析：
2.1擦伤发生时间分析
沪昆高铁开通后，在运营过程中，除了动车组、钢轨探伤车、打磨列车和维修轨道车外，从未有其它列车在线路上运营。期间，也陆续接到动车组紧急制动的报告，在接到紧急制动的报告后，工务段按规定对发生紧急制动地点前后一公里线路钢轨进行重点检查。据统计，2016年，沪昆高铁上海局管内一年发生动车组紧急制动共25次。经检查，都未造成钢轨擦伤。钢轨探伤车、打磨列车和维修轨道车在运行和作业过程中，未出现打飞轮或紧急制动照成钢轨擦伤，从而排除了开通运营后钢轨擦伤的可能性。即钢轨擦伤发生在开通运行之前。
2.2擦伤类型分析
轮轨擦伤的主要类型可以分为两种，一是长大坡道制动擦伤，其形状通常呈连续的长条形，擦伤深度不定，可以发生在一股或两股钢轨上；二是列车启动时轮对空转造成的擦伤其形状多为椭圆形，也有呈长条形，一般擦伤深度较深，可达0.5mm~2mm，长度为20mm~100mm，宽度为30mm~50mm，通常左右股成对出现。根据现场33处轮轨擦伤的情况看，基本上都是呈连续的长条形（如图1），发生在单双股、深浅都有，且其擦伤点分布具有一定规律，根据沪昆高铁上行K224+178处擦伤情况，绘制其擦伤位置分布示意图（如图2）。以DF4D机车为例，其轮对间距为1.8m，且其他东风系列机车轮对间距基本相同。据此分析其擦伤位置间距与东风内燃机车轮对间距基本吻合，即可以确定现场擦伤多为东风内燃机车造成的制动擦伤。
2.3擦伤地段线路特征分析
钢轨发生擦伤的地点并不是偶然的，也存在一定的规律，对照所发现的33处钢轨擦伤地点的平纵断面特点进行分析。如表1、图3、图4。由上可知，钢轨擦伤多发生在长大坡道上。因为，建设初期工程列车运输组织多为单线正反运行，空出另一线施工，所以长大坡道上下坡都会出现制动擦伤。而钢轨擦伤多为左右股同时对称出现在曲线上居多。
2.4擦伤钢轨材质原因分析
沪昆高铁浙江段所采用的钢轨为U71MnG强度等级为880MPa，其布氏硬度在260HB-300HB。该钢轨中含碳量较低，采用Mn元素来提高强度，有较好的韧、塑性，焊接性优良。而建设过程中在线路上运行的机车多为东风系列机车，轮对硬度参数：265HB-320HB间，轮与轨硬度比在1.05～1.15之间,即轮比轨硬度大。现在所发现的所有擦伤，从其本质都是轮轨接触面相对摩擦产生高温，导致轨头顶面金属组织产生相变，由珠光体组织转变成硬而脆的马氏体组织，简称“白层”（如图5）。它们有两个主要特性：一是硬度远远大于钢轨母材的硬度，根据现场测量其布氏硬度值达600HB~700HB，而正常钢轨母材在260HB-300HB间；二是仔细观察会发现它的颜色跟钢轨母材颜色有区别，更白更亮，固得名白亮层。鉴于以上原因分析，可以知道，高铁钢轨擦伤一般发生在建设初期，由建设过程中的工程列车（多为东风内燃机车）造成的制动擦伤，而非在高铁建成运营后动车制动造成的。钢轨擦伤发生地段长大坡道的概率远远大于平坡，且多为左右股对称出现，曲线上多于直线。钢轨擦伤发生后，一般情况下难于被发现。未及时发现和处理的钢轨擦伤，开通运营后白亮层更明显，而运营一年到一年半后白亮层上会出现横向裂纹，最终会出现轨面上剥离掉块（如图6），严重影响线路的平顺性，并危及行车安全，必须及时处理。
3钢轨擦伤预防及处理措施
根据高速铁路钢轨擦伤的原因来看，首先要重视预防，特别是在建设过程中怎么预防工程车辆运行给钢轨造成的伤害是我们急需解决的问题。钢轨擦伤一旦出现，只能通过换轨或打磨（铣磨）的处理方式来解决。
3.1钢轨擦伤的预防
由于机车启动和制动擦伤多数发生在高铁建设过程中，监理和路局工务提前介入人员应对铺轨过程，或验收中仔细检查钢轨轨面情况，重点检查长大坡道上钢轨是否出现擦伤或出现白亮层，可以通过钢轨顶面布氏硬度测量来确定是否擦伤。一经发现，应尽快在建设过程中尽早处理，否则将其遗留到开通运营后再处理将增加难度，并威胁行车安全。高铁建设过程中应建立工程列车调度指挥机制，合理组织运输，减少钢轨擦伤的发生，并建立工程列车紧急制动及列车轮对空转台账，便于准确找到钢轨擦伤地点，尽早采取措施。
3.2换轨焊接处理
钢轨擦伤达到重伤或无法通过打磨处理的情况下，只能通过钢轨更换处理。首先是在建设初期就发现钢轨擦伤时，应根据擦伤情况制定具体的更换方案。但应遵循区间不得使用铝热焊且要尽可能减少焊缝，尽量避免焊缝相错的现象发生。其次是在运营之后，再发现严重擦伤，根据擦伤分布情况，若单一处采用插入不少于20m短轨用铝热焊焊接；若是多处集中擦伤可采用长轨更换，减少插入焊缝数量。
3.3打磨处理
钢轨擦伤较轻的可以通过打磨处理，其中打磨可分为人工打磨和大机打磨。对于个别出现的轻微擦伤可以通过人工小机打磨，打磨时应兼顾钢轨原有廓形，打磨时前后应顺接好。人工打磨可以采用廓形卡尺（如图7）对钢轨廓形进行控制。对于区间内多处出现的轻微擦伤可采用大机进行打磨，打磨前对钢轨进行全面调查，包括钢轨光带及廓形情况等。根据调查情况，制定专项打磨技术方案及设计廓形（如图8）。一般大机打磨能处理深度0.5mm左右的钢轨擦伤。
4结束语
高速铁路钢轨擦伤现象并非只在沪昆高铁出现，在已建成的高铁多有发生，且有多次因钢轨擦伤严重而更换钢轨。高速铁路钢轨擦伤严重影响轨道的平顺性、列车运行的稳定性及旅客乘车的舒适性，同时经过长时间运行碾压会引起钢轨的剥离掉块或横向疲劳裂纹，导致钢轨折断，严重威胁行车安全。而钢轨擦伤后，在无法通过打磨处理的情况下，只能更换钢轨，存在施工风险及成本浪费。希望通过本文引起大家对钢轨擦伤的重视，能更好地帮助大家预防和处理高速铁路钢轨擦伤。
参考文献
[1]徐伟昌.高速铁路无砟轨道运营初期钢轨伤损分析及对策措施，上海铁道科技，2014年第3期.
[2]魏堂建.客运专线钢轨擦伤原因分析，铁道科学与工程学报，2015年，第12卷第3期.
作者:宁国平 单位:上海铁路局杭州工务段
