我國鐵路鋼軌型面優化研究

周清躍，劉豐收，俞喆，張金，田常海，張銀花

（中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京，100081）

摘 要：針對我國鐵路輪軌匹配存在的問題，研發了鋼軌打磨設計廓形60D和新軌頭廓形鋼軌60N。優化後的軌頭廓形與LM、S1002CN和LMA型面車輪接觸時的光帶基本居中，輪軌接觸應力顯著降低，可有效抑制車輪踏面凹磨後等效錐度的增大，提高車輛運行穩定性。高速鐵路按廓形60D打磨到位，鋼軌打磨周期可延長至4～5年，且不易出現動車組構架報警和車體晃車。60N鋼軌在普速鐵路上的鋪設使用結果表明，在直線上運行輪軌接觸光帶居中，在曲線上運行可有效避免或抑制鋼軌使用初期軌距角剝離掉塊及疲勞核傷；在高速鐵路試驗段的鋪設使用結果表明，采用1遍預打磨後鋼軌服役近5年，光帶保持在30 mm左右，從未出現動車組構架報警和車體晃車，可有效改善輪軌匹配關系，大幅降低輪軌維修養護成本。建議加快新軌頭廓形鋼軌系列化，以盡快在我國鐵路形成統一的鋼軌軌頭廓形。

關鍵詞：鋼軌；軌頭廓形優化；打磨廓形設計；60N鋼軌

我國鐵路的運營實踐表明：普速鐵路輪軌關系存在輪軌接觸點不在理想區域[1]導緻鋼軌過早出現軌距角剝離掉塊、軌頭核傷等疲勞傷損的問題。高速鐵路運營初期，輪軌型面不匹配導緻動車組構架橫向加速度報警、車體抖車和晃車等問題。通過輪軌型面優化來改善輪軌關系已成為我國鐵路輪軌關系研究需要解決的重要問題。全面介紹我國鐵路鋼軌型面優化方面的研究及應用情況[1-10]，并提出我國鋼軌型面發展的相關建議。

（1）适應我國鐵路1/40軌底坡、1 353 mm輪背内側距的工況要求。日本、法國和德國高速鐵路的軌底坡分别為1/40、1/20和1/40，輪背内側距均為1 360 mm。由于軌底坡和輪背内側距直接影響輪軌接觸關系，在軌頭廓形優化時要首先考慮我國鐵路的實際情況。

（2）輪軌接觸達到理想狀态：在直線上運行時，輪軌接觸在軌頭踏面中心區域；當輪緣貼靠鋼軌時，形成共形接觸。

（3）研發一種軌頭廓形，适應我國鐵路服役使用的多種型面車輪。從理論上講，針對我國鐵路運行的4種型面車輪（LMA、S1002CN、XP55和LM）對應設計4種軌頭廓形鋼軌，可以實現比較理想的輪軌匹配；但從可操作性上講，具有不同車輪型面的車輛均有可能在同一線路上運行，設計1種鋼軌軌頭廓形适應4種不同車輪型面最為有利。因此，軌頭廓形優化的總目标是設計研發1種新軌頭廓形鋼軌，在與普通鐵路用LM型面車輪匹配時，做到顯著減少軌距角剝離掉塊、軌頭核傷等傷損；在與高速鐵路動車組車輪匹配時，特别是與S1002CN車輪型面匹配時，輪軌接觸具有合适的等效錐度，以顯著改善車輛動力學性能，減少動車組構架橫向失穩，延長車輪镟修和鋼軌打磨周期。從輪軌匹配的幾何關系可知，為使設計的1種鋼軌軌頭廓形滿足與4種不同車輪型面理想匹配的需要，軌頭廓形優化時要重點考慮錐度較大車輪型面的适應性。 

（4）新軌頭廓形鋼軌系列化。新軌頭廓形優化取得成功後，在其他軌型上推廣使用，最終在我國鐵路形成統一的鋼軌軌頭廓形。這樣便于車輪踏面的進一步優化，以徹底改善我國鐵路的輪軌匹配關系。

（1）通過大型養路機械（簡稱大機）打磨形成新的軌頭廓形，解決已上道鋼軌的軌頭廓形優化問題。為此研究提出打磨設計廓形。打磨廓形的設計目标是在最大限度改善輪軌匹配關系的基礎上，使鋼軌打磨量最少。因此，打磨設計廓形優化重點是發生輪軌接觸的軌頭頂面和軌距角側部位。

（2）直接通過鋼廠軋制生産出新軌頭廓形鋼軌。在按照對稱斷面設計新軌頭廓形鋼軌時，盡量少改動原有鋼軌幾何尺寸，尤其要保證軌冠以外的幾何尺寸不變，便于鋼軌的鋪設和更換，減少對鋼軌焊接、養護和維修的影響。

為了實現上述目标，在長期跟蹤我國鐵路鋼軌軌頭廓形随線路通過總質量變化規律的基礎上，借鑒國外成功經驗并結合我國高速鐵路動車組構架報警、車體抖車和晃車事件的處理經驗，通過動力學輪軌接觸理論，設計了鋼軌打磨廓形60D和新軌頭廓形鋼軌60N（見圖1、圖2）。

圖1 鋼軌打磨設計廓形60D（虛線所示）

圖2 60N軌頭廓形

文獻[1]和文獻[9]對我國運行的LMA、S1002CN和XP55車輪型面，與60 kg/m鋼軌（簡稱60鋼軌）标準廓形、打磨設計廓形60D和新軌頭廓形60N新輪新軌狀态下的幾何接觸關系及動力學性能進行計算分析，得出如下結論：

（1）60N、60D的接觸位置比較居中，60D等效錐度、接觸角差系數最小，側滾角和重力剛度等指标差别不大。其中，60N鋼軌與S1002CN和LM型面的等效錐度分别為0.118和0.097；60鋼軌與S1002CN、LM和XP55型面的等效錐度分别為0.168、0.089和0.055。新輪和新軌匹配時的等效錐度均不大。

（2）針對直線和曲線等不同工況條件下，同一類型車輪與不同軌頭廓形鋼軌匹配時的動力學參數差别不大，所有值均在國家标準規定安全限值以内。

文獻[9]選取4組服役磨耗後車輪型面與3種鋼軌型面（60、60D、60N）對輪軌匹配關系進行計算分析，其中2組磨耗車輪型面為京滬高鐵實測車輪磨耗型面，在踏面處的垂直磨耗量約為0.25 mm和0.60 mm。另外2組車輪來自武廣高鐵實測車輪磨耗型面，在踏面處的垂直磨耗量約為0.40 mm和0.50 mm，4組服役磨耗後車輪型面具有一定代表性。對上述12種匹配組合進行非線性接觸幾何關系、車輛動力學響應的計算分析，得出如下結論：

（1）綜合比較4種磨耗後的車輪與3種軌頭廓形相匹配時的輪軌非線性接觸幾何關系計算結果可知，60N鋼軌與4種磨耗後車輪踏面相匹配時，輪軌接觸點集中度最高，輪對橫移量在-10～10 mm範圍内變化時，接觸點基本分布在軌頂踏面中心，輪軌接觸等效錐度最低，可有效抑制車輪踏面凹磨後等效錐度的增大，從而抑制動車組出現蛇形失穩，提高車輛運行穩定性。與文獻[1]仿真計算結果一緻。

（2）綜合4種磨耗後車輪與3種軌頭廓形相匹配時，從脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力、輪軌垂向力、構架橫向加速度、車體橫向加速度、磨耗指數等主要動力學指标的對比分析結果可知，4種磨耗車輪廓形與60N鋼軌廓形相匹配時的車輛動力學性能最優。

3.1.1 聯調聯試期間構架橫向加速度超限

若聯調聯試時采用的綜合檢測車車輪踏面未出現明顯凹磨，即使鋼軌未預打磨，一般也檢測不到構架橫向加速度超限。但若綜合檢測車已運行15萬km以上、車輪出現明顯凹磨，鋼軌未打磨或未按設計廓形打磨到位，則在聯調聯試期間就會檢測到構架橫向加速度超限，導緻動車組動力學響應測試不合格。

（1）武九客專聯調聯試期間構架橫向加速度超限。2017年7月25日，武九客專聯調聯試期間，在250～275 km/h速度級上、下行線路多個區段出現構架橫向加速度超限。經查可知，所用CRH380AJ-0203綜合檢測車已運行17萬km，且鋼軌未進行預打磨。按中國鐵道科學研究院（簡稱鐵科院）設計廓形對鋼軌進行打磨後，構架橫向加速度數值由未打磨的大于8 m/s2降低至小于3 m/s2（見圖3）。構架橫向加速度評判标準：采用0.5～10.0 Hz濾波處理，峰值連續振動6次以上且大于等于8 m/s2為不合格。這一例子說明通過預打磨優化軌頭廓形适應動車組輪軌關系的重要性。

圖3 武九客專上行線鋼軌打磨前後構架橫向加速度最大值對比

（2）滬昆高鐵聯調聯試期間構架橫向加速度超限。2015年4月，滬昆高鐵聯調聯試期間，CRH380AJ-0202綜合檢測車檢測出構架橫向加速度報警，典型散點圖見圖4。經查可知，所用綜合檢測車已運行19萬km，車輪最大凹磨達1.5 mm；另外鋼軌未按設計廓形打磨到位，與設計廓形相比，軌頭R80 mm部位出現欠打磨，誤差大于0.2 mm（見圖5）。重新按設計廓形打磨到位後，構架橫向加速度超限消除。等效錐度計算結果表明：在車輪踏面出現1.5 mm凹磨的情況下，鋼軌打磨未到位，其等效錐度達到0.80，打磨到位後等效錐度下降到0.23，之後綜合檢測車未出現橫向加速度報警。該案例說明嚴格按設計廓形打磨到位的重要性。

圖4 構架橫向加速度随裡程分布散點圖

圖5 滬昆高鐵鋼軌打磨未到位示意圖

自2014年以來，高速鐵路鋼軌預打磨均采用鐵科院設計廓形，取得了良好效果。

3.1.2 線路開通運行後構架橫向加速度超限

（1）武廣高鐵動車組構架橫向加速度報警。2010年2月，武廣高鐵下行汩羅東—長沙南間發生動車組構架橫向加速度超限報警甚至停車，在中國鐵路總公司運輸局組織下，鐵科院項目組提出通過鋼軌打磨改善輪軌匹配關系的思路，設計了鋼軌打磨廓形，按設計廓形進行鋼軌打磨，打磨後動車組構架橫向加速度最大值由打磨前的8 m/s2以上下降到5 m/s2以下；鋼軌光帶寬度由打磨前55 mm左右、位置偏向軌距角側，變為光帶寬度22 mm左右、位置基本居中，成功治理了武廣高鐵動車組構架橫向加速度超限報警[3-6]。

（2）其他線路構架橫向加速度超限和車體晃車。2010—2015年，部分鐵路局相關人員對輪軌匹配關系認識不足，軌距角側鋼軌欠打磨，導緻動車組運行一定時間後等效錐度過大，相繼出現了武廣、哈大、京滬等高鐵動車組構架橫向加速度報警；之後，在中國鐵路總公司運輸局組織下，按設計廓形進行打磨修複，軌頭廓形滿足設計廓形要求後，動車組構架橫向加速度報警現象消失[3-6]。2014年底，在總結我國高鐵鋼軌打磨技術的基礎上，鐵科院起草了《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》，并由中國鐵路總公司頒布執行（鐵總運〔2014〕357号），2015年後全路基本未出現構架橫向加速度報警，得到徹底治理。

2015年以後，部分鐵路局在打磨過程中出現軌距角側打磨過量或非軌距角側打磨不足現象，導緻等效錐度過小（小于0.06），合武、秦沈、海南東環、滬昆、滬杭、衡柳等線路先後發生了動車組車體晃車，鐵科院項目組對上述動車組車體晃車區段進行鋼軌打磨整治，按設計廓形進行打磨修複，消除了動車組車體晃車。

實踐證明，隻要按照鐵科院設計廓形打磨到位，既不會出現構架橫向加速度超限報警，也不會出現車體晃車，鋼軌預防性打磨周期可延長至4～5年。

為了簡化鋼軌打磨工藝、減少金屬磨削量，進一步改善輪軌匹配關系，2011年鐵科院項目組與相關廠家合作，研發了新軌頭廓形鋼軌60N[1,7]，并在普速和高速鐵路鋪設上道進行使用考核。

2015年9月，中國鐵路總公司頒布鐵總科技〔2015〕248号文，決定實施由鐵科院項目組起草制定的TJ/GW142—2015《60N、75N鋼軌暫行技術條件》；2017年7月，将新軌頭廓形鋼軌納入鐵道行業标準《鋼軌 第1部分：43～75 kg/m鋼軌》；2016年起決定在我國高速鐵路全面推廣使用60N鋼軌。

3.2.1 既有線鋪設使用效果

2011年11月，首次在滬昆高鐵上行K1825—K1828鋪設60N U71Mnk鋼軌；2012年以後，先後在成都、昆明和蘭州等鐵路局推廣使用60N鋼軌。60N和60鋼軌在鋪設使用初期軌頭廓形和軌面狀态見圖6、圖7（其中藍線為原始原形，紅線為使用後廓形）。

60N鋼軌使用結果表明：

（1）在直線線路上鋪設的60N鋼軌輪軌接觸光帶基本居中；由于鋼軌軌距角不與車輪踏面接觸，軌距角不會出現飛邊和剝離掉塊傷損。

（2）在曲線線路上鋪設60N鋼軌，既可避免在鋼軌使用初期出現軌距角剝離掉塊，又可顯著抑制輪軌長期接觸後出現的軌距角剝離掉塊和核傷。

（3）由于顯著改善輪軌接觸關系，可省去鋼軌預打磨，有利于降低鋼軌打磨工作量和難度。

綜上所述，鋪設使用60N鋼軌顯著減少了鋼軌的剝離掉塊和核傷疲勞問題，達到了軌頭廓形優化的預期目标。截至目前，已在我國普速鐵路鋪設使用1萬km以上60N鋼軌，受到用戶的普遍歡迎和認可。

圖6 60鋼軌鋪設使用初期廓形和軌面狀态（R 600 m曲線上股）

圖7 60N鋼軌鋪設使用初期廓形和軌面狀态（R600 m曲線上股）

3.2.2 高速鐵路鋪設使用效果

2011年8月，在京石高鐵下行K59+616—K74+616區間鋪設了15 km百米定尺60N U71Mnk鋼軌。2012年9月，采用GMC96-B型鋼軌打磨車對60N鋼軌進行預打磨，其中下行K59+616—K65+616間打磨1遍；期間鐵科院項目組多次對軌頭廓形變化情況進行跟蹤觀測，2017年6月的跟蹤觀測結果見圖8。結果表明，京石高鐵運營4年7個月以來，60N鋼軌軌頭廓形與60N鋼軌标準廓形基本相同；預打磨1遍的鋼軌光帶寬度約為30 mm，且基本居中。

跟蹤測試後的計算結果表明：與鋪設60鋼軌相比，60N鋼軌減少鋼軌打磨量約為48%，可見在高速鐵路鋪設使用60N鋼軌不僅可大幅減少鋼軌預打磨工作量，更為重要的是降低了通過鋼軌預打磨獲得所需軌頭廓形的難度。鋼軌預打磨後，運行近5年，光帶寬度30 mm左右，且從未出現動車組構架橫向加速度報警、車體抖車或晃車。鋪設使用60N鋼軌顯著改善了高速鐵路輪軌匹配關系，減少了輪軌維修養護成本。

目前，60N鋼軌已先後在呼張、寶蘭、西成、石濟等高鐵上鋪設使用，并将在我國高鐵線路全面推廣應用。

我國鐵路主要鋼軌軌型有50 kg/m、60 kg/m和75 kg/m；道岔用非對稱斷面鋼軌軌型有50AT1、60AT1、60AT2、60AT3和60TY1。其中大秦重載鐵路已全部采用75N鋼軌[11]，50N鋼軌正在研發中，60N廓形高速鐵路道岔已于2016年下半年在京沈高鐵鋪設上道即将開始使用考核[12]，新軌頭廓形系列化工作正在穩步進行中。

圖8 京石高鐵下行K64+800鋼軌2017年6月的廓形及光帶情況

（1）針對我國鐵路輪軌匹配存在的問題，研發了鋼軌打磨設計廓形和新軌頭廓形鋼軌60N，以适應我國鐵路1/40軌底坡、1 353 mm輪背内側距、與多種車輪型面匹配達到理想狀态的需求。

（2）仿真計算結果表明：優化後的軌頭廓形與LM、S1002G和LMA型面車輪接觸時的接觸點基本在軌頭踏面中心區域；輪軌接觸應力顯著降低；可有效抑制車輪踏面凹磨後等效錐度的增大，從而抑制動車組出現蛇形失穩，提高車輛運行的穩定性。

（3）按鐵科院設計廓形打磨到位，鋼軌打磨周期可延長至4～5年，且不易出現動車組構架橫向加速度報警和車體晃車。

（4）60N鋼軌在普速鐵路上的鋪設使用結果表明，在直線上運行輪軌接觸光帶居中，可避免在軌距角部位出現肥邊和剝離掉塊，在曲線上運行可有效避免或抑制軌距角剝離掉塊及疲勞核傷；在高速鐵路試驗段的鋪設使用結果表明，采用1遍預打磨後運行近5年，鋼軌光帶保持在30 mm左右，從未出現動車組構架報警和車體晃車，可有效改善輪軌匹配關系，大幅減少輪軌維修養護成本。

建議加快新軌頭廓形鋼軌系列化，盡快在我國鐵路形成統一的鋼軌軌頭廓形。

參考文獻

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[2]周清躍，俞喆，張銀花，等．高速鐵路無砟軌道維修技術的深化研究：鋼軌廓形優化技術研究[R]．北京：中國鐵道科學研究院，2014．

[3]周清躍，田常海，俞喆，等．CRH3型動車組轉向架橫向加速度報警成因及處理措施研究：工務部分[R]．北京：中國鐵道科學研究院，2015．

[4]周清躍，劉豐收，田常海，等．高速鐵路輪軌形面匹配的研究[J]．中國鐵路，2012(9)：33-36．

[5]周清躍，田常海，張銀花，等．高速鐵路鋼軌打磨關鍵技術研究[J]．中國鐵道科學，2012，33(2)：66-70.

[6]周清躍，田常海，張銀花，等．CRH3型動車組構架橫向失穩成因分析[J]．中國鐵道科學，2014，35(6)：103-110．

[7]周清躍，張銀花，田常海，等．60N鋼軌廓型設計及試驗研究[J]．中國鐵道科學，2014，35(2)：128-135．[8]周清躍，俞喆，劉豐收，等．廓形打磨治理動車組構架報警效果研究[J]．中國鐵路， 2016(9)：35-39．

[9]羅慶中，劉豐收，徐井芒，等．高速鐵路輪軌關系深化研究：高速鐵路輪軌型面匹配優化研究[R]．北京：中國鐵道科學研究院，2016．

[10]羅慶中，劉豐收，成棣，等．高速鐵路輪軌關系深化研究：輪軌型面匹配優化及适應性研究[R]．北京：中國鐵道科學研究院，2017．

[11]劉豐收，周清躍，張澎湃，等．75N鋼軌的試驗研究[C]//2013年鐵路和建築用鋼學術研讨會論文集.馬鞍山，2013．

[12]周清躍，張銀花，李闖，等．新軌頭廓形道岔的試制與試驗[R]．北京：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，2016．

Study on the Optimization of Rail Profile in China

ZHOU Qingyue，LIU Fengshou，YU Zhe，ZHANG Jin，TIAN Changhai，ZHANG Yinhua
（Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Abstract：The rail grinding design profle 60D and new rail head profle rail 60N are developed to tackle the problem on wheel rail matching in China. For the optimized rail head profle, the light trip of its contact with wheels of LM, S1002CN and LMA profles is basically in the center, which means the contact stress of wheel and rail is dramatically reduced, the equivalent conicity after wheel tread wear is effectively controlled and the stability of train running is improved. The grinding period of well ground rail according to 60D profle can extend to 4～5 years, where few EMU frame alarm or car body shaking occurs. The application of 60N rail on the conventional line shows that: the light trip of wheel rail contact is in the center when running on the straight section, while on the curve section, the shelling at gauge corner or fatigue tache oval which appears at the initial stage of rail service can be efectively avoided or reduced. Its application on the high speed line shows that: for the one-time pre-ground rail in service for 5 years, the light strip remains at about 30 mm and EMU frame alarm or car body shaking never occurs, which means the wheel rail matching is greatly improved and maintenance cost for both wheel and rail is reduced. It is proposed that the serialization of rail head profle shall be accelerated so as to apply unifed rail head profle in China.

Keywords：rail；rail head profle optimization；grinding profle design；60N rail

中圖分類号：U213.4

文獻标識碼：A

文章編号：1001-683X（2017）12-0007-06

DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.007

基金項目：鐵道部科技研究開發計劃項目（2010G006F）；中國 鐵路總公司科技研究開發計劃項目（2013G008J、 2015G008-A、2016G008-A）；中國鐵道科學研究院 科技研究開發計劃項目（2016YJ092）

第一作者：周清躍（1960—），男，首席研究員，博士生導師。 E-mail：zhouqingyue93480@126.com

責任編輯 高紅義

收稿日期 2017-09-04