适应性研究
刘丰收1，杨光1，成棣2，周韶博1，周清跃１
（1.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京100081；
2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心，北京100081）
摘要：针对60N廓形钢轨在高速铁路的适应性问题，对铺设60N廓形钢轨的高速铁路线路开展长期跟踪测试，分析60N廓形钢轨服役性能及养护维修情况；利用仿真手段，采用基于层次分析法的轮轨型面匹配综合评价方法，评价铺设60N廓形钢轨线路的标准及实测轮轨型面匹配状态。结果表明：铺设60N廓形钢轨的高速铁路钢轨服役状态良好，钢轨磨耗较小，加工硬化轻微，未出现接触疲劳伤损；1个车轮镟修周期内，兰新、西成及宝兰客专等高速铁路轮轨型面匹配状态均为优秀，且不同阶段轮轨匹配指数波动较小；综合钢轨服役性能、轮轨型面匹配状态、钢轨维修养护经济性及推广应用情况等几方面，可知60N廓形钢轨在高速铁路具备良好的适应性。 关键词：高速铁路；60N廓形；60N钢轨；轮轨关系；钢轨打磨
中图分类号：U211.5文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）01-0025-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.01.025
0引言
我国高速铁路运营初期，轮轨型面匹配关系为一种钢轨廓形与多种车轮廓形进行匹配［1］，在这种轮轨匹配状态下，由于轮轨型面不良匹配出现动车组构架横向加速度报警、车体晃车等问题［2-4］，科研人员对钢轨廓形进行优化设计，先后提出预打磨设计廓形（60D）及60N 廓形［5］，优化后的钢轨廓形在我国新开通高速铁路钢轨预打磨工作以及动车组构架横向加速度报警治理工作中均被广泛推广使用，取得了较好的应用效果。
目前，高速铁路铺设60N廓形钢轨有2种：一种为最初铺设的标准60廓形钢轨，预打磨成60N廓形；另一种是新铺设60N钢轨。2012年，首批试制的60N钢轨于京广高铁京石段试铺15km，随后60N廓形开始在我国铁路推广使用，2015年开始在高速铁路广泛使用。随着60N廓形钢轨的推广使用，尤其是新建高速铁路开始铺设60N廓形钢轨，60N廓形钢轨在不同线路服役工况、不同类型动车组运行条件下的适应性需要开展跟踪研究。选取几条典型铺设60N廓形钢轨的高速铁路，对
基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划项目（2019YJ162）
第一作者：刘丰收（1978—），男，研究员。
E-mail：
通信作者：杨光（1989—），男，助理研究员。
E-mail：
高速铁路60N 廓形钢轨适应性研究刘丰收等
钢轨的服役性能进行长期跟踪，结合仿真计算，对典型线路的实测轮轨型面匹配状态进行评价，评估60N 廓形钢轨在我国高速铁路的适应性。
1
60N 廓形钢轨服役性能跟踪
1.1
跟踪线路及测点
分别选取打磨目标为60N 廓形钢轨（兰新客专、丹
大快速铁路）和新铺设60N 廓形钢轨（京广高铁京石段、宝兰客专、西成客专）的多条高速铁路，建立重点跟踪测点，进行长期服役测试，主要测试内容为钢轨廓形变化及钢轨表面硬度。60N 廓形钢轨服役跟踪情况见表1。
楼宇智能化论文
1.2
跟踪结果
1.2.1
型面变化
通过对典型高速铁路不同区间测点（仅考虑直线
线路）的钢轨型面跟踪结果可以看出，跟踪期间钢轨型面变化原因有2种［6］：一种为钢轨打磨引起的型面变化，分为大机打磨和快速打磨；另一种为钢轨磨耗引起的型面变化。根据各个钢轨测点统计的钢轨型面变化见表2，其中的型面变化数据按钢轨磨耗和打磨2个不同因素分别进行统计。根据表2中数据可知：
（1）跟踪期间钢轨磨耗较小，年通过总质量在
10Mt 以上的京广高铁京石段钢轨磨耗为0.05mm ；年通过总质量在10Mt 以下的兰新客专、丹大快速铁路、
西成客专、宝兰客专钢轨磨耗均仅为0.01mm 。
（2）打磨区段的垂磨点钢轨型面变化受打磨和磨耗共同影响，从数据可以看出，打磨对于钢轨型面变化的影响比磨耗影响更大。
1.2.2踏面硬度
不同测点钢轨踏面硬度测试结果见图1。兰新、宝兰、西成客专及京广高铁京石段均铺设U71MnG （或U71MnK ）热轧钢轨，标准要求钢轨踏面硬度260～300HB ［7］，不同测点钢轨表面硬度均在标准范围内，西成客专中国铁路成都局集团有限公司（简称成都局集团公司）管内钢轨表面硬度略低于标准范围，这可能与该线路预打磨量不足而导致钢轨表面脱碳层尚未完全去除有关；丹大快速铁路铺设U75V 热轧钢轨，标准要求钢轨踏面硬度280～320HB ［5］，实测钢轨踏面硬度290～315HB 。由此可见，长期跟踪测试的5条高速铁路钢轨踏面硬度变化不大，仍在新钢轨标准范围内，钢
轨表面加工硬化轻微。
表1中国药学杂志
60N
廓形钢轨服役跟踪情况
表2
钢轨型面变化统计
图1钢轨踏面硬度测试结果
高速铁路60N廓形钢轨适应性研究刘丰收等
1.2.3预打磨目标廓形
对于前期铺设标准60钢轨的高速铁路，利用96头打磨列车进行预打磨，由于60廓形打磨成60N廓形所需的打磨量及打磨难度较大，通常打磨2~3遍后才可基本满足《高速铁路钢轨与道岔大型机械打磨验收技术规范》［8］对钢轨廓形的要求，打磨目标廓形为60N的兰新客专、丹大快速铁路均采用这种预打磨方式。
对于新铺设60N钢轨的线路，不需要额外对廓形进行单独设计，仅需去除钢轨表面脱碳层即可，打磨量及打磨难度明显降低。新铺设60N钢轨的高速铁路预打磨主要采用2种方式：一种使用96头打磨列车，采用均布砂轮角度的打磨方式，仅需打磨1~2遍，宝兰客专、西成客专西安局集团公司管内线路采用这种打磨方式；一种使用快速打磨列车（被动式）进行打磨，需打磨10遍左右，西成客专成都局集团公司管内采用这种打磨方式。1.2.4预防性打磨周期
目前，我国高速铁路钢轨的打磨周期［7］暂定为30～50Mt，一般不宜超过2年。60N作为新钢轨大面积的铺设使用时间为2年左右，由于60N廓形钢轨本身具备良好的轮轨匹配廓形，所以预防性打磨周期的制定需要进行探讨。
最早铺设60N钢轨的京广高铁京石段试验段下行K74+616—K78+368将近4km，6年未进行预防性打磨，其余区段也是使用4年后才进行预防性打磨，该区段在4年多的运营过程中未出现轮轨型面匹配问题。使用6年后的京广高铁京石段试验段60N钢轨廓形及表面状态见图2，可以看出，服役6年后，实际廓形与标准廓形相比仍满足《高速铁路钢轨与道岔大型机械打磨验收技术规范》［8］中对钢轨廓形的要求。
同时，该区段的钢轨踏面硬度为263～278HB，钢轨踏面加工硬化轻微，表明钢轨踏面塑性变形很小。钢轨表面状态良好，光带宽度35mm左右。
云图书馆根据京广高铁京石段60N
廓形钢轨的使用情况可（a）左股（b）右股
图2京广高铁京石段试验段60N廓形钢轨廓形及表面状态
高速铁路60N 廓形钢轨适应性研究刘丰收等
以看出，铺设60N 廓形钢轨高速铁路的预防性打磨周期可以适当延长。
2
60N 廓形钢轨服役性能评价
2.1
评价方法
采用基于改进层次分析法的轮轨型面匹配评价
法［9］对轮轨型面的匹配进行评价分析，实施流程见图3。该方法将实施流程分轮轨型面匹配评价层次-指
标分解模块、轮轨型面匹配评价指标权重确定模块、轮轨型面匹配评价指标仿真计算模块、综合评价模块4个组成模块。轮轨型面匹配评价指标仿真计算模块主
要进行轮轨几何接触、轮轨接触应力以及车辆动力学计算，获取不同轮轨匹配条件下的评价指标仿真值。通过一定方式对评价指标仿真值进行归一化，使之落在0～1.00分内、具有相同的尺度，归一化后的综合评价值越小，表明该评价等级越优（见表3）。
2.2评价分析方案
结合跟踪测试得到的钢轨廓形及车轮型面，利用基
于层次分析法的轮轨型面匹配评价方法，对实测轮轨匹配情况进行评价，具体轮轨型面匹配评价方案见表4。
2.3
评价结果
2.3.1
兰新客专轮轨型面组合
兰新客专主要运营CRH5型动车组，对兰新客专
图3
基于改进层次分析法的轮轨型面匹配评价方法实施流程
［7］
表3
轮轨型面匹配综合评价值与评价等级
［7］
综合评价值/分评价等级
0～0.25优
0.25~0.50
良
0.50～0.75合格
0.75～1.00不合格
高速铁路60N 廓形钢轨适应性研究刘丰收等
15组轮轨型面组合进行综合评价，得到综合评价结果（见图4）。随着镟修里程增加，轮轨型面的匹配状态随之变坏，镟后15.0万km 的综合评价值接近0.3；XP55车轮型面与60N 钢轨型面匹配综合评价值主要分布在
0.1～0.3。60N 钢轨型面与XP55车轮镟后9.7万km 型面匹配综合评价值最小，表明该组匹配最优；K1819+600钢轨型面与XP55车轮镟后15.0万km 型面匹配综合评价值最大，这是由于车轮踏面中心磨耗超过1mm ，与实测钢轨型面匹配时的等效锥度接近0.4，车辆运行平稳性综合评价值明显增大（横向平稳性综合评价值超过2.5），导致评价结果相对较差。这表明兰新客专60N 廓形钢轨与CRH5型动车组车轮型面整体匹配状态优秀，临近车轮镟修时，轮轨型面匹配评价结果良好。
红楼惊梦2.3.2京广高铁京石段轮轨型面组合
在跟踪测试期间，京广高铁京石段主要通行CRH380AL 和CRH3C 型动车组，分别对2种动车组对应的轮轨型面匹配状态进行综合评价。
（1）CRH380AL 型动车组。对12组轮轨型面组合
进行综合评价，得到综合评价结果见图5。LMA 车轮型面与60N 钢轨型面匹配综合评价值主要分布在0.17～0.21，评价结果为优秀；其中，60N 钢轨标准型面与LMA 车轮原始型面匹配综合评价值最小，表明该组匹配最优，K74+400钢轨型面与LMA 车轮镟后11万km 型
面匹配综合评价值最大，表明该组匹配相对较差。（2）CRH3C 型动车组。对12组轮轨型面组合进行综合评价，得到综合评价结果见图6。由图可知，S1002CN 车轮型面与60N 钢轨型面匹配综合评价值主要分布在0.05～0.25，综合评价结果为优秀；其中，K75+000钢轨型面与S1002CN 车轮镟后17万km 型面匹配综
合评价值最小，表明该组匹配最优，60N 钢轨型面与S1002CN 车轮镟后0万km 型面匹配综合评价值最大，这是由于新镟修车轮型面与60N 钢轨型面匹配时的等效锥度仅为0.07左右，仿真计算得到的临界速度也较低，高
速运行时车辆易出现失稳，故其评价结果相对较差。360N 廓形钢轨适应性分析
通过60N 廓形钢轨的使用跟踪以及仿真评价对其在
高速铁路的运用情况进行分析。结合以上分析，通过以下几个方面，对60N 廓形钢轨的适应性进行综合分析。
3.1
公羊学
服役性能
3.1.1
钢轨磨耗
通过对我国多条高速铁路长期服役性能的跟踪观
测发现，铺设60N 廓形钢轨的高速铁路钢轨垂直磨耗
图4XP55车轮型面与60N 钢轨型面匹配综合评价结果库仑法
表4
轮轨型面匹配评价方案
图5
LMA 车轨型面与60N 钢轨型面匹配综合评价结果
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