摘要：对不同通过总重下的重载铁路小半径曲线在役钢轨进行取样、裂纹深度测量、流变层金相分析、钢轨型面测量和磨耗计算，分析了轮轨磨耗和裂纹随通过总重累积的发展情况和相互关系。根据磨耗和打磨对裂纹的影响，分析了裂纹-磨耗消长平衡机制，提出了最佳磨耗率的计算方法，并分析了试验段的钢轨最佳磨耗率和预防性打磨参数。结论表明：用适当时机的磨耗加打磨来消除或控制裂纹，有利于实现预防性钢轨打磨和延长钢轨使用寿命。该重载条件下，小半径曲线预防性钢轨打磨的打磨周期约为1700~2000 万吨通过总重，上、下股钢轨打磨量分别为0.40~0.45mm、0.25~0.30mm，最佳磨耗率为0.032~0.034mm/MGT。
关键词：道路与铁道工程；钢轨；滚动接触疲劳；钢轨磨耗；钢轨打磨；最佳磨耗率
0 引言
现场观测发现，重载铁路小半径曲线钢轨上道后不久就在表面出现疲劳裂纹、剥离掉块和肥边[1]，而这时的轮轨磨耗还不足以磨损掉这些伤损，使得疲劳裂纹和剥离掉块得以进一步扩展；当通过总重累积到一定程度时，轮轨磨耗才逐渐加快并抑制疲劳裂纹的发展，但这时在曲线钢轨上已经形成一定规模且较为严重的密集裂纹或剥离掉块，之后钢轨磨耗特别是上股钢轨侧磨快速发展，导致钢轨的型面恶化甚至过早下道。疲劳裂纹和剥离掉块的存在影响钢轨的现场探伤，会引起核伤、断轨等安全事故，而磨耗影响钢轨使用寿命。目前，预防性钢轨打磨是控制和减缓钢轨使用初期滚动接触疲劳裂纹、改善轮轨关系的重要措施，其目的就是通过合理时机内的轮轨磨耗结合钢轨打磨来“捕捉”到裂纹的发展，同时恢复钢轨型面、改善轮轨关系，从而平衡裂纹和磨耗，这个平衡点被称为最佳磨耗率[2][3]。Kalousek 等[4][5]研究了北美重载铁路的最佳磨耗率，提出了预防性钢轨打磨的参数如打磨周期和打磨量。
Dikshit 等[6]设计了钢轨取样和实验室裂纹金相分析的方法；Satoh 等[7]通过对轨头表面塑性变形的观测，建立了有效的钢轨打磨作业方法；Schoech 等[8]跟踪观测了疲劳裂纹和磨耗的发展，设计了相应的钢轨养护方法。为了发挥钢轨打磨技术的优势，需要根据我国重载铁路小半径曲线钢轨滚动接触疲劳裂纹和磨耗发展的规律，确定小半径曲线钢轨的最佳磨耗率及打磨参数。本文在对我国典型重载铁路中的小半径曲线钢轨进行跟踪取样、裂纹测量和特征分析、轨头型面测量的基础上，建立裂纹-磨耗消长平衡机制，研究疲劳裂纹与轮轨磨耗、钢轨打磨量和打磨周期的关系，提出最佳磨耗率和相应的预防性钢轨打磨参数。
1 试验概况
试验线路为山区重载货运铁路，电气化自动闭塞，开行5000 吨重载列车，年运量约1.2亿吨，重车线的小半径曲线铺设75kg/m 的U75V 淬火钢轨（1180MPa），II 型混凝土轨枕、1840 根/公里、I 型弹条扣件、II 级碎石道床，道床厚550mm。
前期现场观测发现，500m~600m 曲线半径的钢轨上道后约10MGT（百万吨通过总重）时，在一些地段就出现疲劳裂纹并随着通过总重的累积逐渐密集、扩展、相连最后形成剥离掉块，而这时的轮轨磨耗尚不足以磨耗掉这些裂纹；通过总重约100MGT~150MGT 以后，轮轨磨耗加剧，疲劳裂纹和剥离掉块的发展受到抑制，但已形成一定规模，甚至布满整个轮轨接触带。
选取 R=500m 的某曲线线路作为试验段，其圆曲线部分长375m，坡度7‰，超高90mm。
线路在观测期间进行正常的上股钢轨侧面涂油和大机捣固。
对试验段钢轨进行多次取样和磨耗测量，时间分别是新轨上道后（新轨未预打磨）、累积通过总重约9.8MGT、30.1MGT 和58.2MGT。
2 钢轨疲劳裂纹测量
2.1 钢轨表面观测和取样
经表面观测，累积通过总重9.8MGT 和30.1MGT 时，试验段的上、下股钢轨均在垂磨测量点位置（靠近轨距角1/3 轨头宽度处，下同）有疲劳裂纹，而顶面及其他位置未出现裂纹；累积通过总重58.2MGT 时，上、下股钢轨在轨距角和轨顶面都存在疲劳裂纹裂纹。