高速铁路 钢轨

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铁道/道路

高速铁路用钢轨的若干问题周清跃张银花陈朝阳(道科学研究院铁道科学技术研究发展中心北京 1 0 8 )铁 0 0 1

摘

要

钢轨是轨道结构的重要部件，高速铁路重要的基础设施。根据高速铁路钢轨的服役条件以及出现是

的伤损特点，出了高速铁路钢轨应重点关注的性能指标，提介绍国外高速铁路采用的钢轨强度等级，述国内钢轨论生产厂家应进行的技术改造，讨论了高速铁路采用长定尺钢轨的可行性包括长定尺钢轨的生产、输、接，运焊以及钢轨焊接体系。

关键词高速铁路长定尺钢轨

技术要求

技术改造

1高速铁路用钢轨及其主要伤损 日本新干线早期采用断面为 5 T的普通碳素热 0轧钢轨，期改用强度等级为 8 0 MP后 0 a的 6 g普 0k

行，严重时将发生焊接接头断裂。如日本东海道新干线在运行初期钢轨伤损大部分 (占 8% )约 0发生在铝热焊接头处 _。从日本的情况来看，热焊接 l 铝头强度难以满足铁路高速运行的需要。

通碳素热轧钢轨，用中钢轨出现的主要损伤为轨使头踏面的黑斑 ( akso)及钢轨焊接接头部位的 dr t以 p低塌所引起的波状磨损

而法国的情况与日本不同。法国高速铁路早期采用 6 g m UC 0 0k/ I70普通热轧钢轨，后来采用 6 0 k I U C0 A普通热轧钢轨， 18 g 1 I90/从 93年开通运营至20 0 1年，断轨 8 0起，中 3%断在焊缝上，这 3%其 0而 0

钢轨轨头踏面的黑斑主要发生在列车的加速驱动以及减速制动区间，在高速行驶车轮的转动作用下，引起钢轨轨顶表面 0 0 0 2m的表层金属 .5~ . m

的焊缝断头中有 9 1/0断在铝热焊焊缝处。从绝对数量看，国高速铁路最薄弱的铝热焊缝断头率年平均法 1起左右，而钢轨其它部位的折断率为年平均 3起左右(后者发生在钢轨母材上的断裂主要是由于钢轨擦伤以及道碴飞溅打伤钢轨造成的)这说明铝热焊接，头虽然是无缝线路的薄弱环节，但从铝热焊技术本身而言是可以满足高速铁路使用要求的。

加工硬化。此加工硬化层将成为剥落损伤的起源(核 )随着通过总重的增加，

斑缺陷发展成纵或，黑向水平裂纹甚至引发钢轨断裂。日本学者称这种伤损为钢轨中的癌症’。

高速铁路列车轴重轻，运行速度快，钢轨磨损轻微：钢轨表面的伤损以接触疲劳伤损以及短波波磨为其主要特点。目前，高速铁路比较发达的许多国家除了正在积极研究和试验由具有优良抗表面伤损

2高速铁路对钢轨的基本要求 针对高速铁路钢轨的服役条件以及出现的伤损

性能的新材料制成的钢轨如贝氏体钢轨外，主要采用对钢轨进行定期打磨的办法来解决这种接触疲劳伤损钢轨打磨还能去除引起钢轨剥落的表面细微裂纹并降低钢轨与车轮接触面发生的转动噪声：焊接接头是无缝线路的薄弱环节：焊接接头的平直度以及轨顶面的硬度是否与母材匹配，决定将其在使用过程中是否出现低塌以及影响列车平顺运

特点，求钢轨钢质洁净，要钢轨表面尤其轨头表面基本无原始缺陷，何尺寸精度高、几平直度好。( )质洁净 1钢

材质内部高洁净是对高速铁路钢轨的最基本要求。钢质洁净有利于提高其抗疲劳性能。 ( )面基本无缺陷 2表钢轨表面基本无原始缺陷不仅对保证钢轨安全使用有益，而且可以减少表面接触疲劳伤损的出现， 延长钢轨的使用寿命。

收稿日期：0 3—1— 2 20 2 2

铁道建筑技术

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( )碳层深度要浅 3脱钢轨表层脱碳，造成表面硬度降低，会导致波状磨损等表面伤损的过早出现：因此，速铁路在开高

时还提高钢轨的成材率，保证端部平直度、端头内部质量以及钢轨全长的性能质量。钢轨长定尺生产还

便于对钢轨进行热预弯，减少钢轨矫直前的弯曲度，以降低钢轨因矫直引起的残余应力和表面损伤。因

通运行前均要用打磨列车进行打磨，以除去脱碳层和施工过程中造成的钢轨表面伤损。为了保持打磨后钢轨表面的光洁度以及避免打伤钢轨，轨打磨新

此，高速铁路应积极采用长定尺钢轨。() 6严格出厂检验，确保钢轨质量要求对高速铁路钢轨进行严格的质量检验包括

深度一般不超过 0 3m . m。因此，高速铁路钢轨的轨头表面脱碳层

深度应控制在 0 3m以内为好、 . m() 4几何尺寸高精度、高平直度钢轨的几何尺寸高精度、平直度是高速铁路高实现平顺运行的重要保证：高速铁路用钢轨的几何尺寸公差以及钢轨端头和本体的平直度、曲等应扭达到有关规定的要求。为此应采用万能法轧制钢轨，且应进行钢轨平直度的自动检测以及严格控并

钢轨平直度激光自动检测，确保钢轨平直度，尤其是3m左右的周期性不平顺应严格控制在规定的范围

内；钢轨轨头顶面和轨底面表面涡流探伤 (测作探

出> . m深度的表面缺陷 )保证钢轨的表面质 0 3m,量；进行多探头钢轨超声波探伤 (要求探头 1 2个及以上，采用 ( . l底孑当量进行缺陷标定 )确 b 0I平 2 l L,

保出厂钢轨的内部质量。

制 31左右周期性不平顺。 3 1( )用长定尺钢轨，少钢轨焊接接头 5采减

3国外高速铁路用钢轨的强度等级 E本高速铁路一直采用强度等级为 80M a t 0 P的热轧珠光体钢轨，求轨面硬度大于 2 5H其化要 3 B,学成分及常规性能指标要求见表 1。法国高速铁路在修建东南线 (巴黎一里昂 )时

高速铁路要求轨道平顺，必须实施焊接铺设无缝线路，而焊接接头是无缝线路的薄弱环节。因此， 现代铁路要求增加定尺钢轨的长度，以减少焊接接头的数量。另外，一根钢轨经过矫直机矫直后，在钢轨两端各形成一个非矫直区及过渡区，中部为矫直

采用强度等级为 7 0 MP 0 a的热轧珠光体钢轨( I70,线路自 18 UC0 )该 9 3年开通，今未大修换至轨，未出现钢轨的波磨，磨也很少，未见严重也垂更

变形区。各个区域的轨高、宽尺寸都有不同程度头的变化。在正常情况下高差达 0 4m头宽差 0 1 . m, . m 。钢轨长尺生产采用长尺矫直冷锯定尺工艺， m 利用热轧头尾余量切除非矫直区和过渡区，整支使钢轨尺寸高度一致，提高钢轨整体的平顺度。例如， 法国生产 8 0m的长定尺钢轨时，长尺矫直后冷锯定尺时钢轨两端各切去 15I,国则切去 0 8I, . I德 T . I T 这样可充分消除其端部存在的矫直和探伤盲区，同

的

滚动接触疲劳伤损。后来修建的高速铁路均采用强度等级为 8 0M a的 U C 0 A钢轨 ( 8 P I9 0见表 1。 )德国高速铁路采用客货混跑，轨的强度等级钢也只采用 80 MP 8 a的 U C 0 A钢轨。 I9 0

其它欧洲国家修建的高速铁路也均只采用强度等级为 80MP的 UC 0 A钢轨。 8 a I90

表 1国外高速铁路用钢轨的化学成分及其性能 化学成分/%国别钢号 C S l Mn P S h MP 6%/ a/硬度力学性能

日本新干线

6 g O k

O 6 O 7 0 1 O 3 . 0~1 1≤0 0 0≤ . 2 3~ 5 . 5~ . O 0 7 .O .3 O 05

≥8 o o

≥1 O

> 5 B/3H 2

法国东南线 (巴黎一里昂 ) U C O ( 2 ) 0 4 0 6 0 O O 3 O 8 I T 0 2 0 . 0~ . 0 5~ 5 . O~12≤0 0 0≤ . 5 60~ 3 ≥1 2 0~ 6 H 。5 .5 O 00 8 80 4 2 20 B法国其它高速铁路德国、意大利、国等韩 U C 0 A 2 0 O 6 O 8 O 1 O 5 . 0~ . O I 9 0 ( 6 ) . 2~ . O 5~ . 8 0 7 1 2≤0 0 5【 o 8~ . 2 ≥8 0 . 2 . 0 0 0 5 ) 8 U C 0 A 2 0 O 6 O 8 O 1~ . 8 . 0~12≤ . 2 . o~ .2 ≥8 0 19 0 ( 6 ) 2~ O。 5 O 5 0 7 . O 0 0 50 ( 8 0 0 5 ) 8≥1 2 0~ o H 0 6 3o B≥1 2 0~ o H 0 6 3o B

注：括弧中的钢号为欧洲钢轨标准 E 16 4—1 N 37规定的钢号，中化学成分作了优化其

由上可知，无论是采用动力分散的日本高速铁路(轴重 1~1 )还是采用动力集中的法国 T V 1 4t, G

的钢轨强度等级均未超过 80M a。日本高速铁 8 P级路为了降低曲线上钢轨的磨耗，采用了部分热处理

(轴重 1 2 )客货混跑的德国以及其它国家的 9~ 1t、高速铁路，在较大半径的曲线以及直线地段所采用铁道建筑技术

钢轨。德国客货混跑的高速铁路，过对不同强度经等级 ( 2 2 0,5 HT钢轨的试验结果表明，度 20,6 3 0 )强5 5

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铁道/路 道目前，国采用通用平板车进行 2我 5m定尺钢轨

等级为 2 0的 UC 0 A钢轨在直线和大半径曲线 6 I9 0上未出现明显的滚动接触疲劳伤损，在半径为 3 0 0 0~

60 0m曲线上热处理钢轨具有较好的抵抗滚动 0

的运输。具体运输方案为：用 2个平板车跨装，采一次满载约 7 0根钢轨 15t6 g m钢轨 )右。采 0 ( 0k/左用扣装，钢轨捆绑在一起作为一个刚性整体，每个平板车上设一个转向架，以便通过曲线。这是一种通用运输方式，仅对转向架进行回收管理即可。 ( )5 5 0m焊接长轨条的运输 2 20~ 0

接触疲劳伤损的能力。由于热处理钢轨强度高，韧塑性也好，在曲线上使用可以减少钢轨的打磨次数， 但由于硬度高，车轮使用寿命的影响值得关注？对

鉴于高速铁路的使用安全性能尤为重要，国外高速铁路均未使用强度等级较大但韧塑性、接性能较焊差的合金轨。

采用专用长轨车 ( 1 ) T运输。每列长轨车每层 1钢轨采用一个锁定车，将钢轨垂直方向固定住，采并用特制立辊对钢轨的横向移动进行限制，可顺利通过半径 30m以上曲线。因此， 0长轨列车的运输不采用转向架。钢轨立放，列车满载可装 4层，每共

4我国高速铁路使用长定尺钢轨的可行性随着炼钢技术的进步，特别是炉外精炼、真空脱气以及大方坯连铸技术的配套使用，为钢轨的长定尺生产创造了前提条件。目前，国外钢轨生产技术较为先进的国家纷纷进行钢轨长尺生产的技术改造

5 6根长轨条一当装载 6 g m、 0m长钢轨时， 0 k/ 5 0每列长轨车装载量约为 160t 8。 在焊轨厂用 1 6—3 2台门式吊机将 20—50 m 5 0

以满足高速铁路的需要。出厂钢轨长度，国 (德蒂森公司 )奥地利 (钢联 )达 10 m,国 ( ou、奥可 2法 C rs公司 ) 8日本 ( S N K) 5 为 0m, N C, K为 0 m。因此，在

长轨条装上长轨车；到工地后，运用车上安装的特制滚道系统，按照线路铺设钢轨的需要将长轨条从车上顺下来，不需要吊装设备。因

此，长轨车卸轨较慢。 每个路局焊轨厂自备长轨车，路局管内按货在车规定运行车体采用租赁的方式，辆部门负责车检修，装部分由路局负责检修。改( )0~10m长定尺钢轨的运输 35 0根据国外经验，0~l0m长定尺钢轨可用长 5 O

高速铁路上使用 5 0~l0m长定尺钢轨是技术上的 O进步，具有十分重要的意义。但是长定尺钢轨的生

产、接等对我国而言都是首次，要尽快对其进行焊需研究。

4 1长定尺钢轨的生产 .

鞍钢已完成 5 0m长定尺钢轨的生产改造，经过

轨车的装载厅式装载，但不用专用长轨车运输，而是用通用平板车，过特殊装载加固的方法来进行通目前有关科研部门正在进行这方面的工程试验。4 3长定尺钢轨的焊接 .

完善取消钢轨缓冷技术以及进行热预弯试验等工作后，已于 20年 1 03 0月生产出国内首批 5 0m长定尺钢轨并已结合沈阳局大修铺设在既有线上。攀钢按生产 10 m长定尺钢轨方案进行改造， 0 预计 20 0 5年以后可完成。

我国铁路要求对焊接接头进行正火处理并通过严格的落锤检验，与国外铁路明显不同。在焊接这工位布局上，将焊接、正火、直、矫精磨、伤等工位探一

作为轨梁改造的第二步，包钢已经预留 5 0~10 m长定尺钢轨生产的场地，划待 2 0计 5m钢轨万能轧制技术改造完成以后，看情况进行 5 l再 0 I或 l10m长定尺钢轨的改造。 0

个接一个布置，并在一条焊轨生产线上完成各自

的作业，每个工位相互影响。因此，既有焊轨线焊接

从上述钢厂技术改造的情况看，目前鞍钢已基

5 m长定尺钢轨时，用牺牲焊头效率的方法是简 0采便易行的，即焊一个头，一个头。这样，停焊接生产线的工位布局基本上不用改动，而每个焊轨厂焊接钢轨的公里数并没有减少。若不想牺牲焊头效率， 则必须将焊轨厂场地长度延长一倍，对大多数焊这轨厂都不太可能实现。 因此，0m长定尺钢轨进既有焊轨厂进行焊接 5

本具备生产符合高速铁路要求的 5 0m长定尺钢轨条件。而符合高速铁路要求的、用万能法轧制的采 lO O m长定尺钢轨何时能生产并规模供货

,取决于攀钢、钢以及鞍钢进一步改造的进度。包

因此，只要抓紧工作，速铁路采用国产 5 高 0~ 10m长定尺钢轨是完全有可能的。 0 4 2长定尺钢轨的运输 . ( ) 5m定尺钢轨的运输 1 25 6

是可能的，需要进行技术改造的主要有卸轨、存轨以及上轨台部分。除了个别焊轨厂由于场地限制改起来比较困难外，改造工作量和投资都不是很大。

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10m长定尺钢轨，既有焊轨厂进行焊接困 0进

接体系及基地焊接的工位布局可作如下考虑：钢轨定尺长度尽量采用 10 m。基地焊接采用闪光焊， 0 焊接轨条长度为 5 0m。采用移动式闪光焊或铝热 0

难较大。其发展方向是从钢厂生产后，接运到铺直轨现场再采用移动式闪光焊的方法进行焊接，这也是目前德国、地利等国家正大力发展的技奥

焊进行单元轨节 ( . 10~15 k钢轨的焊接，用 . m)采铝热焊进行无缝线路钢轨的锁定焊。 10m长定尺钢轨基地焊接工位布局可作如下 0考虑：定尺钢轨卸轨、轨台 1 15 m)长存 ( 0——长定尺钢轨卸轨、轨台 2 15 m)存 ( 0——长定尺钢轨卸轨、轨台 3 151)—配轨台架 1 10m)— 存 ( 0 T— I ( — 1

术，不仅可以减少焊接接头总数，提高焊接接头质量 (般而言，一闪光焊接头比气压焊、热焊接头质量铝稳定 )还可以省去钢轨进固定焊轨厂的一系列的，

装卸、存轨、输等工作，大节约费用。而采用移运大动式闪光焊设备和技术焊接 10m长定尺钢轨具有 0

较大的优势。当然，无缝线路钢轨的最后闭合焊接可以考虑采用铝热焊等方式进行？

工位 1轨端矫直、锯切 ( 0——工位 2端部除 15 m)

锈 (0——[位 3焊接 ( 0——工位 4粗 10 m) 10m)打磨 (0——工位 5正火 ( 10m)加全断面喷风，至少冷却 2mn ( O——工位 6矫直或空位 (0 i) 10m)热 10 m)——工位 7喷风冷却焊接接头 ( 0——工位 10m)

采用

上述方案，打破了原有的焊轨模式，需要组建新的焊轨单位，置移动式焊轨车，购在既有线上实施起来需要时间。比较现实的方法可能是三者 (5 2

m、 I 5 1固定焊，0 移动焊 )存一个相当长的 0T 10 m并时期。

8冷却隧道 )冷 (0 ——工位 9冷矫直 ( 0 (水 10m) 10 m)——工位 1磨 ( 0——工位 1探伤 ( 0精 10 m) 1 5m)—长轨条存放台 5 0m。— 0

4 4我国使用长定尺钢轨的实施步骤 .综上所述，由于长定尺钢轨具有明显的优点，并

另外，可以将 10m的工位间隔改为 5 也 0 0 m,这样焊轨厂长度 150 m即可， 10m长定尺钢 0对 0轨采用焊一个停一个的方式进行。显然，时焊接此生产效率减至 12/。若开始时将选轨台与卸轨台并排布置也可减少 3 0m的长度。上述 2个方案的长 0度则分别为 17 0m和 120m。 0 0

且钢厂经过技术改造以后可以在近期内供货，因此， 不仅在新建的高速铁路上应大力使用长定尺钢轨，还应考虑在既有线上推广使用根据我国铁路实际情况，使用长定尺钢轨的对实施步骤建议作如下考虑： 首先以建设高速铁路为契机，动 5推 0~10m 0

再则，可考虑采用在两条生产线上完成钢轨也焊接全过程的方案：在一条生产线上完成钢轨的焊接、粗磨和正火，在另一条生产线上完成矫直、磨精和探伤。这一方案的优点是焊轨厂场地总长度约为 1 0操作车间长度约只需 3 0m, 50m长轨 0m, 5 0 但 0条需要横移，焊轨基地需要较大的宽度。

长定尺钢轨的生产和使用，解决相关技术和管理并问题；

其次，分期分批对现有焊轨厂进行长定尺钢轨焊接生产的技术改造，以适应 2~ 0m或 1 5 5 0 m定尺钢 0

轨的焊接生产，包括运输、、装卸存轨等，在主要繁忙提速干线上尽量使用长定尺钢轨，以提高轨道质量； 与此同时，在新建和既有线铁路大修中，积极采用 10m长定尺钢轨直接从钢厂运抵施工现场， 0利用移动式闪光焊技术焊接铺设无缝线路，并逐渐减少焊轨厂焊接钢轨的数量。 目前移动式闪光焊技术已在我国研制成功，并

6结论和建议

() 1根据高速铁路钢轨的服役条件以及出现的伤损特点，钢质洁净、钢轨表面基本无原始缺陷、浅

的脱碳层、几何尺寸精度高、平直度好以及优良的抗表面伤损能力和焊接性能是高速铁路用钢轨应重点关注的性能指标。 ( )定尺钢轨可以减少钢轨焊接接头的数 2长

已应用于地铁等 2 5m钢轨焊接施工。近期也将开展长轨条单元焊接试验，应尽快完善该项技术并与施工配套。

量，提高钢轨全长的几何尺寸精度及钢轨端部的平直度，高速铁路应积极采用。() 3国外高速铁路一般均采用强度等级为 80 0~

5关于高速铁路钢轨的焊接方案 根据法、日等国家采用的高速铁路钢轨焊接体系，结合国内实际情况，国新建高速铁路钢轨的焊我铁道建筑技术

8 0M a的热轧珠光体钢轨， 8 P级值得我国借鉴。(下转第 6 2页 )5 7

R IWA C N T U TO T C N L G 2 0 AL Y O S R C IN E H O O Y 0 4f J 2

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房屋建筑 场的需求、区域的需求各有不同，营造出个性化的东西。

间尺度更讲求舒适性。首先在功能的配备上要更齐全，需设置车库、人房、工家庭厅及健身房、视听室等集合住宅中不具备的功能空间。另一方面对主要功能空间如主人套房，起居室和餐厅等空间更多关注，

4 2住区的景观设计将成为主导 .

随着低密度项目的逐渐成熟和产品的进一步细化，风格各异的住区景观环境设计将成为下一步低

使其达到舒适、奢侈的目的。第三方面，密度住宅低更讲究户内空间与自然的沟通与交流，了如通常除设有私有化院落和私家平台，可以借鉴天窗、还天井等中国的传统建筑手法，使人通过户内通透的玻璃幕墙，以欣赏到内院中堆石栽竹的幽静。可3 2 2建筑形象设计 ..

密度项目的核心内容。人们将更加关心外部环境空间的形态意境，院的尺寸功能以及和社区总体风庭格的协调关系。

出于提高院落的专属感、个性品质与居住性能的多重考虑，设计建设时应将院落与建筑进行一体化设计，不要在社区中形成一个空白。

低密度住区所提供的是舒适、自然、健康的生活 方式，建筑形象也应反映这一

特性。设计着眼点首先是室内外空间相沟通的部分，屋顶平台的设置如

4 3中国庭院的居住形式将占据低密度住区的高 .端市场

及构件尺度，底层花园与室内空间的过渡手法等；其

在目前低密度住区市场中，充斥着诸如北美风

次是外部空间的高低变化及前后错位所带来的轻松、动的感觉。最后一点就是材料的选用，该是跳应富于个性的。可以是亲切的、宜人的，选用石材及如

格，澳洲风格以及欧式、式等设计。随着市场的成德熟，中国传统的居住形式，有着深厚文化底蕴的中式

园林以及围合院落，飘逸、闲适的生活态度将受到高度的关注，从而走向高端市场。 低密度住区在北京市场上有着广阔的发展前景，它为人们提供了一个全新的回归自然的生活方式。关注其发展趋势以及由此形成的新型居住文

木质材料等。

4低密度住区的发展方向4 1整体布局的发展呈细分趋势 .在北京市城市空间发展的框架下，在东南部将

化，才能从根本上满足市场的需求，建成一个成功的低密度住区项目。 参考文献1柯焕章 .密度住宅与北京城市空间布局发展.年建低百筑，0 3 1 ) 2 0 ( 1

出现更多的经济型低密度住区，满足中档人群的消

费需求，而在东北、西北部则会出现高端产品。随着时间的发展而不断发展、不断深化，并且延展到中心

城市在此大趋势下，品有更加细分的趋势， 产将出现针对不同阶层的不同类别的住区；加突出标志更性建筑，突出社区文化内涵，根据客户的需求、并市

(接第5上 7页 )

2 M shr K i i Bi t elm a a U, o h U a ic t p a u e n is ei

d。一 k p

( )据国内钢厂对钢轨生产技术改造的情 4根

st c I e a。a Ria J r l 99 2 ia e n r tn awy o n, 9 ( ) sn tn i u a 1

件要求的 5 0~10m长定尺国产钢轨是可行的： 0 。

速路胃铁采

篆条术

1……一一‘ ,

。e. olo i N A f 。 o a rgt t n nn rF l o b y lc r s i a . c.

() 5高速

铁路可以采用下列焊接方案：尺钢定轨长度 10m, 0 在焊轨基地用固定闪光焊机焊成 5 0 0 I长轨条， l l运抵现场后采用移动式闪光焊或铝热焊进行单元焊和最后的闭合锁定焊：参考文献l周清跃，镇国，福安.沈客运专线钢轨的基本要求 周郭秦及国产化.中国铁路，o o 1 2 0 ( 0)6 2铁道建筑技术

4徐涌贾国周清跃 .国、国高速铁路钢轨的生产和 平法德使用技术中国铁路，0 1 4 20 ( )5陈亚平王彦中.高速铁路钢轨生产技术探讨 .攀钢钢铁，,

2 1 1) 0 (2 06王姜艳 .谈国外钢轨焊接的几种新方法 .道技术监 浅铁

督 19、 q99 r7 N ret .N w ricuds1 l“ o tc f g R, ob r F e l。 l。V l gc nat iu IJ a e i 20 ( 0 3 5)R L AIWAY C ST ON RUCTON T CHN OGY o 4l I E OL 2 o 2)