重轴载轨道最新现场试验
美国联邦铁路局研究结果   RR09-15 2009年9月

    美国联邦铁路局运输技术中心（TTCI）分别在东西两个大型试验现场进行商业运输试验（图1），目的是确定重轴载（HAL）对轨道基础设施的影响，同时对为了提高列车运行安全性所采用的新技术及新设计的技术特性进行监测，从而减轻重轴载对轨道基础设施的不利影响。该项研究由美国联邦铁路局和北美铁路联合会共同组织实施。

    这两个大型试验现场建立于2004年，每年要进行多项试验，目的是解决重轴载运输带来的种种问题。其中一些试验项目是长期的，需要几年才能完成，甚至需要分阶段进行。本文总结了2008年及2009年一季度的试验成果，其中包括对优质钢轨、宽焊缝（WGW）、钢轨绝缘节（IJ）、混凝土轨卡、塑料轨枕、弹性扣件等的试验，还包括对引桥的整治。

    在这两个试验现场进行的优质钢轨的试验结果表明，优质钢轨具有良好的耐磨性能。东部现场的试验钢轨通过重轴载运输的总吨数为2.1亿，西部现场为8.8亿。由于采用了轨距面润滑和轨顶润滑，有效地降低了钢轨的磨损和滚动接触疲劳（RCF）。在西部试验现场，开始采用轨顶面摩擦控制措施，即预防性打磨，以延长钢轨的使用寿命，防止或延缓钢轨接触疲劳的出现。

    在东部试验现场，宽焊缝作为普通塞焊工艺的替代维修技术，它利用一条焊缝对长度不超过2.75英寸的多条焊缝及轨头缺陷进行修复。在东部试验现场还对塑料轨枕和弹性扣件的特性进行监测。在西部试验现场进行了二项试验：一项是改进设计后的钢轨绝缘节试验，另一项是钢轨绝缘节处混凝土轨枕轨卡有效性试验。
引桥整治试验包括位于小半径曲线上的无砟桥面桥及混凝土枕铺砟桥面桥。

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图1 大型试验现场及FAST（快速试验）试验现场位置

优质钢轨与钢轨使用寿命的延长

    从2005年9月起，在两个试验现场进行了重轴载环境下优质钢轨的试验。东部现场有4段试验曲线，曲率从6.8°至10°不等。在通过了大约2.1亿总吨数后，所有的优质钢轨都保持着良好的技术特性，与自然磨损相比，轨头面积的损失不到4%，也未出现滚动接触疲劳及内部缺陷。这4条试验曲线的良好表现归功于南诺福克公司采用的有效轨距面润滑措施和轨顶摩擦控制措施。通常在通过3000万总吨数后该地区的钢轨就应该进行预防性打磨，而采用上述措施后，这4条试验曲线无需进行打磨。

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    东部试验现场的两组曲线（每组各6条曲线）使用的钢轨年限不同、型号各异。对轨顶摩擦控制工艺对钢轨的作用进行了监测。其中一组曲线同时采用轨距面润滑和轨顶摩擦控制，另一组曲线仅采用轨距面润滑措施。最近的测量（1.5亿总吨数）显示，采用轨顶摩擦控制使垂直磨损降低了近30%。此外，轨顶摩擦控制还减少了因钢轨打磨操作造成的钢轨材料的损失。这些都说明轨顶摩擦控制减少了滚动接触疲劳的产生。图2显示的是这两组曲线内轨平均垂直磨损的比较情况。其中一组采用了轨顶摩擦控制措施，而另一组未采用。图2显示的垂直磨损，包括自然磨损及因钢轨打磨造成的材料损失。

    东部试验现场通过的年总吨数约为2.5亿，从2005年9月开始，对其中的部分优质钢轨进行了试验。西部试验现场有3条试验曲线，曲率在1到2度之间。所有的试验钢轨都呈现良好的抗磨损性能。这些钢轨的预计最低使用寿命的通过总吨数为28亿。但2度试验曲线出现了滚动接触疲劳的问题，当通过总吨数达到3.75亿时，需要对曲线内轨进行修正性打磨；达到6.9亿时，进行第二次打磨（见图3）。当这些曲线通过的总吨数达到6.9亿时，也需要对曲线外轨进行修正性打磨。

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图2 轨顶摩擦控制对曲线内轨垂直磨损的作用

 
 
图3 西部现场中因自然磨损和修正性打磨造成的钢轨金属损失

    从2008年9月开始，西部现场优质钢轨的试验将重点放到了利用轨顶摩擦控制或修正性打磨延长钢轨的使用寿命上。为此，在一条2度曲线上安装了轨顶摩擦控制装置；在另一条2度曲线上每通过0.6～0.9亿吨实施一次性通过预防性打磨。由于1度曲线至今（通过总吨数为8.8亿）几乎未出现滚动接触疲劳，因此，该曲线一直未进行预防性打磨。

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宽焊缝

    最近公布了一份有关东部试验现场32条宽焊缝钢轨（由两家供应商提供）试验结果的报告。在通过大约2亿总吨数后，其中一种产品状况良好；另一种产品在安装一年通过1.44亿吨后状态良好。但是，大多数的试验钢轨（70%）都出现轻微的塑性流动，或出现轨距角剥落。由于这些焊缝位于优质钢轨试验曲线内，一直未进行打磨处理。通常要定期进行打磨，减缓钢轨表面出现异常情况。为防止钢轨表面状态转变为钢轨缺陷，2009年5月，进行了人工打磨。

钢轨绝缘节与轨卡

    2004年夏天，在西部试验现场安装了8套钢轨绝缘节。其中7套采用了改进的设计，1套仍采用传统的设计。采用传统设计的这套绝缘节于2006年通过总吨数为3.3亿时失效。2007年完成了对这些绝缘节荷载环境数据检测，对其长期特性的检测目前仍在继续。大约通过总吨数为10亿时，7套新设计绝缘节中的2套才因连接杆出现裂缝而失效，与传统设计的绝缘节相比，使用寿命至少提高了2倍。图4显示的是因连接杆出现裂缝而失效的绝缘节。连接杆断裂是由于钢轨运行表面粗糙造成车轮冲击力大所致。

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图4通过总吨数达10.1亿时，因连接杆断裂造成绝缘节失效

    2007年，在西部试验现场选择了3个不同绝缘节试验点（2处采用传统的绝缘节，1处采用新设计的绝缘节）对混凝土轨枕轨道轨卡进行试验。最近公布了一份有关该项试验及试验结果的报告。安装在绝缘节处的轨卡对减少钢轨锁定温度的变化未起到多大的作用；当传统绝缘节试验点的连接杆发生断裂时，对防止钢轨锁定温度的下降也未起到多大的作用。

塑料轨枕与弹性扣件
 
   自2004年至今，对东部试验现场安装在1条6.8度曲线上的二种塑料轨枕的特性监测一直在继续。通过2.5亿吨后，这些轨枕性能仍然良好。图5显示的是采用二种塑料轨枕轻质轨道加载装置后轨距强度下降的试验结果，以及在同一曲线上采用木枕的情况。尽管塑料轨枕轨距展宽稍大，其表现出的轨距强度下降趋势与木枕相似。

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图5 塑料轨枕轨距强度下降示意图

     由于在同一曲线相邻螺旋线上出现轨距变宽的情况，2009年4月对整条试验曲线重新进行了轨距调整。塑料轨枕轨道轨距调整采用的方法与木轨枕轨道使用的方法相同，包括拔除道钉、用合成材料填补道钉孔以及重新在轨枕垫板上打入道钉。只有塑料轨枕需要为其侧缘旁边的道钉重新钻孔。塑料轨枕中只有其中的2根出现很小的裂缝。
    在东部试验现场，自2005年6月至今，一直未间断对安装在8度曲线上的两种弹性扣件装置进行特性监测，在通过重载运输2.25亿吨后，未出现较为严重的质量问题。

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引桥

    尽管造成两个试验现场出现引桥问题的原因明显不同，还是将引桥试验作为重载商业运输监测计划的重要组成部分。试验最初阶段的目的是找出近2年出现问题的主要原因，试验的重点是对整治方案的选择、设计、实施及监测。

    东部试验现场出现的主要问题与小半径曲线上的无砟桥面钢桥有关，包括线路方向及平交道口问题。造成这些问题的主要原因是轨道横向强度不一致（发生在轨枕及道砟/桥梁接口处）、桥墩偏斜，在某些地方还出现路基问题。用砟桥面代替无砟桥面的主要目的是解决轨道横向强度和横断面水平支撑的问题，这是非常有效的一种整治方法。两座在10～11度曲线上的桥梁，过去需要每月进行桥梁几何尺寸的维护，自从替换为道砟桥面后，未出现桥梁尺寸方面的问题。

    图6显示的是位于小半径曲线上的一座无砟桥面钢桥的两端引桥横向方向问题（涉及不平顺问题，即根据轨道实际几何尺寸检测车测量数据进行的均方计算值）得到改善的情况。如图所示，与修复后相比，修复前桥梁线路方向上的不平顺程度要严重得多。

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图6 改变桥面机构后，方向问题得到了改进

    将无砟桥面改为有砟桥面，虽然取得了一定的效果，但成本太高，同时又不能解决由于路基引起的引桥问题。目前，美国联邦铁路局运输技术中心正寻求其他的修复方法，既能解决成本高的问题，也可解决由路基引起的问题。

    东部试验现场出现的引桥问题与安装了标准混凝土轨枕的道砟桥面桥（混凝土桥及钢桥）有关。以往的检测数据显示，这些桥梁上的轨道刚性非常大，而阻尼却非常低，这对车辆/轨道之间相互动态作用是不利的。这些桥梁经常引起大冲击力，造成轨道构件及轨道尺寸质量迅速下降，还会造成翻浆冒泥。

    为了解决钢轨刚性及阻尼问题，2007年9月，在东部试验现场的一座试验桥梁上用安装了橡胶垫的轨枕代替标准的混凝土轨枕。这座桥梁曾出现过严重的翻浆冒泥和轨枕裂缝问题（该桥引桥的一根钢轨出现断裂）。为排除轨道内的积水，改善了轨道的排水条件。桥梁主体及引桥在通过约4亿吨后状况仍然良好。

（翻译：宋文伟  西安铁路局科学技术研究所情报室）