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无缝线路钢轨在线修复技术张豪（石家庄铁道大学，材料科学与工程学院，河北 石家庄，050043）摘要：为了保证铁路系统的正常通行，对无缝线路的损伤钢轨应尽量进行在线修复。文通过对目前我国采用较多的在线修复技术，如轮轨润滑技术、钢轨整修技术、原位换轨技术、热喷涂（热喷焊）技术和钢轨在线堆焊技术的工艺方法、焊后组织性能及工程优缺点进行了分析探讨，并指出了以上五种技术各自存在的局限性，为我国的钢轨在线修复技术的发展提出了新的方向。关键词：钢轨磨损；钢轨整修润滑；原位修复；热喷涂；堆焊修复 中图分类号：U213.42, TG44 文献标识码：ADiscussion on the on-line wear repairing technologies of the continuously welded rail Zhang Hao(Shijiazhuang Tiedao University，the Institute of Materials Science and Engineering，Hebei Province Shijiazhuang ，050043)Abstract:In order to ensure the normal operation of railway system, the wear of the continuously welded rail (CWR)should be repaired on-line. At first, the characteristcs of the current rail repaired technologies, such as rail lubricating technology, rail recondition technology, in-situ replacement of rail, thermal spraying repairing and surfacing rail welding, were reviewed in detail. By comparing and analyzing of the above technologies in process methods, properties after welding and feasibility in engineering, their limitations were pointed out respectively.Finally, the new direction was proposed in our on-line wear repairing technologies of the CWR in the future.Key words: Rail wear; rail lubricating and recondition technology ; in-situ replacement of rail ; thermal spraying repairing ; surfacing rail welding引言：高速、重载及无缝线路已成为铁路发展的必然趋势。与普通线路相比，无缝线路至少能节省15%的经常维修费用，延长25%的钢轨使用寿命。此外，无缝线路还具有减少行车阻力、降低行车振动及噪声等优点。根据对我国在线无缝钢轨的损伤部件材料物相分析发现，钢轨的损伤原因有两种：一种是钢轨的自身质量引起的损伤，此类损伤不仅严重危及行车安全，而且不能更新修复，只能更换新轨；另外一部分损伤是钢轨在正常运行中产生的，列车高速通过时的巨大冲击载荷促使伤损部位的裂纹一直发展形成轨头横向疲劳裂纹。主要表现为轨面剥离，波浪形磨损，轨头压溃，裂纹和轨面断裂等1。根据无缝钢轨磨损形式及损伤程度的不同，可以采用不同的修复方式。1 目前采用的钢轨修复方法对于磨损不太严重的钢轨，可以采取钢轨润滑的方式对钢轨进行在线维护，改善列车曲线通过性、稳定性和安全性。对磨损严重达不到重伤的钢轨，可以直接在线上对其修复，主要的在线修复技术：钢轨打磨修复技术、原位修复技术、热喷涂(喷焊)技术、钢轨表面焊补修复技术四类。1.1 轮轨润滑技术轮轨润滑作为一种投资少、见效快的钢轨养护方法，因其巨大的经济效益在现场实践中得到了广泛应用。目前轮轨润滑技术大致分为车载轮缘润滑系统、车载钢轨润滑系统、地面钢轨润滑系统和车载轮缘固体润滑技术。按润滑剂分为润滑油、润滑脂、油性润滑剂、固体润滑剂。润滑技术可以有效地减小轮缘及轨侧的磨损，因此，轮轨润滑技术通常与曲线钢轨的非对称打磨相结合来减轻重载曲线钢轨的侧磨问题，延长重载曲线钢轨的使用寿命2。但是由于高速铁路失效的主要原因是钢轨接触疲劳及钢轨斜裂纹导致的钢轨断裂，大量研究表明钢轨润滑会加速钢轨疲劳裂纹的扩展，造成钢轨断裂和脱轨事件的发生3，由此可知钢轨的润滑技术并不是钢轨修复的万能方式，必须处理好润滑、打磨和疲劳扩展之间的关系，才能够减低经营成本和风险。为了解决这个问题，美国阿贡物理实验室的研究人员提出利用激光对钢轨表面进行“涂釉”处理的方法。试验结果表明，大功率激光在钢轨表面掠过时，会使钢轨表面极薄一层熔化，同时又很快凝固硬结。这样就可使钢轨表面变得更加平滑坚固，车轮对钢轨的摩擦系数便可降低40%左右，而钢轨本身的摩擦损耗则可降低75%。1.2 在线钢轨表面伤损整修技术目前我国的钢轨表面伤损的整修多采用在线钢轨整修技术来实现，主要包括钢轨打磨和钢轨铣磨两种技术。钢轨打磨有机械化的打磨列车和手工打磨机具两种。钢轨铣磨目前主要是机械化的铣磨列车。1.2.1钢轨打磨技术在高速铁路运营过程中，由于疲劳伤损的增加，钢轨打磨技术作为铁路工务部门在线路养护维修中的一种重要方法在国外发展很快并得到广泛的应用。在线钢轨的整修要求为：不影响龟头强度，消除伤损，恢复良好的纵向平顺度和横向轮廓。钢轨打磨正是一种通过研磨材料的旋转、平移或滚动等来磨耗掉相应部位的表面金属，以恢复钢轨纵、横断面轮廓的方法。根据钢轨打磨的目的和所希望的效果不同，主要可划分为矫正性打磨、维护打磨、预防性打磨、钢轨预打磨与钢轨不对称打磨五种类型。经过同济大学的周宇等人的研究发现，在消除磨损方面：可较好的消除顶面伤损，特别是波磨及顶面裂纹和剥离掉块。伤损严重时需要多次打磨，作业效率低。在恢复轨头型面方面：可较好的恢复钢轨的纵向平顺度，横向多角度布置电机以实现钢轨横断面轮廓修复。同时结合轮轨润滑技术实现减缓钢轨表面缺陷的发展，提高钢轨表面平滑度，进一步达到改善旅客乘车舒适度，降低轮轨噪音，延长钢轨的使用寿命的目的。缺点是：对轨距角或外侧角的小半径圆弧的打磨量不宜控制，作业时易产生飞溅的火花，金属粉尘和噪声，会影响空气，恶化作业环境，作业的准备时间长4。西南大学的金学松等人通过大量的研究论述了钢轨打磨技术与轮轨接触疲劳、磨耗、噪声、润滑之间的关系和相互作用模型。提出了针对不同的打磨方式采用不同的打磨参数和开展打磨钢轨型面模型研究，综合考虑打磨策略、打磨限值、打磨参数和质量控制标准的钢轨打磨效益的分析研究方向5。1.2.2钢轨铣磨技术钢轨铣磨技术首先是利用刀盘圆周面上的铣刀对钢轨顶面、规矩圆角和工作边同时进行铣削加工，消除钢轨表面损伤，然后经过铣削刀盘后面的打磨盘对钢轨表面进行打磨，消除钢轨表面的棱角的。它概括性的可分为铣削和打磨两套程序。铣磨技术适合消除钢轨顶面波磨、裂纹和剥离掉块，伤损严重时可通过增加切削量一次铣磨，进而得到平顺度更好的钢轨表层。由于通过预先设计好的刀粒排列方式，作业前无需进行刀盘调整，无需拆除轨旁设备，准备工作时间短，效率较高同时作业对空气、噪声的污染小。但是需要指出的是，打磨车的适应性更强，能适合不同的钢轨轮廓。在作业速度方面，以SF03-FFS铣磨车为例，它的作业速度是025 m/s，合1.2km/h；以PGM-45打磨列车为例，它的作业速度是1.616 km/h ，大于10km/h 时，金属的切削量大幅下降，国外一般设为68km/h ，单边作业速度为铣磨车的6倍左右。我们需要根据根据轨道的需要打磨次数确定哪种方法的实际效率更高。根据对比表明，虽然钢轨伤损的在线整修技术可以消除钢轨表面较严重的损伤，如肥边、疲劳裂纹等，但铣磨量的增大也会较多的消耗轨头金属，对较深的焊接接头的改善效果不太理想。在作业前，要注意做好钢轨横、纵向断面的测量工作，以及伤损与不平顺的分析。1.3 钢轨原位修复技术所谓原位修复是将伤损钢轨进行永久性修复的一种新方法。当轨温低于实际锁定轨温,将重伤或折断的伤损钢轨锯切, 插入短轨或不插入短轨, 用液压钢轨拉伸器张拉已经收缩的钢轨,进行重焊。钢轨原位修复技术可以分为插入和不插入短轨两种修复方法。对钢轨折断原位修复的最基本要求是保证无缝线路锁定轨温不改变。钢轨折断原位修复与传统修复方法相比, 节省人力 80%、节省器材70%、封锁时间缩短40%。这种钢轨折断的修复方法已在英、德、日等国家得到应用。自1993年以来,铁建所与郑州铁路局工务处、许昌工务段合作进行多次不插入短轨原位修复试验,也取得了很好的效果6。1.4 热喷涂表面修复技术热喷涂是利用某种热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态，同时借助于焰流或高速气体将其雾化，并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表面，沉积成具有某种功能的涂层技术。根据根据热源不同，可分为氧乙炔火焰喷涂和等离子喷涂，前者利用火焰为热源，后者利用等离子射流作为热源。热喷涂技术的基本特点是它具有真正的叠加效果，被喷涂的零件表面受热影响小，不易变形且工艺操作程序简单效率高。等离子喷涂的热源温度高，能用于难熔金属的喷涂，但是它的噪声很大使其在钢轨修复中受到了限制。天津纺织工学院唐英等采用铁镍基自熔性合金粉末，通过氧乙炔火焰喷焊工艺对运行中的磨损钢轨进行表面修复取得了很好的效果7。热喷涂对钢轨表面要求比较高，且需要进行钢轨热处理。一般情况下列车的间隙时间较短，使其表面清洁和热处理时间不充足，虽然钢轨表面的硬度和耐磨性得到了提高，但容易出现喷涂层热应力大、易开裂的现象。此外现场施工时粉末利用率低且无法回收，造成材料浪费严重。郭俊玲和武御卿指出在大秦线上热喷涂修复钢轨折损现象严重8。他们认为虽然喷焊钢轨在一定时期内延长了钢轨的使用寿命，节约了维修成本，但无限期延长使用时间会造成疲劳加剧，产生核伤，造成钢轨横裂甚至折断，威胁行车安全。1.5 钢轨堆焊修复技术堆焊是指为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的一种焊补技术。钢轨伤损中相当一部分是钢轨在正常运行中产生的，如钢轨局部的磨耗，机车轮空转打滑所产生的踏面擦伤、轨端淬火层的剥落等。这些伤损通常可以通过堆焊修复以改善路况，延长钢轨的使用寿命。根据堆焊方法的不同，钢轨焊接修复可分为手工电弧焊补修复、埋弧焊自动修复和自保护药芯焊丝修复三大类。1.5.1 手工电弧焊补修复传统的钢轨焊接修复多采用灵活、方便、成本低的焊条手工电弧焊进行焊补，根据是否需要焊前预热和焊后缓冷，大致可分为热焊和冷焊两大类。TY320焊补作业属于“热焊”，即焊前须对基体进行预热，且在焊接过程中要求清渣干净，否则容易引起冷裂等焊接缺陷；而KD286焊补属于“冷焊”，即焊前无须对基体预热。目前我国钢轨修复冷焊多采用高锰钢焊条9，焊层组织经车轮碾压易生成脆硬马氏体，会降低焊补层的冲击韧性，容易开裂、剥离；正常条件下热焊的焊补层无马氏体组织，满足TB/T177993要求。铁道部钢轨电弧焊补技术条件（TB/T 1631-2002）推荐采用的堆焊焊条为D14710。但是，由于电弧焊能量密度低导致焊接时间长，加上钢轨预热和焊后缓冷的时间，热焊工艺作业时间长，不利于正常行车要求。此外，必须指出的是，手工电弧焊虽然灵活方便，但修复速度慢，难以实现自动化操作，受人为因素干扰较大。1.5.2 埋弧焊自动修复与手工电弧焊相比，埋弧焊一方面焊接电流大，具有生产效率高、焊缝质量好、节约焊接材料和电能、改善劳动条件等优点，但是另一方面熔池金属高温停留时间长，冷却速度慢，导致组织粗化，韧性降低，易产生裂纹。针对这种矛盾情况，大量研究人员研究发现采用双丝埋弧焊补可以较好的弥补两者的不足。其中，西南交通大学王元良等人采用细丝双丝填丝埋弧自动堆焊修补伤损钢轨11，避免了采用过大焊接电流带来的组织粗化问题，还可以改善焊补区域温度场，有利于减少裂纹倾向和气孔倾向，同时通过选用不同的金属焊丝进行焊接还可以起到掺合金作用，进一步加强了焊补层的机械性能。金华工务段徐朝明采用双埋弧分离自动焊进行焊补12，双丝双埋弧分离焊接虽然能改善焊补组织的温度场，但其焊前和焊后仍需预热和回火，焊补工序繁琐的缺点仍不能根本解决。1.5.3 自保护药芯焊丝修复由于以上两种方法都不能很好的解决冷焊焊层组织的马氏体生成和热焊过程中工序繁琐、焊接周期长的缺点，为具有熔敷速度大、低成本、易实现自动化等特点自保护药芯焊丝提供了用武之地，很多人致力于在冷焊条件下的用自保护药芯焊丝对钢轨进行修复。西南交通大学陈辉等人先是采用Ni29自保护药芯焊丝进行了钢轨冷焊修补试验，经测验表明焊缝和热影响区没有出现裂纹，证明了采用特殊的焊丝可以实现钢轨的冷焊修复13。在此基础上，针对先前冷焊过程中的焊层硬度稍低和耐磨性不够的情况，先后采用JDHB-1焊材进行多道焊、焊后缓冷14和采用双丝串列堆焊技术15，明显提高了堆焊的效率，焊补层和过热区的冲击功都满足了满足铁道部标准(TB T16312002)对焊补层冲击性能的要求。采用自保护药芯焊丝堆焊的焊层组织、综合机械性能和焊补的效率都得到了很大的提高，具有巨大的工程价值和经济效益。采用堆焊的方式进行钢轨修复在我国的现场实际中已经得到了广泛的使用，且工艺技术也已经日趋完善，但是提高它抵抗环境和人为因素影响、提高自动化程度、加强与计算机技术结合的还仍是以后研究的重点。1.5.4激光熔覆焊补技术激光熔覆技术是随着激光技术发展起来的一种新工艺，它具有热影响区小、表面质量好、冶金结合强度高等优点，能够有效地提高金属零部件的表面耐磨性，延长服役时间。铁基合金材料的激光熔覆与基体具有较好的相容性，且成本低廉，具有重要的研究意义和经济价值。北京工业大学的杨胶溪和刘华东等人通过利用激光宽带覆熔技术，同步送自熔性Fe 基粉末的方式对U71Mn 钢轨表面进行强化实验16，获得了与钢轨冶金结合的1mm左右无裂纹、气孔等缺陷的高性能熔覆层。涂层的静载荷承受能力较高，但在激光熔覆层与基本的熔合区存在硬度拐点且出现了脆硬的马氏体组织，是由于激光快速加热及快速冷却造成的。2 各种钢轨修复技术的对比表1为以上五种无缝钢轨在线修复技术的优缺点对比表1 各种钢轨在线修复技术的优缺点对比优点缺点轮轨润滑技术投资少、见效快、有效地减小轮缘及轨侧的磨损加速钢轨疲劳裂纹的扩展，使用范围受限制钢轨打磨技术能有效的消除表面不平顺，轨头表面缺陷，恢复钢轨轮廓，可以与润滑技术结合使用不能从根本上修复钢轨的损伤，过度的打磨将使换轨成为必然原位修复能实现钢轨的永久性修复锁定轨温要求高，增加了焊接接头数目钢轨堆焊修复工艺方法多，焊层组织性能优异，能满足不同线路钢轨的修复要求受作业环境和人为因素影响较大，不易实现与计算机技术的相结合3 结论通过对我国损伤钢轨的修复工艺的研究，得出：1. 对于损伤程度低或是对钢轨的日常性维护，我们可以采用简便、经济的钢轨润滑技术和激光上釉的方法提高钢轨的表面清洁度，减小相对摩擦起到延长钢轨的服役寿命的作用；2. 对于钢轨出现了一些轻微的损伤，可以采取钢轨表面整修技术对钢轨实现在线的表面损伤修复。针对在重载无缝线路中侧磨较严重的情况适宜用钢轨打磨列车对钢轨进行表面打磨，使其保持良好的钢轨轮廓；对于高速无缝钢轨的疲劳损伤多采用铣磨列车作业修复。3. 那些服役时间较长、损伤较严重的钢轨，我们有必要采用堆焊修复的方法对钢轨表面裂纹、缺陷进行焊补修复，提高钢轨表面焊补层的机械性能，延长钢轨的寿命，但是应注意焊补层的组织成分，避免大量的马氏体组织出现；4. 对于钢轨表面损伤非常严重的情况，以上方法对钢轨的修复就不合适宜了，我们应利用钢轨原位修复技术对其进行永久性的修复，这种方法已经在国外得到了很好的利用，取得了很显著的效果。 但是现有的修复技术仍存在一些明显的不足，例如随着我国铁路高密度运输量和快速运输的要求，加强与计算机技术相结合进而进一步提高修复的自动化和效率成为我们研究的重点。参考文献1 卢观健,杨克.钢轨损伤的形态特征及其失效机理J.铁道学报,1996,18(3):120-124.2 张念.我国铁路轮轨润滑技术的发展J.中国铁路,2009(9):38-43.3 刘启跃,王文健,周仲荣.高速与重载铁路钢轨损伤及预防技术差异研究J.润滑与密封,2007,32