第二节　钢轨

一、钢轨的作用、类型及长度

1.钢轨的作用

钢轨是轨道的主要组成部件。钢轨的功用在于引导机车车辆的车轮前进，直接承受来自于车轮和其他方面的各种力，且传递给轨下基础，并为车轮的滚动提供连续平顺和阻力最小的表面。在电气化铁路或自动闭塞区段，钢轨还可兼供轨道电路之用。

2.钢轨的基本要求

为适应铁路高速、重载的需求，钢轨正向重型化、强韧化及纯净化发展。为完成上述功能，对钢轨质量、断面、材质三要素均提出了相应的要求。

（1）足够的强度和耐磨性

钢轨的工作条件十分复杂，车轮施加于钢轨上的作用力具有很强的随机性。除轮载外，气候及其他因素对钢轨受力也有影响。例如，轨温变化使钢轨内部产生极大的温度力，特别是在无缝线路上。

钢轨是作为一根支承在弹性基础上的无限长梁进行工作的。它主要承受轮载作用下的弯曲应力，但是也必须有能力承担轮轨接触应力，以及轨腰与轨头或轨底连接处可能产生的局部应力和温度变化作用下的温度应力。在轮载和温度力的作用下，钢轨产生复杂的变形：压缩、伸长、弯曲、扭转、压溃、磨耗等。为使列车能够安全、平稳和不间断地运行，钢轨必须保证在轮载和轨温变化作用下，应力和变形均不超过规定的限值，这就要求钢轨具有足够的强度、韧性和耐磨性能。

（2）较高的抗疲劳强度和韧性

钢轨长期在列车重复荷载作用下工作，随着轴重增加和钢轨重型化，轨头部分的疲劳伤损成为钢轨伤损的主要形式之一。为防止轨头内侧剥离及由此可能引起的钢轨横向折断，钢轨应具有较高的抗疲劳强度和较好的冲击韧性。

（3）一定的弹性

钢轨依靠本身的刚度抵抗轮载作用下的弹性弯曲，就要求钢轨应具有足够的刚度，但为了减轻车轮对钢轨的动力冲击作用，防止机车车辆走行部分及钢轨的折损，又要求钢轨具有必要的弹性。

（4）足够光滑的顶面

对车辆来说，车轮与钢轨顶面之间的摩阻力太大会使行车阻力增加，就要求钢轨有一个光滑的滚动表面；而机车依靠其动轮与钢轨顶面之间的摩擦作用牵引列车前进，则要求钢轨顶面具有一定粗糙度，以使车轮与钢轨之间产生足够的摩擦力。从这一矛盾的主要方面出发，钢轨仍应维持其光滑的表面，必要时，可用向轨面撒砂的方法提高机车动轮与钢轨之间的黏着力。

（5）良好的可焊性

随着轨道结构无缝化的发展趋势，区间无缝线路和跨区间无缝线路的大范围应用，钢轨应具有良好的可焊性，以便采用无缝线路。

（6）高速铁路钢轨的高平直度

钢轨的平直度要求对轨道平顺性有决定性的重要影响；同时轨端平直度、对称性对钢轨焊接也有很大影响；高速铁路对钢轨平直度的要求比一般线路更高更严，控制指标也更多更全面。

3.钢轨的类型

钢轨类型习惯上用每米大致质量的千克整数（kg/m）表示。我国铁路标准钢轨有75kg/m、60kg/m、50kg/m、43kg/m、38kg/m等。

线路上的钢轨类型应与运量、容许速度和轴重相适应。钢轨类型的选择要根据运输条件综合考虑，在技术上要能保证足够的强度、韧性、耐磨性和稳定性；在经济上要能保证合理的大修周期，减少养护维修工作量。

4.钢轨长度

我国钢轨的标准长度有12.5m和25.0m两种。特重型、重型钢轨采用25.0m标准长度钢轨，其他类型轨道可采用12.5m、25.0m标准长度钢轨。

新建、改建铁路正线采用60kg/m钢轨的跨区间无缝线路，重载铁路正线宜采用60kg/m及以上类型钢轨的无缝线路。钢轨优先采用100m（60kg/m）、75m（75kg/m）长定尺轨。

曲线缩短轨长度有比12.5m标准轨短40mm、80mm、120mm的三种，比25.0m标准轨短40mm、80mm、160mm的三种。

二、钢轨断面形状和尺寸

在直线地段钢轨的受力主要是垂向力，其结果是使钢轨挠曲。由于钢轨被视为支承在连续弹性基础上的无限长梁，而梁抵抗挠曲的最佳断面形式为工字形。因此，钢轨采用工字形断面，由轨头、轨腰和轨底三部分组成。

钢轨头部是直接和车轮接触的部分，为改善轮轨接触条件，提高其抵抗压陷和耐磨的能力，轨头宜大而厚，具有和轮箍踏面相适应的外形，并具有足够的面积，以备磨耗；为使钢轨有较大的承载能力和抗弯能力，钢轨腰部必须有足够的厚度和高度，轨腰的两侧或为直线，或为曲线，而以曲线为最常用；钢轨底部直接支承在轨枕顶面上，为保持钢轨稳定，轨底应有足够的厚度和宽度，并有必要的刚度和抵抗锈蚀的能力。轨底顶面的斜坡，可作为单坡和折线坡。

钢轨的头部顶面宽（b）、轨腰厚（t）、轨身高（H）及轨底宽（B）是钢轨的四个主要参数，它们的面积分配应根据各方面条件综合考虑，选择一个最适当的比例。目前的几种主要钢轨标准断面和轨端侧面尺寸见图1-1及表1-3。

60kg/m钢轨断面尺寸如图1-2所示。

三、钢轨伤损标准

钢轨伤损是指钢轨在使用过程中发生钢轨折断、钢轨裂纹以及其他影响和限制钢轨使用性能的伤损。钢轨伤损分为轻伤、重伤和折断三类。

1.钢轨轻伤和重伤标准

钢轨轻伤和重伤标准见表1-4～表1-6。探伤人员、线路（检查）工长认为钢轨有伤损时，也可判为轻伤或重伤。

《既有线提速200～250km/h线桥设备维修规则》规定钢轨轻伤和重伤标准见表1-7～表1-9。

续上表

波浪型磨耗是指钢轨踏面因磨耗而形成的规律性不平顺，波长30～80mm者称为波纹磨耗，80mm以上者为波浪磨耗。波浪型磨耗产生的原因比较复杂，与轨道弹性和钢轨的屈服强度有关。当波浪型磨耗较重时，轮轨之间作用力和轨道振动增大，对轨道的破坏性也增大，不仅加大了养护维修工作量，甚至养护维修十分困难。但对达到什么程度应该更换，尚缺乏这方面的经验，故应采用打磨列车适时打磨或更换。

2.钢轨折断标准

钢轨折断是指发生下列情况之一者（图1-5）：

（1）钢轨全截面断裂；

（2）裂纹贯通整个轨头截面；

（3）裂纹贯通整个轨底截面；

（4）允许速度不大于160km/h区段钢轨顶面上有长度大于50mm且深大于10mm的掉块，允许速度大于160km/h区段钢轨顶面上有长度大于30mm且深度大于5mm的掉块。

普通线路和无缝线路缓冲区的重伤及折断钢轨应及时更换。换下的重伤和折断钢轨应有明显的标记，防止再用。无缝线路钢轨重伤和折断，应按规定处理。在桥上或隧道内的轻伤钢轨，应及时进行更换或处理。

3.钢轨病害整治限度

应做好钢轨养护维修工作，预防和整治钢轨病害，延长钢轨使用寿命。当钢轨出现表1-10的病害时，应及时处理。应对轨面擦伤和剥落掉块进行焊补，打磨钢轨肥边、马鞍型磨耗等，加强接头错牙、硬弯等病害的处理，并结合更换道砟、垫砟、垫枕下大胶垫等方法，综合整治钢轨接头病害。应有计划地采用钢轨打磨列车进行预防性打磨，当钢轨顶面轮轨接触处出现鱼鳞裂纹或波浪型磨耗达到轻伤时，应安排修理性打磨。

曲线地段应根据钢轨状况合理安排润滑，易受侵蚀地段可在钢轨上涂抹防锈剂。

曲线地段钢轨侧面磨耗在未达到轻伤标准前，应有计划地调边或与使用地段钢轨倒换使用。常备轨应有计划地与线路上的钢轨倒换使用。

四、钢轨伤损特征和形成机理

从钢轨伤损的宏观特征与形成机理方面，可分为核伤、螺孔裂纹、水平裂纹、纵向裂纹、擦伤裂纹和焊接接头伤损等。

1.核伤

轨头核伤是最危险的一种钢轨伤损形式。钢轨在列车作用下会突然断裂，严重影响行车安全，如图1-6所示。轨头核伤产生的主要原因是轨头内部存在微小裂纹或缺陷（如非金属夹杂物及白点等），在重复动荷载作用下，钢轨走行面以下的轨头内部出现极为复杂的应力组合，使细小裂纹先是成核，然后向轨头四周发展，直到核伤周围的钢料不足以提供足够的抵抗，钢轨在毫无预兆的情况下猝然折断。所以钢轨内部材质的缺陷是形成核伤的内因，而外部荷载的作用是外因，促使核伤的发展。核伤的发展与运量、轴重及行车速度、线路平面状态有关。为确保行车的安全，要定期进行钢轨探伤检查。

2.轨腰螺栓孔裂纹

钢轨端部轨腰钻孔后，强度削弱，螺栓孔周围产生较高的局部应力，在列车冲击荷载作用下，螺栓孔裂纹开始产生和发展。螺栓孔裂纹主要来自钻孔时产生的微小裂纹，而养护不当又促进了裂纹的形成和发展。钢轨接头养护维修的状态，对螺孔应力的影响极大，特别是高低错牙、轨端低塌、鞍形磨耗及道床板结影响最大。为防止螺孔周边应力集中，采用把螺孔周边镗光的效果非常显著。

3.焊缝伤损

焊缝伤损是在焊缝处（包括热影响区）的伤损，一般的焊缝伤损是钢轨在焊接中留下的原始缺陷发展而成。目前我国的无缝线路焊接方法有三种：接触焊、气压焊和铝热焊。接触焊和气压焊是通过加热、熔化、顶锻、塑变及再结晶工艺过程将钢轨焊接而成，两者的不同之处一个是电加热，另一个是氧乙炔火焰加热，都是锻造型焊接工艺。铝热焊工艺是根据铝和铁还原反应产生的热量使焊接填充金属材料和两端钢轨熔化、融合、再结晶的过程，是一种铸造型焊接工艺。由于焊接的工艺不同，所产生的伤损也不同。

铝热焊的主要伤损有夹渣、气孔、缩孔、疏松、未焊透和裂纹等。接触焊主要伤损有灰斑、裂纹、烧伤等。气压焊的主要伤损有光斑、过烧、未焊透等。这些焊接缺陷不同程度降低了焊缝的机械性能，也是运营过程中产生早期疲劳裂纹的裂纹源，如图1-7所示。

五、钢轨的合理使用

应根据钢轨综合经济效益分析，确定钢轨合理的使用周期，实行钢轨分级使用制度，并积极做好旧轨的整修工作。

1.钢轨分级使用

钢轨分级使用包含两个方面的含义：钢轨的二次或多次使用和钢轨在一次使用中的合理倒换使用。

钢轨的二次使用是指钢轨在繁忙线路上运营以后经过旧轨整修，再把它铺设到运量小的铁路上再次使用，可以延长钢轨的使用寿命和提高钢轨的使用效率。重型旧轨的多次使用，可使整个非繁忙线路的设备得到显著加强。在货运密度小的线路上采用重型钢轨，即使是旧轨，也将大大提高线路稳定，并能以较少的材料和劳动力来保证轨道的正常养护。旧轨整修通常分为三类：综合整形轨、一般整修轨和焊接再用长轨条。

现代钢轨的高质量、耐久性和可靠性，为钢轨的多次使用提供了可能性。钢轨设备的运营制度应是阶梯式的，钢轨随着其承载能力的减弱而逐步换到运量较小的区段上使用。

钢轨在一次使用中的倒换使用是钢轨合理使用的另一个方面。我国幅员广阔，铁路线路的条件相差很大，即使在同一区段，由于不同的轨道结构，钢轨伤损的速率也是不一样的，钢轨寿命的长短差别很大，在同一区段线路上将曲线轨道上下股钢轨倒换使用或直线与曲线钢轨倒换使用，是延长钢轨使用寿命的另一措施。

2.钢轨整修技术

钢轨整修分厂内修理和现场修理。厂内修理的主要作业内容有机械清洗、除锈、钢轨矫直、钢轨全长探伤、钢轨接触面修整、钢轨焊接、钢轨截锯及钻孔等。现场修理则主要是对钢轨接头病害的整修，主要有磨修和焊补两种作业方式。磨修即采用砂轮打磨机消除钢轨轨面不均匀磨耗或焊补掉块、剥离等缺陷后的打磨顺平。随着打磨列车的出现，磨修成为整治钢轨接头病害的主要手段，对于大范围的钢轨表面修理则采用打磨列车作业。当轨面不均匀磨耗、掉块、擦伤等病害接近或大于1mm时，应以钢轨焊补作业为主。

3.钢轨打磨

钢轨打磨技术最初用于消除钢轨波形磨耗、车轮擦伤及接头处的马鞍形磨耗，随着钢轨打磨技术的应用发展，钢轨打磨列车应运而生，钢轨打磨也从最初的钢轨修理转向钢轨保养，现在已发展成为一种多功能的现代化养护技术。根据钢轨打磨的目的及磨削量，钢轨打磨可分为预防性打磨、修理性打磨和钢轨断面打磨三类。

（1）预防性打磨

预防性打磨近来已发展成为控制钢轨接触疲劳的技术，力图控制钢轨表面接触疲劳的发展，钢轨打磨周期较短，以便在钢轨表面裂纹萌生时就予以消除。与修理性打磨相比，它可在钢轨上道后马上进行，也可在钢轨表面萌生疲劳伤损时立即进行，如果打磨时机选择恰当，可大大减缓钢轨伤损的发展，延长钢轨使用寿命。

（2）修理性打磨

修理性打磨主要用来消除钢轨的波形磨耗、车轮擦伤及轨面裂纹等，钢轨的一次磨削量大，钢轨打磨周期较长。

（3）钢轨断面打磨

钢轨断面打磨是通过钢轨打磨改变钢轨的轨头形状，以改善轮轨接触状态从而最终达到控制病害发生和发展目的的一种钢轨打磨方式，主要有曲线地段钢轨的不对称打磨。通过断面打磨可以起到控制钢轨侧磨、改善轮轨横向力的作用，但一种特定的打磨断面只适合某一类线路条件，不同的线路条件需要不同的打磨断面，不存在一种适合所有问题的钢轨打磨断面形式。