2.1　钢轨

不管城市轨道交通采用何种形式的轨道结构，钢轨都是轨道结构的主要部件。钢轨与机车车辆的车轮直接接触，钢轨质量的好坏直接影响到行车的安全性和平稳性。为保证列车按设计速度运行，钢轨必须具备以下几个方面的功能：

（1）为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动面，引导机车车辆前进。车辆要求钢轨表面光滑，以减小轮轨阻力；而机车要求轮轨之间有较大的摩擦力，以发挥机车的牵引力。

（2）钢轨要承受来自车轮的巨大垂向压力，并分散传给轨枕。在轨面要承受极大的接触应力。除垂向力外，钢轨还要承受横向力和纵向力。在这些力的作用下，钢轨要产生弯曲、扭转、爬行等变形，轨头的钢材还要产生塑性流动，磨损等。

（3）为轨道电路提供导体。

世界铁路所用钢轨每延米质量有大有小。我国铁路所使用的钢轨类型有43kg/m、50kg/m、60kg/m和75kg/m四种。钢轨的标准与钢轨类型有关。43kg/m钢轨有12.5m及25m两种标准长度；50kg/m钢轨标准长度有12.5m、25m、50m和100m四种；60kg/m钢轨标准长度有25m、50m和100m三种。

目前，我国铁路主要采用60kg/m和50kg/m钢轨，通常，主要干线采用60kg/m钢轨，次要线路及基地车场采用50kg/m钢轨，重载线路已开始采用75kg/m钢轨。城市轨道交通的线路，正线、车场线路中的试车线、出入场线采用60kg/m钢轨，其余均采用50kg/m钢轨。

2.1.1　钢轨截面设计原则及我国主型钢轨截面形状

钢轨截面形状的发展也经过了相当长的时间。从构件截面的力学特性可知，工字型截面的构件具有较好的抗弯曲性能。可把钢轨看成是连续弹性地基梁，或连续点支承地基梁，在轮载的作用下，钢轨主要承受垂向弯曲，所以一般将钢轨截面设计成工字形，如图2-1所示。

钢轨截面由轨头、轨腰和轨底三部分组成，相互之间用圆弧连接，以便安装钢轨接头夹板和减少截面突变引起的应力集中。钢轨的三个主要尺寸是钢轨高度、轨头宽度和轨底宽度。根据钢轨的受力特点，对轨头、轨腰和轨底三部分的要求如下：

（1）钢轨头部设计

钢轨头部是直接和车轮接触的部分，应有抵抗压溃和耐磨的能力。故轨头宜大而厚，并应具有和车轮踏面相适应的外形。钢轨头部顶面应有足够的宽度，使在其上面滚动的车轮踏面和钢轨顶面磨耗均匀。钢轨头部顶面应轧制成隆起的圆弧形，使由车轮传来的压力能集中于钢轨中轴。实践表明，钢轨顶面被车轮长期滚压以后，顶面近似于200～300mm半径的圆弧。因此在我国铁路上，较轻型的钢轨顶面常用一个半径为300mm的圆弧组成，而较重型的钢轨顶面，则用三个半径分别为80mm、300mm、80mm或80mm、500mm、80mm的复合圆弧组成。

（2）钢轨腰部设计

轨腰必须有足够的厚度和高度，具有较大的承载能力和抗弯能力。轨腰的两侧或为直线，或为曲线，而以曲线最常用，有利于传递车轮对钢轨的冲击动力作用和减少钢轨轧制后因冷却而产生的残余应力。轨腰是钢轨头部及底部的连接，必须保证夹板能有足够的支承面，并使截面的变化不致过分突然，以免产生过大的应力集中。为此，轨腰与轨头之间可采用复曲线的连接方式，轨腰与轨底之间的连接曲线，一般采用单曲线。

（3）钢轨底部设计

钢轨底部应保持钢轨的稳定，轨底应有足够的宽度和厚度，并具有必要的刚度和抵抗锈蚀的能力。

钢轨的头部顶面宽度（b）、轨腰厚度（t）、钢轨高度（H）及轨底宽度（B）是钢轨断面的4个主要参数。钢轨高度应尽可能大一些，以保证其有足够的惯性矩及截面系数来承受竖直的轮载动力作用。但钢轨越高，其在横向水平力作用下的稳定性越差。钢轨高度与轨底宽度间应有一个适当的比例。一般要求钢轨高度与轨底宽度之比在1.15～1.20范围内。为使钢轨轧制冷却均匀，要求轨头、轨腰及轨底的面积分配有一个较合适的比例。

我国主要钢轨类型的断面尺寸及特征见表2-1。钢轨的断面尺寸如图2-2所示。

2.1.2　钢轨的材质、性能和平直度

钢轨的材质是指钢轨的化学成分及其金相组织，要使钢轨具有高可靠性的前提是钢轨的材质具有较高的纯净度。钢轨出现质量问题是由于钢轨的内部夹杂缺陷所引起的疲劳折损。所以提高钢轨材质的纯净度是减少钢轨疲劳折损、提高钢轨可靠性、延长使用寿命的有效途径之一。

组成钢轨的主要元素为铁元素，除了铁元素外，还有一些有利元素和不利元素。同一种类型的钢轨中，不同的炉号，不同的生产批次，化学元素也有一些差别，所以钢轨中的化学元素含量是一个范围。

钢轨钢的化学成分主要为铁（Fe），其他还含有碳（C）、锰（Mn）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）等元素。

碳（C）对钢轨的性质影响最大。提高钢轨的含碳量，其抗拉强度、耐磨性及硬度都迅速增加。但含碳量过高，会使钢轨的伸长率、断面收缩率和冲击韧性显著下降。因此，一般钢轨的含碳量不超过0.82％。

锰（Mn）可以提高钢轨的强度和韧性，去除有害的氧化铁和硫夹杂物，其含量一般为0.6％～1.0％。锰含量超过1.2％称为高锰钢，其钢材的硬度，抗冲击性，耐磨性能得到较大的提高。

硅（Si）易与氧化合，故能去除钢中气泡，增加密度，使钢质密实细致。在碳素钢中，硅含量一般为0.15％～0.30％。提高钢轨的含硅量，也能提高钢轨的耐磨性能。

磷（P）是有害成分，如在钢轨中含磷过多，则就具有冷脆性，在严寒地区，易造成钢轨断裂。硫（S）也是有害成分，如钢材中含硫量过高，则当钢轨温度达到800℃～1200℃时出现脆性，造成钢轨轧制或热加工过程中断裂，出现大量废品。一般要求磷和硫的含量都小于0.04％，但国外有些钢轨磷和硫的含量达到或小于0.015％。

此外，目前世界各国也生产合金轨，即在钢轨中加入钒（V）、铬（Cr）、钼（Mo）等，制成合金钢轨，可有效提高钢轨的抗拉和疲劳强度，以及耐磨和耐腐蚀的性能。

为了提高国产钢轨的纯净度，在冶炼和轧制过程中必须引入铁水预处理、碱性氧气转炉或电弧冶炼、炉外精炼、真空脱气、连铸、高压水除磷等先进技术。

钢轨的力学性能也是钢轨的主要特性，包括强度极限σb、屈服极限σs、疲劳极限σr、延伸率δs、断面收缩率ψ、冲击韧性ak及布氏硬度指标HB等。这些指标对钢轨的承载能力、磨耗、压溃、断裂及其他伤损有很大的影响。

近几年来，我国的钢轨制造技术和工艺都有较大的进步。减少钢轨中的非金属夹杂物，提高钢轨的纯净度可提高钢轨的抗接触疲劳性能。钢轨的硬度是一项重要指标，高硬度的钢轨一般较耐磨（要与车轮的硬度相匹配），其使用寿命也相应提高。对于普通的高碳钢钢轨，一般布氏硬度为280～300HB，但低的也有260HB。对于有些特殊要求的钢轨，如曲线钢轨，当钢轨在800℃以上时，采用水雾冷却，使钢轨的硬度达355～390HB。目前对钢轨的热处理分两种，一种是铁路工务部门对钢轨轨头淬火，一种是钢铁厂在钢轨出厂前根据铁路工务部门的要求对钢轨进行淬火等热处理，一般钢铁厂对钢轨淬火的质量较好。工厂热处理的钢轨大大减小了钢体中珠光体薄片的间距，钢轨的最高硬度可达400HB。为了提高钢轨的性能，应尽量采用高性能的合金轨。

钢轨截面几何形状偏差大小和平直度也是钢轨质量的一个重要指标。如采用截面形状偏差过大，平直度不良的钢轨，则很难铺设高质量的铁路轨道。为保证列车运行的平稳性，要求轨道的几何形位稳定，轨头的轮轨接触光带位置及宽度稳定，而要达到这一点，高精度的外形尺寸和高平直度的钢轨是必不可少的。

由于钢轨焊缝材质、金相组织、硬度、韧度等与钢轨母材的差别，焊接设备的精度高低，操作工人的技术熟练程度等，都会造成钢轨焊接接头处的轨面不平整。钢轨焊接接头分三种：接触焊、气压焊和铝热焊。三种焊接方法的焊接接头质量也有差异，铝热焊钢轨接头的质量最差。所以钢轨焊接接头是无缝线路轨道单独不平顺的来源之一。为保证列车的高速、平稳地运行，并减少轮轨之间的动力作用，对钢轨焊接接头的焊接质量、平直度等提出了更高的要求。所以钢轨焊接接头也是轨面不平直的控制部位。

2.1.3　钢轨伤损

钢轨在极其复杂的工作条件下，不可避免地会产生各种伤损。其伤损的原因，既有钢轨在冶炼过程中出现的缺陷，又有在运输、使用过程中出现的破损。因此，及时发现钢轨伤损，并积极采取措施保证线路行车安全，对铁路工务部门是极为重要的。

钢轨伤损是指钢轨在使用过程中发生钢轨折断、裂纹及其他影响和限制钢轨使用性能的伤损。为便于统计和分析钢轨伤损，需对钢轨伤损进行分类。根据伤损在钢轨断面上的位置、伤损外貌及伤损原因等分为9类32种伤损，采用两位数字编号分类，个位数表示造成伤损的原因，十位数表示伤损的部位和状态。钢轨伤损分类具体内容可见《铁路工务技术手册轨道》。以下介绍几种常见的钢轨伤损。

（1）钢轨接头螺栓孔裂纹和焊接接头裂纹

在普通线路上，钢轨接头无法避免。一般在轨腰中和轴附近钻孔，以便安装接头螺栓。由于轨腰钻孔，强度被削弱，钢轨在应力传递过程中，在螺栓孔周围产生应力集中，同时由于车轮通过接头时产生冲击，螺栓孔周围应力集中现象更为严重。在轮轨冲击荷载作用下，螺栓孔周围先产生肉眼看不见的45°斜向（与主应力垂直方向）细微裂纹，也称裂纹萌生期，在列车荷载的进一步作用下，裂纹进一步扩展并产生断裂，如图2-3所示。

研究表明，裂纹萌生期远大于扩展期，一般情况下是四倍左右，所以控制裂纹萌生期是延长螺栓孔裂纹发展的有效措施。一般措施有：提高钢轨接头区轨道结构的弹性；提高螺栓孔表面的加工光洁度和在孔口倒棱；对螺栓孔表面进行硬化、防锈等处理，提高螺栓表面的强度。

钢轨焊接接头的轨面平顺性较普通螺栓接头好得多，但由于焊缝（主要是铝热焊接头）材料与钢轨母材不一致，造成焊缝处钢轨的磨损与母材不一致而产生轨面不平顺，增大了轮轨冲击荷载，从而造成焊接接头钢轨的断裂，如图2-4所示。

（2）轨头核伤

轨头核伤是对行车威胁最大的一种钢轨伤损。在列车荷载的反复作用下，在轨头内部出现极为复杂的应力分布和应力状态，使细小裂纹横向扩展成核伤，直至核伤周围的钢材强度不足以抵抗轮载作用下的应力，钢轨发生猝断，如图2-5所示。

钢轨核伤的内因是由于钢轨在制造过程中，钢轨中的非金属夹杂物或微小气泡，外因是列车荷载的反复作用。核伤的发展与运量、轴重、行车速度及线路平面状态有关。为确保行车安全，要定期进行钢轨探伤检查。

防止和减缓核伤的发生和发展的措施有：提高钢轨的纯净度，减少钢轨中的非金属夹杂物；提高钢轨的接触疲劳强度；提高轨道结构的弹性，减小轮轨冲击荷载。

（3）轨头剥离

轨头剥离是当今铁路运输中经常出现的一种钢轨伤损，主要发生在轨头内侧圆角处。发生的主要原因是由于在轨头内侧圆角处的轮轨接触应力最大，钢轨表面下几毫米处的剪应力使得钢轨产生剪切疲劳，生产裂纹后，钢轨表面掉块。剥离的最初阶段，钢轨表面出现间距呈规律的45°细微斜裂纹，裂纹方向与行车方向相反，如图2-6所示。之后轨头表面下出现微裂纹，当裂纹在表面下发展几毫米后，几乎成水平裂纹，当裂纹面积达到一定程度后，裂纹顶层在列车车轮碾压下产生塑性变形，最后断裂，轨面出现凹坑，如图2-7所示。

钢轨剥离的主要原因是接触应力过大，钢轨强度不足；钢轨材质有缺陷；车轮和轨道的维修工作不良等。钢轨剥离使得轮轨接触区产生较大变化，如细微裂纹向下发展，就有可能有形成轨头核伤，造成钢轨断裂。

（4）钢轨磨耗

钢轨磨耗分轨顶成垂直磨耗、轨头侧面磨耗和波浪形磨耗。

不管在直线还是在曲线轨道上，都存在垂直磨耗。垂直磨耗与轮轨之间的垂直力和轮轨之间的蠕滑、摩擦等因素有关，随着线路通过总质量的增大，垂直磨耗也相应增大。当垂直磨耗量达到一定值时，就得更换钢轨。在正常情况下决定钢轨使用寿命的两项依据是：钢轨强度下降和车轮轮缘不与接头夹板上缘碰撞。

钢轨侧面磨耗主要发生在曲线轨道的外股钢轨，是目前曲线钢轨伤损的主要类型之一。

钢轨侧磨使得轨头宽度变窄，如图2-8所示。钢轨在侧磨过程中，轨头下侧钢材产生塑性变形，产生裂纹，严重时形成核伤等病害，如图2-9所示。

钢轨侧磨的主要原因是机车车辆通过曲线时，作用在外股钢轨轨头内侧的轮缘力和轮轨冲击角。而轮缘力和轮轨冲击角的大小受机车车辆的动力性能、转向架固定轴距的长短、曲线半径的大小、轨道的动力性能、轨道几何参数设置等诸多因素影响。

工务方面减缓曲线轨道钢轨侧磨的措施有：合理调整轨道结构参数，如轨距、轨底坡、超高等；改善轨道结构的动力性能，如改变轨道结构弹性，钢轨侧面涂油等。

我国把钢轨磨耗分为轻伤和重伤两类。总磨耗量为垂直磨耗加上一半侧面磨耗。垂直磨耗在轨顶距标准断面作用边三分之一处测量，侧面磨耗在钢轨标准断面的轨顶面下16mm处测量，如图2-8所示。工务部门要求对轻伤钢轨要加强观测，对重伤钢轨必须及时更换。

钢轨波浪形磨耗，简称波磨，是指在轨顶面呈现高低起伏的不均匀垂直磨耗，如图2-10所示。根据波长可将波磨分两大类：波长30～80mm，波深0.1～0.5mm，波峰亮、波谷暗，规律明显，此类波磨称为波纹磨耗；波长为150～600mm及以上，波深0.5～5mm，波峰、波谷都发亮，波浪界线不规则，此类波磨称为长波磨耗。

波磨会引起很高的轮轨动力作用，加速机车车辆及轨道部件的损坏，增加养护维修费用；此外列车的剧烈振动，会使旅客有不适感，严重时还会威胁到行车安全；波磨也是轮轨噪声的来源。波磨一般出现在曲线地段，在半径为300～4500m的曲线上都可能发生波磨。列车制动地段的波磨出现概率和磨耗速率都较大。直线地段出现波磨的情况很少。影响钢轨波磨发生及发展的因素很多，涉及钢轨材质、线路及机车车辆条件等多个方面。世界各国都在致力于钢轨波浪形磨耗成因的理论研究。目前，关于波磨成因的理论有数十种，大致可分为两类：动力类成因理论和非动力类成因理论。总的来说，动力作用是钢轨波磨形成的外因，钢轨材质的性能是波磨形成的内因。防止和减缓钢轨波磨的措施有：提高轨道结构的弹性；合理设置曲线轨道的参数；钢轨表面打磨等。