楊逸航，李金良，劉吉華，王軍平，昌超

（1.中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司 技術(shù)運(yùn)維研究中心，北京 100000；2.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020；3.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

隨著鐵路交通運(yùn)輸?shù)娘w躍式發(fā)展，列車運(yùn)行速度、載重和運(yùn)行密度顯著提高，輪軌之間的損傷問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，其中主要包括鋼軌剝離、疲勞裂紋、塑性流變、波狀磨損等[1]，嚴(yán)重影響行車安全和穩(wěn)定.鋼軌打磨是解決以上問(wèn)題的有效策略之一，鋼軌打磨可以有效優(yōu)化鋼軌廓形，改善輪軌接觸關(guān)系，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命、改善列車運(yùn)行性能[2].郭戰(zhàn)偉[3]基于對(duì)輪軌蠕滑形成機(jī)理的研究，提出應(yīng)通過(guò)鋼軌打磨消除或減弱輪軌蠕滑，達(dá)到延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的目的.任娟娟等[4]選取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際打磨后的輪軌廓形，建立輪軌有限元模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明打磨后輪軌接觸狀態(tài)得到改善；金學(xué)松等[5]研究了鋼軌打磨技術(shù)與輪軌接觸疲勞傷損之間的關(guān)系，建立了優(yōu)化打磨模型；王軍平等[6]對(duì)個(gè)性化鋼軌廓形打磨方法進(jìn)行了闡述，并結(jié)合實(shí)際案例對(duì)不同線路實(shí)施廓形打磨后的效果進(jìn)行了分析.

上述文獻(xiàn)在鋼軌打磨減輕鋼軌損傷以及獲得鋼軌打磨目標(biāo)型面等方面做了大量研究，但對(duì)具體線路上鋼軌打磨效果的跟蹤調(diào)研較少，也缺少對(duì)小半徑曲線鋼軌打磨的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和理論分析.本文依據(jù)鄭州局管內(nèi)某線路現(xiàn)狀，選取磨損較為嚴(yán)重的400m小半徑曲線鋼軌作為研究對(duì)象，基于mininprof分別測(cè)量得到打磨前后鋼軌廓形，采用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立車輛-鋼軌耦合動(dòng)力學(xué)模型，不考慮鋼軌打磨前后軌面平順性的影響，分析研究新軌及打磨前后舊軌廓形與全新車輪LMa新踏面接觸時(shí)車輛動(dòng)力學(xué)特性.

1 輪軌幾何接觸特性分析

1.1 鋼軌廓形

圖1為鄭州局管內(nèi)隴海線磨損較為嚴(yán)重的400m小半徑曲線鋼軌打磨前后鋼軌廓形變化，由圖可知，打磨前鋼軌磨損較為嚴(yán)重，左軌非工作邊較高，右軌形成馬鞍形磨耗，軌頭中間向內(nèi)凹陷.通過(guò)廓形打磨，打磨后左軌非工作邊降低，右軌馬鞍形磨耗得到較好處理.

圖1 打磨前后鋼軌廓形

1.2 等效錐度

輪軌接觸幾何關(guān)系對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)特性影響很大，等效錐度是輪軌幾何接觸中的重要參數(shù)[7].將全新車輪LMa踏面分別與新軌及打磨前后鋼軌進(jìn)行匹配，基于UIC519[8]計(jì)算得到等效錐度變化，如圖2所示.

由于打磨前后舊軌左股側(cè)磨較為嚴(yán)重，故打磨前后舊軌與全新LMa踏面匹配時(shí)出現(xiàn)反錐度.由圖可知，當(dāng)橫移量小于7 mm時(shí)，打磨后舊軌與全新LMa踏面匹配時(shí)等效錐度大于打磨前舊軌，但由于此曲線為小半徑曲線，車輛通過(guò)曲線時(shí)，橫移量大于7 mm.對(duì)比橫移量大于7 mm時(shí)新軌及打磨前后舊軌等效錐度可知，新軌等效錐度最大，打磨后舊軌等效錐度最小，較大的等效錐度有利于車輛通過(guò)小半徑曲線[9]，但同時(shí)也將增大輪軌橫向力，加大輪軌磨耗，故打磨后車輛通過(guò)小半徑曲線性能有所降低，但輪軌磨耗將得到改善.

圖2 等效錐度變化

2 車輛—鋼軌耦合的動(dòng)力學(xué)模型建立

在動(dòng)力學(xué)軟件UM平臺(tái)下建立42個(gè)獨(dú)立自由度的車輛模型，包括1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4副輪對(duì)和8個(gè)軸箱總計(jì)15個(gè)剛體，車輛模型充分考慮非線性輪軌接觸幾何關(guān)系、非線性輪軌蠕滑特性及非線性車輛懸掛系統(tǒng)，車輛運(yùn)行速度設(shè)為70 km/h，車輪踏面類型為L(zhǎng)Ma踏面.鋼軌模型為400m小半徑曲線，全長(zhǎng)1056 m，曲線超高為90 mm，鋼軌廓形分別選用新軌及打磨前后舊軌.假設(shè)打磨前后軌面平順，僅考慮鋼軌廓形對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)特性影響，建立得到車輛-鋼軌耦合的動(dòng)力學(xué)模型，箭頭方向?yàn)檐囕v行駛方向，如圖3所示.

圖3 車輛-鋼軌耦合的動(dòng)力學(xué)模型建立

3 輪軌滾動(dòng)接觸特性分析

表1為車輛完全進(jìn)入圓曲線穩(wěn)定運(yùn)行后，新軌及打磨前后舊軌與全新LMa車輪踏面接觸時(shí)，車輪接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率最大值、橫向蠕滑率最大值、接觸斑面積最大值、磨耗功最大值.由表可知，新軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)，踏面接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率最大值、橫向蠕滑率最大值、接觸斑面積最大值、磨耗功最大值均最大；較打磨前舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)踏面接觸斑內(nèi)接觸特性，打磨后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)，左右輪踏面接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率最大值分別減小15.07%、2.82%，左右股橫向蠕滑率最大值分別減小4.48%、4.69%，左右股接觸斑面積最大值分別增大15.68%、11.89%；磨耗功最大值分別減少18.06%、9.04%.

表1 新軌及打磨前后舊軌與LMa踏面接觸時(shí)車輪踏面接觸斑內(nèi)滾動(dòng)接觸特性

3.1 蠕滑特性分析

圖4為車輛通過(guò)400m小半徑曲線時(shí)，新軌及打磨前后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)車輪接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率時(shí)域變化圖，由圖可知，打磨前后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)車輪接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率隨時(shí)域變化趨勢(shì)未有明顯改變，但與新軌縱向蠕滑率變化趨勢(shì)相比差異較大；對(duì)比打磨前后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)左右輪接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率變化，待車輛完全進(jìn)入圓曲線穩(wěn)定運(yùn)行后，打磨后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)左右輪接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率最大值均明顯降低，分別減小13.55%、7.24%.

圖4 新軌及打磨前后舊軌與LMa踏面接觸時(shí)接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率變化圖

圖5 為車輛通過(guò)400m小半徑曲線時(shí)，新軌及打磨前后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)接觸斑內(nèi)橫向蠕滑率時(shí)域變化圖，由圖可知，新軌及打磨前后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)接觸斑內(nèi)橫向蠕滑率隨時(shí)域變化趨勢(shì)未有明顯改變，僅數(shù)值大小有差異；對(duì)比打磨前后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)左右輪接觸斑內(nèi)橫向蠕滑率變化，待車輛完全進(jìn)入圓曲線穩(wěn)定運(yùn)行后，打磨后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)左右輪接觸斑內(nèi)橫向蠕滑率最大值均明顯降低，分別減小5.64%、10.14%.

圖5 新軌及打磨前后舊軌與LMa踏面接觸時(shí)接觸斑內(nèi)橫向蠕滑率變化圖

3.2 磨耗特性分析

圖6為車輛通過(guò)400m小半徑曲線時(shí)，新軌及打磨前后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)接觸斑內(nèi)磨耗功時(shí)域變化圖，由圖可知，新軌及打磨前后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)接觸斑內(nèi)磨耗功隨時(shí)域變化趨勢(shì)未有明顯改變，僅數(shù)值大小有差異；對(duì)比打磨前后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)左右輪接觸斑內(nèi)磨耗功變化，待車輛完全進(jìn)入圓曲線穩(wěn)定運(yùn)行后，打磨后舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)左右輪接觸斑內(nèi)磨耗功最大值均明顯降低，分別減小9.25%、9.26%.故通過(guò)鋼軌廓形打磨，輪軌間磨耗功減小，輪軌磨耗得到較好的改善.

圖6 新軌及打磨前后舊軌與LMa踏面接觸時(shí)接觸斑內(nèi)磨耗功變化圖

4 車輛運(yùn)行安全平穩(wěn)性分析

4.1 安全性分析

車輛運(yùn)行安全性主要涉及車輛的臨界速度、脫軌等問(wèn)題，我國(guó)鐵路部門主要采納Nadal脫軌系數(shù)和輪重減載率兩項(xiàng)判斷指標(biāo)[10].車輛駛?cè)胄“霃角€時(shí)，左右輪分別與新軌及打磨前后舊軌相接觸，左右輪脫軌系數(shù)最大值及輪重減載率最大值如表2所示.

表2 脫軌系數(shù)/輪重減載率最大值變化

4.1.1 脫軌系數(shù)評(píng)定

圖7為車輛通過(guò)新軌及打磨前后舊軌時(shí)車輪脫軌系數(shù)隨時(shí)域變化圖，由圖可知，車輛通過(guò)新軌時(shí)，左右輪脫軌系數(shù)均最小，左右輪脫軌系數(shù)最大值分別為0.38、0.20，車輛安全性最好；車輛通過(guò)打磨前舊軌時(shí)，左右輪脫軌系數(shù)增大，左右輪脫軌系數(shù)最大值分別為0.41、0.28；車輛通過(guò)打磨后舊軌時(shí)，左右輪脫軌系數(shù)與打磨前舊軌變化差異不大，左右輪脫軌系數(shù)最大值分別為0.40、0.28.故在不考慮軌面不平順條件下，通過(guò)廓形打磨對(duì)輪對(duì)脫軌系數(shù)未能產(chǎn)生較大影響.

圖7 車輛通過(guò)新軌及打磨前后舊軌時(shí)車輪脫軌系數(shù)時(shí)域變化圖

4.1.2 輪重減載率評(píng)定

輪重減載率是作為對(duì)車輛安全性指標(biāo)的補(bǔ)充和修正，根據(jù)多次線路試驗(yàn)來(lái)看，只判斷脫軌系數(shù)的數(shù)值還存在一定的局限性.有需要在判斷脫軌系數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)輪重減少程度進(jìn)行限定.

圖8為車輛通過(guò)新軌及打磨前后舊軌時(shí)車輪輪重減載率隨時(shí)域變化圖，由圖可知，車輛通過(guò)新軌及打磨前舊軌時(shí)車輪輪重減載率均無(wú)較大差異，變化曲線基本重合；車輛通過(guò)打磨后舊軌時(shí)，左右輪輪重減載率輕微減小.故在不考慮軌面不平順條件下，不添加軌道譜，通過(guò)廓形打磨對(duì)輪對(duì)輪重減載率未能產(chǎn)生較大影響.

圖8 車輛通過(guò)新軌及打磨前后舊軌時(shí)車輪輪重減載率變化圖

4.2 平穩(wěn)性分析

加速度是衡量車輛平穩(wěn)性及振動(dòng)特性的重要指標(biāo)[11]，車輛振動(dòng)會(huì)影響到乘客的舒適度和運(yùn)輸貨物的完整性，因此對(duì)車輛振動(dòng)的測(cè)試和判斷是一項(xiàng)非常重要的工作.

車輛通過(guò)新軌及打磨前后舊軌時(shí)輪對(duì)橫向/垂向加速度最大值如表3所示，車輛通過(guò)新軌時(shí)輪對(duì)橫向/垂向加速度最大值分別為1.94、0.17；車輛通過(guò)打磨前舊軌時(shí)輪對(duì)橫向/垂向加速度最大值分別為2.02、0.21；車輛通過(guò)打磨后舊軌時(shí)輪對(duì)橫向/垂向加速度最大值分別為1.93、0.17，較打磨前降低4.46%、19.05%.

表3 車輛通過(guò)新軌及打磨前后舊軌時(shí)輪對(duì)橫向/垂向加速度最大值變化表

圖9為車輛通過(guò)新軌及打磨前后舊軌時(shí)輪對(duì)橫向/垂向加速度隨時(shí)域變化圖，由圖可知，車輛通過(guò)新軌時(shí)，輪對(duì)橫向/垂向加速度變化穩(wěn)定，車輛穩(wěn)定性最好；車輛通過(guò)打磨前舊軌時(shí)，輪對(duì)橫向/垂向加速度頻率變化相對(duì)較大；車輛通過(guò)打磨后舊軌時(shí)，輪對(duì)橫向/垂向加速度較打磨前得到較好的改善，輪對(duì)橫向/垂向加速度變化幾乎與新軌重合.故在不考慮軌面不平順條件下，通過(guò)廓形打磨可以較好改善車輛運(yùn)行平穩(wěn)性.

圖9 車輛通過(guò)新軌及打磨前后舊軌時(shí)輪對(duì)橫向/垂向加速度變化圖

5 現(xiàn)場(chǎng)打磨效果

鋼軌軌面狀態(tài)是衡量鋼軌廓形打磨質(zhì)量主要指標(biāo)，圖10為此線路400 m半徑曲線鋼軌前后軌面狀態(tài)變化，由圖可知，打磨前曲線左右股軌面剝離掉塊及波浪形磨耗均較為嚴(yán)重，波浪形磨耗將加大車輛運(yùn)行橫向/垂向加速度，影響車輛運(yùn)行平穩(wěn)性[12]；通過(guò)廓形打磨，軌面剝離掉塊得到較好整治，波浪形磨耗得到較好處理，鋼軌廓形得到修正；打磨后45天進(jìn)行觀測(cè)，累計(jì)通過(guò)總重13.75 Mt，軌面狀態(tài)較好，僅存在輕微掉塊，未出現(xiàn)波浪形磨耗.故通過(guò)鋼軌廓形打磨可以有效改善鋼軌軌面狀態(tài)，提高車輛運(yùn)行平穩(wěn)性，進(jìn)而改善車輛運(yùn)行品質(zhì).

圖10 打磨前后舊軌軌面狀態(tài)變化

6 結(jié)論

1）對(duì)比輪軌接觸幾何特性可知，當(dāng)橫移量小于7 mm時(shí)，打磨后舊軌等效錐度大于打磨前舊軌，但當(dāng)橫移量大于7 mm時(shí)，新軌等效錐度最大，打磨后舊軌等效錐度最小.由于車輛通過(guò)小半徑曲線橫移量大于7 mm，故打磨后車輛通過(guò)小半徑曲線性能有些微降低，但同時(shí)也將減小輪軌橫向力，降低輪軌磨耗.

2）對(duì)比輪軌滾動(dòng)接觸特性可知，車輛完全進(jìn)入圓曲線穩(wěn)定運(yùn)行后，新軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)，踏面接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率最大值、橫向蠕滑率最大值、磨耗功最大值均最大；較打磨前舊軌與LMa車輪踏面接觸時(shí)踏面接觸斑內(nèi)接觸特性，打磨后舊軌與LMa踏面接觸時(shí)，左右輪縱向蠕滑率最大值減小15.07%、2.82%，橫向蠕滑率最大值減小4.48%、4.69%，磨耗功最大值減少18.06%、9.04%.

3）對(duì)比車輛運(yùn)行安全平穩(wěn)性可知，在不考慮軌面不平順條件下，打磨后車輛運(yùn)行安全性未有明顯改善，但打磨后橫向/垂向加速度變化時(shí)域圖與新軌幾乎重合，且最大值較打磨前降低4.46%、19.05%，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性得到提升.

4）對(duì)比打磨前后軌面狀態(tài)可知，打磨后軌面剝離掉塊得到較好整治，波浪形磨耗得到較好處理，鋼軌廓形得到修正；且累計(jì)通過(guò)總重13.75 Mt，軌面狀態(tài)依然較好，僅存在輕微掉塊，未出現(xiàn)波浪形磨耗，車輛運(yùn)行品質(zhì)得到改善.