徐 凱, 李 芾, 李金城, 吳 昊

(1. 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610031；2. 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)

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施和客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的形成，高速鐵路迅猛發(fā)展，但客運(yùn)量的激增及鋼軌疲勞傷損的增加使得鋼軌出現(xiàn)多種損傷，嚴(yán)重影響車(chē)輛運(yùn)行性能及鋼軌使用壽命[1]。動(dòng)車(chē)組在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，曾多次出現(xiàn)“晃車(chē)”現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為構(gòu)架橫向加速度超標(biāo)及車(chē)體異常振動(dòng)，根據(jù)分析，造成該現(xiàn)象的主要原因?yàn)檩嗆壠ヅ潢P(guān)系的變化使得輪軌接觸光帶較寬，且在軌距角附近有輪緣接觸現(xiàn)象發(fā)生，蛇行運(yùn)動(dòng)加劇[2]。為解決“晃車(chē)”現(xiàn)象，降低鋼軌磨耗及延長(zhǎng)鋼軌壽命，對(duì)已磨耗鋼軌進(jìn)行修復(fù)性打磨工作，使打磨后的輪軌接觸關(guān)系得到改善，光帶居于鋼軌中部，減少軌距角處的輪緣貼靠現(xiàn)象，使左右輪滾動(dòng)圓半徑接近，從而緩解車(chē)輛運(yùn)行的蛇行運(yùn)動(dòng)[3]。

為得到最佳的輪軌匹配關(guān)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼軌打磨廓形的設(shè)計(jì)進(jìn)行了許多研究。Magel等[4]以輪對(duì)輪徑差為輸入，對(duì)鋼軌型面進(jìn)行優(yōu)化，在進(jìn)行鋼軌打磨后，有效降低輪軌間的疲勞傷損。Yoshihiko[5]總結(jié)并分析了日本40多年的車(chē)輪和鋼軌型面，提出并設(shè)計(jì)了新的鋼軌型面，大幅降低鋼軌磨耗。Persson 等[6-7]基于遺傳算法對(duì)瑞典地鐵鋼軌型面進(jìn)行優(yōu)化并輕微打磨，使得輪軌損傷速率得到遏制，極大延長(zhǎng)了鋼軌的使用壽命。Choi等[8]基于遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的鋼軌型面大幅降低了鋼軌曲線段的磨耗。陳國(guó)慶[9]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析輪軌踏面匹配問(wèn)題，按照優(yōu)化后鋼軌型面進(jìn)行打磨，有效降低鋼軌磨耗。王文健等[1]通過(guò)對(duì)廣深鐵路鋼軌磨損的研究，提出非對(duì)稱(chēng)打磨，有效降低鋼軌病害。崔大賓等[10-13]利用序列二系規(guī)劃的方法求解得到降低接觸應(yīng)力的鋼軌型面。郭戰(zhàn)偉[14]基于輪軌蠕滑最小化提出通過(guò)鋼軌打磨改善輪軌接觸及降低鋼軌疲勞損傷。吳仁義[15]基于斜率差最小法對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高輪軌間“共形度”并降低其接觸應(yīng)力。

以上研究結(jié)果對(duì)鋼軌打磨廓形的優(yōu)化設(shè)計(jì)做出了卓越貢獻(xiàn)，但缺少根據(jù)實(shí)際情況的輪軌接觸、磨耗分析以及打磨后線路的跟蹤調(diào)研。基于此，本文以實(shí)測(cè)動(dòng)車(chē)組車(chē)輪廓形、標(biāo)準(zhǔn)軌面、磨耗軌面及打磨軌面為分析對(duì)象，基于輪軌接觸關(guān)系、磨耗以及跟蹤調(diào)研打磨后鋼軌表面狀態(tài)，對(duì)鋼軌打磨效果進(jìn)行評(píng)估，以期對(duì)鋼軌打磨作業(yè)提出一定的指導(dǎo)作用。

1 輪軌接觸關(guān)系

輪軌接觸關(guān)系直接影響到車(chē)輛運(yùn)行性能，為使計(jì)算結(jié)果更加趨近于現(xiàn)實(shí)，針對(duì)運(yùn)行在線路上的車(chē)輛，利用廓形測(cè)量?jī)x對(duì)車(chē)輪進(jìn)行廓形采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理與初步分析，并選取其中一個(gè)作為輸入，根據(jù)選取的車(chē)輪型面與軌道型面的匹配關(guān)系，抽取廓形樣本已能代表整體車(chē)輪，滿(mǎn)足計(jì)算要求。部分車(chē)輪型面見(jiàn)圖1。

為研究打磨后鋼軌對(duì)車(chē)輛運(yùn)行及輪軌磨耗的影響，在同一直線段上選擇具有代表性的2段鋼軌進(jìn)行處理，其中一段作為打磨段進(jìn)行打磨，另一段作為對(duì)比段不進(jìn)行任何處理，以便追蹤調(diào)研時(shí)與打磨段進(jìn)行對(duì)比。選取的磨耗軌面及打磨后軌面表面狀態(tài)見(jiàn)圖2。

從打磨前鋼軌表面狀態(tài)可以看出，輪軌接觸光帶較寬，軌頭部分發(fā)生了疲勞損傷，且在軌距角附近有接觸發(fā)生，出現(xiàn)了2點(diǎn)接觸的現(xiàn)象，鋼軌表面存在明顯的雙光帶現(xiàn)象，產(chǎn)生了較為明顯的磨耗；鋼軌進(jìn)行打磨時(shí)，對(duì)鋼軌表面進(jìn)行處理，并針對(duì)其軌距角處多點(diǎn)接觸進(jìn)行了打磨，打磨后軌距角較打磨前低，軌頭表面更加光滑。

輪軌接觸點(diǎn)對(duì)的分布對(duì)于車(chē)輪磨耗在橫向上的分布影響很大，過(guò)度集中的接觸點(diǎn)勢(shì)必造成車(chē)輪磨耗的集中，對(duì)其使用壽命不利。當(dāng)車(chē)輪相對(duì)于鋼軌的橫移量為零時(shí)，踏面與磨耗軌面和打磨軌面匹配時(shí)的輪軌接觸點(diǎn)對(duì)見(jiàn)圖3。

由輪軌接觸點(diǎn)分布圖3(a)可以看出，與圖2中打磨前軌道光帶相同，踏面與磨耗軌面的接觸分布區(qū)域較廣，易形成較寬的光帶，且在軌距角附近存在接觸，運(yùn)行過(guò)程車(chē)輛發(fā)生橫移時(shí)易發(fā)生2點(diǎn)接觸現(xiàn)象，造成車(chē)輛運(yùn)行指標(biāo)異常的現(xiàn)象。經(jīng)打磨(圖3(b))，其接觸點(diǎn)對(duì)集中于軌面中間，而不是原來(lái)的軌距角附近，避免了運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生2點(diǎn)接觸的現(xiàn)象，能有效地減少軌道的側(cè)磨，達(dá)到了在直線線路鋼軌上的輪軌接觸光帶居中的目標(biāo)。

2 靜態(tài)接觸分析

利用在Kalker的三維彈性體非Hertz滾動(dòng)接觸理論上開(kāi)發(fā)的CONTACT程序、彈性力學(xué)中的Bossinesq-Cerruti力-位移公式和Gauss-9數(shù)值積分方法，對(duì)輪軌進(jìn)行靜力學(xué)分析。計(jì)算參數(shù)取軌距為1 435 mm，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距為1 353 mm，車(chē)輪滾動(dòng)圓半徑為460 mm，軌底坡取為1/40，輪對(duì)橫移量為0～10 mm，輪重W=15×9.8/2=73.5 kN，摩擦因數(shù)f=0.3，輪軌材料切變模量G0=82 GPa，泊松比υ=0.28。計(jì)算中忽略車(chē)輪材料因素的影響。

對(duì)車(chē)輪滾動(dòng)半徑，接觸斑面積，最大接觸應(yīng)力和摩擦功進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4分析結(jié)果可以看出，由于軌頭中間部分形狀相同，車(chē)輪滾動(dòng)半徑在輪對(duì)橫移量較小時(shí)3種軌面無(wú)明顯差異，隨著橫移量的增大，車(chē)輪滾動(dòng)半徑的差異隨之增大，打磨后軌面的變化最小，這是因?yàn)閷?duì)軌距角處的打磨，使得發(fā)生輪緣接觸時(shí)的橫向間隙變大，不易發(fā)生2點(diǎn)接觸現(xiàn)象；磨耗軌面的接觸區(qū)域分布較廣使其接觸斑面積較大，由于輪軌間壓力相同，故其最大接觸應(yīng)力較小，反之打磨后鋼軌由于其輪軌接觸集中于軌面中央，接觸斑面積較小，故其接觸應(yīng)力較大，易產(chǎn)生接觸部位較大的垂磨；從摩擦功計(jì)算結(jié)果可以看出，在輪對(duì)橫移量較小時(shí)，摩擦功差異較小，但隨著輪對(duì)橫移量的增大，標(biāo)準(zhǔn)軌面和磨耗軌面的磨耗功明顯增大，與車(chē)輪滾動(dòng)半徑變化趨勢(shì)一致，打磨后軌面雖接觸應(yīng)力較大，接觸處垂磨較大，但由于接觸部位集中，磨耗量較打磨前更小。

3 動(dòng)態(tài)特性分析

為研究磨耗鋼軌及打磨后鋼軌對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，運(yùn)用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件建立車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，基于UIC 518：2009標(biāo)準(zhǔn)[16]推薦的運(yùn)行穩(wěn)定性及振動(dòng)加速度的評(píng)估方法，對(duì)比分析鋼軌打磨前后車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性及振動(dòng)加速度，并對(duì)其磨耗功進(jìn)行分析。

在UIC 518：2009中，根據(jù)輪軌導(dǎo)向力之和及構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度來(lái)判定車(chē)輛的穩(wěn)定性。

每根輪軸的輪軌導(dǎo)向力之和∑Y的最大值評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為

(∑Y)lim=α(10+P0/3)

( 1 )

式中:P0為靜態(tài)軸重;對(duì)于客車(chē)，α=1。

對(duì)于構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度，應(yīng)在100 m范圍內(nèi)，以10 m為窗口對(duì)其均方根(Root Mean Square,RMS)值進(jìn)行滑動(dòng)平均，加速度最大值限值為

( 2 )

對(duì)于車(chē)體橫向振動(dòng)加速度，規(guī)定其最大值應(yīng)小于2.5 m/s2。

根據(jù)所建立的動(dòng)力學(xué)模型，利用軌檢車(chē)測(cè)量的不平順作為軌道激勵(lì)輸入，對(duì)其穩(wěn)定性、振動(dòng)加速度及磨耗功進(jìn)行分析，其導(dǎo)向力之和、構(gòu)架和車(chē)體橫向加速度及磨耗功結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，打磨后軌面由于軌距角經(jīng)打磨后較之前低，使得軌頭圓弧半徑變小，曲率變大，等效錐度變小，故輪軌導(dǎo)向力之和∑Y和構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度較打磨前小，其車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性得到改善；由于打磨后軌面的輪軌接觸光帶居中，發(fā)生橫移時(shí)的滾動(dòng)圓半徑變化小，其橫向振動(dòng)加速度趨于優(yōu)化；對(duì)于整車(chē)磨耗功，在低速時(shí)其結(jié)果趨于接近，在速度較高時(shí)，打磨軌面的磨耗功優(yōu)于磨耗軌面的數(shù)值。

4 損傷函數(shù)分析

車(chē)輪滾動(dòng)疲勞損傷模型是英國(guó)鐵路安全和標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(RSSB)于2007年基于鋼軌完整壽命模型及接觸斑能量耗散磨耗數(shù)發(fā)展得到的損傷函數(shù)，并在與大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比中驗(yàn)證了其可靠性。該模型根據(jù)輪軌間縱、橫向蠕滑力,縱、橫向蠕滑率對(duì)車(chē)輪滾動(dòng)接觸疲勞,磨耗與疲勞的關(guān)系提出預(yù)測(cè)，其磨耗數(shù)Tγ的定義為

Tγ=Txγx+Tyγy

( 3 )

式中：T為蠕滑力；γ為輪軌間蠕滑率；x、y代表縱向和橫向。

隨磨耗數(shù)Tγ變化的損傷函數(shù)見(jiàn)圖6，主要參數(shù)列于表1。

表1 損傷函數(shù)參數(shù)

名稱(chēng)數(shù)值名稱(chēng)數(shù)值裂紋初始值/N20磨耗初始值/N100裂紋產(chǎn)生速率/(轉(zhuǎn)·N-1)3.6×10-6磨耗產(chǎn)生速率/(轉(zhuǎn)·N-1)-5.4×10-6

計(jì)算中，利用Tγ計(jì)算車(chē)輪運(yùn)行方向與縱向蠕滑力方向相反時(shí)的裂紋損傷，而磨耗損傷則與方向無(wú)關(guān)，裂紋損傷和磨耗損傷之和為該位置的滾動(dòng)接觸疲勞損傷。

利用SIMPACK計(jì)算得出的輪軌接觸點(diǎn)位置，接觸橢圓半軸長(zhǎng)度和縱、橫向蠕滑力、蠕化率輸入編制的損傷程序進(jìn)行滾動(dòng)疲勞分析，其計(jì)算流程見(jiàn)圖7。

根據(jù)計(jì)算所得的鋼軌打磨前后車(chē)輪損傷分布曲線見(jiàn)圖8。

由圖8分析結(jié)果表明，由于鋼軌打磨前與車(chē)輪接觸區(qū)域較大，故其車(chē)輪損傷面積較廣，總損傷值較大；鋼軌打磨后與車(chē)輪的接觸區(qū)域小，其接觸應(yīng)力大，故其損傷面積較小，但接觸位置局部損傷值較大，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生較大垂磨，接觸光帶會(huì)逐漸變寬，但其總磨耗量較打磨前小。

5 跟蹤測(cè)量分析

為驗(yàn)證鋼軌打磨效果，對(duì)打磨段和對(duì)比段進(jìn)行跟蹤測(cè)量分析，提取打磨后6個(gè)半月的鋼軌表面狀態(tài)與未打磨6個(gè)半月鋼軌表面狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖9。

從打磨后鋼軌表面狀態(tài)可知，直線光帶寬度在35～40 mm之間，且位置良好，軌距角橫向裂紋已經(jīng)消除；打磨后一段時(shí)間的鋼軌狀態(tài)，由于接觸點(diǎn)對(duì)的集中，造成其接觸位置垂磨較大，光帶明顯較剛打磨后寬，其接觸面積變大，但依然沒(méi)有2點(diǎn)接觸現(xiàn)象發(fā)生。從對(duì)比軌的表面狀態(tài)可知，左軌軌距角出現(xiàn)淺層魚(yú)鱗紋及剝落現(xiàn)象，左右軌面均為滿(mǎn)光帶，且依然可見(jiàn)明顯的2點(diǎn)接觸現(xiàn)象。因此，通過(guò)對(duì)打磨后鋼軌及對(duì)比軌的跟蹤測(cè)量，鋼軌打磨效果較好，達(dá)到了使輪軌接觸光帶居中的效果，避免了2點(diǎn)接觸的現(xiàn)象，減小了鋼軌損傷，對(duì)延長(zhǎng)鋼軌壽命起到了促進(jìn)作用。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)打磨前后鋼軌進(jìn)行實(shí)測(cè)分析和跟蹤測(cè)量，利用CONTACT、SIMPACK以及MATLAB程序?qū)Υ蚰バЧM(jìn)行評(píng)估，得出以下結(jié)論。

(1) 打磨后鋼軌與車(chē)輪接觸點(diǎn)分布集中于滾動(dòng)圓附近，使接觸面積變小，接觸光帶居中，但造成接觸應(yīng)力較大，易產(chǎn)生較大垂磨。

(2) 鋼軌經(jīng)過(guò)打磨后，其等效錐度減小，車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性得到改善且其振動(dòng)加速度趨于優(yōu)化，一定程度上解決了構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度超標(biāo)報(bào)警的問(wèn)題。

(3) 從跟蹤測(cè)量結(jié)果看，打磨效果較好，在打磨一定時(shí)間后接觸光帶依然居中，解決了多點(diǎn)接觸的問(wèn)題，對(duì)延長(zhǎng)鋼軌壽命起到了促進(jìn)作用，但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，由于滾動(dòng)圓附近垂磨的影響，接觸面積逐步增大，接觸光帶隨之增大