王 璞

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

高速道岔是高速鐵路軌道的關(guān)鍵設(shè)備，為滿足我國高速鐵路大規(guī)模建設(shè)需求，自2005年開始我國先后自主研發(fā)了18號、42號、62號高速道岔以滿足不同速度等級的要求[1-2]. 42號高速道岔是我國大號碼高速道岔的主要型號，其直向設(shè)計(jì)通過速度為350 km/h，側(cè)向設(shè)計(jì)通過速度為160 km/h，平面線型采用圓曲線+緩和曲線、轍叉采用雙肢彈性可彎結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)可顯著提高列車側(cè)向通過的平順性[3-4].

截至2019年，我國自主研發(fā)的42號高速道岔已成功鋪設(shè)于京廣、哈大、滬昆、滬寧、鄭西、蘭渝等多條高速鐵路線路. 經(jīng)過多年的運(yùn)營考核，42號高速道岔總體運(yùn)營狀態(tài)良好，但也逐漸出現(xiàn)了一些問題，如：岔區(qū)幾何尺寸不良、尖軌磨耗及疲勞傷損、翼軌裂紋、尖軌降低值超限等. 其中尖軌磨耗問題是較為普遍和嚴(yán)重的問題之一，磨耗會引起軌頭廓形及尖軌基本軌相對位置的改變，會直接影響列車過岔時的輪軌接觸狀態(tài)和輪載過渡情況，進(jìn)而會對列車運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響.

通過理論仿真可對高速道岔區(qū)鋼軌磨耗發(fā)展規(guī)律和趨勢進(jìn)行預(yù)測，對于高速道岔服役狀態(tài)的掌握和養(yǎng)護(hù)維修時機(jī)的確定均具有重要意義. 而目前對于42號高速道岔鋼軌磨耗發(fā)展規(guī)律的理論預(yù)測研究以及全壽命周期試驗(yàn)研究均尚屬空白[5-13]，對實(shí)際的磨耗發(fā)展過程仍無清晰的認(rèn)識.

基于此，本文對42號道岔磨耗分布和發(fā)展規(guī)律進(jìn)行理論預(yù)測研究，基于車輛-道岔耦合動力學(xué)分析和Archard磨損原則建立岔區(qū)鋼軌磨耗計(jì)算模型，采用自適應(yīng)步長的方法進(jìn)行岔區(qū)鋼軌型面更新. 然后對直向和側(cè)向通過條件下42號高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌的磨耗發(fā)展過程進(jìn)行仿真分析，為養(yǎng)護(hù)維修和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考.

1 道岔鋼軌磨耗發(fā)展預(yù)測模型

1.1 高速車輛-道岔動力學(xué)模型

基于多體動力學(xué)理論建立高速車輛模型. 車輛模型由1個車體、2個構(gòu)架、8個軸箱和4個輪對組成，輪對和構(gòu)架之間通過一系彈簧、垂向減振器等元件連接，構(gòu)架和車體之間通過二系空氣彈簧、橫向減振器、抗蛇行減振器、牽引拉桿等元件連接. 車體、構(gòu)架、輪對、軸箱等結(jié)構(gòu)部件均簡化為剛體模擬，車體、構(gòu)架、輪對考慮縱向、橫向、垂向、點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾6個自由度，軸箱僅考慮點(diǎn)頭自由度，因此車輛模型共計(jì)15個剛體、50個自由度. 車輛部件之間的連接耦合作用采用剛度阻尼單元、黏彈性力學(xué)模型等進(jìn)行模擬.

Hertz接觸理論被廣泛應(yīng)用于輪軌動力學(xué)的法向力求解，并且用于切向力求解的滾動接觸力學(xué)模型也多基于Hertz理論提出. 輪軌接觸計(jì)算基于經(jīng)典的Hertz接觸理論[14]及Kalker的FASTSIM算法[15]進(jìn)行. 主要分為接觸點(diǎn)位置探測、整體接觸力學(xué)量計(jì)算（接觸力、蠕滑率等）以及接觸斑局部接觸力學(xué)量計(jì)算（接觸應(yīng)力、蠕滑應(yīng)力、滑動速度等）.

道岔動力學(xué)模型充分考慮基本軌與尖軌的組合位置關(guān)系以及鋼軌變截面特性，通過插值的方法實(shí)現(xiàn)岔區(qū)異形鋼軌截面的空間過渡. 基本軌與密貼尖軌作為整體進(jìn)行考慮，通過組合廓形來反映兩者相對位置關(guān)系. 采用彈簧阻尼單元模擬岔區(qū)軌道的剛度與阻尼特性. 高速道岔動力學(xué)模型如圖1所示.

圖1 高速道岔動力學(xué)模型Fig. 1 Dynamic model of high-speed turnouts

1.2 輪軌接觸斑磨耗分布計(jì)算

基于車輛-道岔動力學(xué)仿真算得的輪軌接觸斑幾何特征、滑動區(qū)和黏著區(qū)分布以及接觸法向力和蠕滑速度分布計(jì)算接觸斑內(nèi)的磨耗深度分布，如圖2所示. 圖中：ΔV為離散單元上的磨耗體積損失量；ΔD為離散單元對應(yīng)的磨耗深度；v為離散單元處輪軌表面相對滑動速度，如式（1）；a、b分別為接觸斑半長軸、半短軸；(x,y)為離散單元中心在接觸斑坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo).

式中：vr(x,y) 為剛體相對滑動速度分量，ve(x,y)為彈性變形相對滑動速度分量； ξx、 ξy、φ分別為接觸斑縱向、橫向、自旋蠕滑率；u(x,y)=(ux(x,y),uy(x,y))為離散單元處彈性變形位移量.

對接觸斑每個離散單元，基于Archard材料磨損原則[16]計(jì)算其磨耗體積損失：

式中：Δs(x,y)為離散單元處對應(yīng)的輪軌相對滑動距離；k(x,y)為磨耗系數(shù)，根據(jù)離散單元處法向應(yīng)力和相對滑動速度得到[5]；H為輪軌材料硬度；p(x,y)為離散單元中心位置法向應(yīng)力，根據(jù)赫茲接觸理論，由式（3）計(jì)算.

式中：N為接觸斑上總的法向接觸力.

對于 Δs(x,y)，在輪軌接觸計(jì)算過程中可得到接觸斑內(nèi)黏著區(qū)、滑動區(qū)分布，如果離散單元位于黏著區(qū)，則 Δs(x,y)=0，無磨耗發(fā)生；如果離散單元位于滑動區(qū)，Δs(x,y)由式（4）計(jì)算.

式中：V0為車輪滾動速度.

通過以上計(jì)算，可得到接觸斑每個 ΔV(x,y)，進(jìn)而由式（5）可得每個 ΔD(x,y)，即接觸斑內(nèi)磨耗深度分布.

1.3 道岔區(qū)鋼軌型面磨耗疊加

基于輪軌接觸斑內(nèi)的磨耗深度分布計(jì)算車輪通過鋼軌某斷面時所引起的型面磨耗深度分布，如圖3所示，其中，t1～t7為車輪通過鋼軌斷面過程中的不同時刻.

圖3 道岔區(qū)鋼軌型面磨耗疊加示意Fig. 3 Diagram of superposition of rail profile wear in turnout

實(shí)際計(jì)算中為減小計(jì)算量，近似認(rèn)為車輪滾動通過鋼軌斷面過程中接觸斑狀態(tài)不變，即接觸斑法向力、相對滑動、切向力等保持恒定，因此鋼軌特定斷面磨耗可直接由斷面位置的接觸斑磨耗分布沿線路方向疊加得到.

道岔區(qū)由多股變截面鋼軌組成，不同位置的鋼軌斷面均不同，所對應(yīng)的輪軌相互作用及磨耗情況也存在顯著差異. 因此對道岔區(qū)各個特征斷面分別計(jì)算得到特征斷面的鋼軌磨耗深度分布（接觸斑坐標(biāo)系下），然后結(jié)合車輪滾過特征斷面時的輪軌接觸點(diǎn)位置信息，將磨耗分布定位到鋼軌型面坐標(biāo)系下，再將車輛同側(cè)4個車輪對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果相加，即得車輛通過特征斷面時相應(yīng)側(cè)鋼軌磨耗深度分布，定義為鋼軌磨耗速率cr，如圖4，yr為鋼軌型面坐標(biāo)系橫坐標(biāo). 對于岔區(qū)任一特征斷面（編號n），對應(yīng)的鋼軌磨耗速率分別為crn,L(yr) 、crn,R(yr)，下標(biāo)L、R分別表示左、右軌.

圖4 鋼軌磨耗速率示意Fig. 4 Diagram of rail wear rate

1.4 道岔區(qū)鋼軌磨耗發(fā)展的型面更新

道岔區(qū)輪軌動力相互作用是鋼軌磨耗產(chǎn)生的根源，磨耗引起鋼軌表面材料損失會造成鋼軌型面的改變，反過來又會對輪軌接觸幾何和動力相互作用產(chǎn)生顯著影響，鋼軌磨耗發(fā)展是一個交互作用的過程. 在數(shù)值模擬時將鋼軌磨耗發(fā)展考慮為離散的過程，通過迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)，在每一迭代步內(nèi)假設(shè)岔區(qū)鋼軌型面固定不變，型面變化引起的輪軌動力行為變化忽略不計(jì). 每一迭代步最后，由磨耗速率及步長信息計(jì)算鋼軌累積磨耗，更新鋼軌型面，新型面作為下一迭代步計(jì)算的初始型面輸入.

計(jì)算過程中迭代步長選擇是一個重要問題（步長意義為一個迭代步內(nèi)車輛通過道岔的次數(shù)），步長過小會造成巨大計(jì)算代價，而步長過大將降低數(shù)值模型的精確和穩(wěn)定性. 本文采用一種自適應(yīng)步長的鋼軌型面更新算法，設(shè)定每一迭代步鋼軌累積磨耗峰值達(dá)到固定限值時，迭代步終止，執(zhí)行型面更新. 各迭代步的步長根據(jù)磨耗速率而不斷調(diào)整變化，可有效避免計(jì)算錯誤的出現(xiàn)，減小誤差累積，改善數(shù)值模型的可靠性和穩(wěn)定性. 每一迭代步的計(jì)算過程如下：

1） 通過動力學(xué)仿真和磨耗計(jì)算得到岔區(qū)各特征斷面的crn,L(yr) 、crn,R(yr)，然后計(jì)算所有特征斷面的鋼軌磨耗速率的最大值：

2） 根據(jù)迭代步內(nèi)磨耗發(fā)展的線性假設(shè)，設(shè)置各迭代步累積磨耗深度限值為 ξr，則迭代步內(nèi)車輛通過道岔的次數(shù)（迭代步步長）由式（7）計(jì)算.

3） 確定步長信息后，迭代步內(nèi)岔區(qū)各特征斷面左、右股鋼軌的累積磨耗可由式（8）計(jì)算得到.

式中：Crn,L(yr) 、Crn,R(yr)分別為迭代步內(nèi)各特征斷面左、右鋼軌的型面累積磨耗深度.

4） 根據(jù)Crn,L(yr) 、Crn,R(yr)對各特征斷面鋼軌型面進(jìn)行更新，更新后的型面作為初始型面代入下一迭代步進(jìn)行計(jì)算.

綜上，高速道岔鋼軌磨耗發(fā)展預(yù)測涉及車輛-道岔耦合動力學(xué)仿真、輪軌接觸計(jì)算、Archard材料磨損理論、接觸斑磨耗分布計(jì)算、鋼軌型面磨耗疊加以及自適應(yīng)步長的鋼軌型面更新等內(nèi)容，過程較為復(fù)雜. 整個計(jì)算過程的流程圖見附加材料圖S1.

2 42號高速道岔鋼軌磨耗發(fā)展規(guī)律

基于理論預(yù)測模型，對42號高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌的磨耗發(fā)展規(guī)律和趨勢進(jìn)行預(yù)測分析. 42號高速道岔圖號為KZX（07）006[17]，轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌為相切型，采用60D40彈性可彎尖軌，尖端采用藏尖式，基本軌采用60 kg/m鋼軌，尖軌基本軌設(shè)置1∶40軌頂坡，道岔前直線段長度設(shè)置為20 m.車輛模型采用CRH380B動車參數(shù)[18]，車輪踏面為LMA型踏面，直向過岔速度300 km/h，側(cè)向過岔速度160 km/h. 選取5.0、9.1、20.0、35.0、40.0、45.0、50.0、72.0 mm斷面為特征斷面，對各特征斷面位置各鋼軌件的磨耗發(fā)展過程進(jìn)行計(jì)算.

2.1 直向尖軌和基本軌磨耗發(fā)展規(guī)律

圖5給出了直向過岔時，反復(fù)列車荷載作用下轉(zhuǎn)轍器區(qū)典型特征位置直尖軌和直基本軌磨耗的發(fā)展過程. 計(jì)算中為了保持輸入輸出的統(tǒng)一性，對每個鋼軌型面均設(shè)置左側(cè)為非工作邊側(cè)、右側(cè)為工作邊側(cè)，因此曲基本軌-直尖軌密貼組合型面相當(dāng)于從轍叉區(qū)往轉(zhuǎn)轍器區(qū)方向看過去，直尖軌位于曲基本軌右側(cè)，而直基本軌為從轉(zhuǎn)轍器區(qū)往轍叉區(qū)方向看過去.

列車直向通過道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)時，實(shí)現(xiàn)股道變換和輪載過渡，不同斷面位置由于鋼軌形狀的差異變化，輪軌相互作用特征存在較大的不同，相應(yīng)地，不同斷面位置、不同鋼軌件的磨耗分布和發(fā)展規(guī)律也存在明顯區(qū)別.

圖5 直向過岔鋼軌磨耗發(fā)展過程Fig. 5 Rail wear development of train passing through turnout in main direction

5.0 mm斷面：直尖軌不與車輪接觸，磨耗主要分布于曲基本軌中部，磨耗發(fā)展較緩慢，高速列車通過50 000次時（通過總重300萬t），曲基本軌最大磨耗深度僅0.006 mm. 直基本軌磨耗呈馬鞍狀分布，也主要位于軌頭中部，磨耗速度比曲基本軌略快，通過總重300萬t時最大磨耗深度為0.016 mm.

9.1 mm斷面：車輪依然只與曲基本軌接觸，隨著曲基本軌的不斷外移，輪軌接觸點(diǎn)位置也不斷外移，磨耗仍主要分布于曲基本軌的中部，但分布范圍略有加寬，已有向工作邊側(cè)分布的趨勢，磨耗發(fā)展速度與5.0 mm斷面處相當(dāng)，仍較緩慢，通過總重300萬t時，曲基本軌最大磨耗深度為0.006 mm. 直基本軌磨耗相比5 mm斷面位置而言，分布范圍及形狀特征基本不變，幅值略有增大，通過總重300萬t時最大磨耗深度為0.018 mm.

20.0 mm斷面：車輪仍主要與曲基本軌接觸，但是隨著直尖軌的逐漸加寬輪軌接觸位置向曲基本軌工作邊側(cè)移動，磨耗仍主要分布在軌頭中部，在工作邊側(cè)及軌肩也有分布. 磨耗發(fā)展速率較9.1 mm斷面位置明顯增大，通過總重300萬t時，曲基本軌最大磨耗深度為0.016 mm. 直基本軌磨耗相對9.1 mm斷面位置而言，分布區(qū)域變化不大，但幅值顯著增大，通過總重300萬t時最大磨耗深度為0.030 mm.

35.0 mm斷面：車輪仍主要與曲基本軌接觸，但磨耗集中分布區(qū)域已由軌頭中部移到工作邊側(cè)，磨耗發(fā)展速率有非常顯著的增大，通過總重300萬t時，曲基本軌最大磨耗深度達(dá)0.090 mm. 直基本軌磨耗相對20.0 mm斷面位置而言，不再呈馬鞍狀分布，分布區(qū)域基本沒變，磨耗速率繼續(xù)增大，通過總重300萬t時最大磨耗深度達(dá)0.045 mm.

40.0 mm斷面：直尖軌已經(jīng)足夠?qū)捛乙雅c基本軌等高，此時輪載過渡已經(jīng)開始，在曲基本軌和直尖軌上均出現(xiàn)磨耗. 曲基本軌磨耗分布范圍相對35.0 mm斷面位置略有加寬，磨耗速率有所下降，直尖軌磨耗主要分布在軌頂區(qū)域，磨耗速率略大于曲基本軌，通過總重300萬t時，直尖軌最大磨耗深度達(dá)到0.076 mm. 直基本軌磨耗相對于35.0 mm斷面位置而言分布范圍基本沒變，磨耗速率略有增大.

45.0 mm斷面：輪載已主要由直尖軌承擔(dān)，磨耗主要分布在直尖軌軌頂區(qū)域，在曲基本軌工作邊側(cè)也仍存在少量磨耗. 直尖軌磨耗較40.0 mm斷面位置分布范圍更寬，磨耗發(fā)展也更快，通過總重300萬t時，最大磨耗深度達(dá)到0.152 mm. 曲基本軌磨耗分布范圍及發(fā)展速率較35.0 mm斷面位置均明顯減小. 而直基本軌磨耗分布范圍基本沒變，磨耗速率繼續(xù)緩慢增大.

50.0 mm斷面：此時輪載已經(jīng)完全過渡到直尖軌上，車輪不再與曲基本軌接觸，磨耗也只在直尖軌上出現(xiàn). 直尖軌磨耗發(fā)展速率大大增加，通過總重300萬t時，直尖軌最大磨耗深度達(dá)到0.185 mm. 直基本軌磨耗相對于45.0 mm斷面位置而言，分布范圍略有減小，更集中在軌頭中部，磨耗速率也有所增加，通過總重300萬t時最大磨耗深度達(dá)0.085 mm.

72.0 mm斷面：直尖軌已為全斷面，此時輪軌接觸狀態(tài)仍受輪載過渡的影響，直尖軌磨耗主要分布于軌肩及工作邊側(cè)軌頂，在非工作邊側(cè)也有少量分布，磨耗速率較50.0 mm斷面處有所減小，通過總重300萬t時，直尖軌最大磨耗深度0.125 mm. 直基本軌磨耗相對于50.0 mm斷面位置而言，分布區(qū)域基本沒有變化，磨耗速率繼續(xù)增大，通過總重300萬t時最大磨耗深度達(dá)到0.115 mm.

總體來看，隨著通過總重的不斷增加，轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌的磨耗均越來越嚴(yán)重. 輪載過渡發(fā)生于35.0～50.0 mm斷面之間，鋼軌磨耗分布從曲基本軌中部逐漸轉(zhuǎn)移到直尖軌軌頭頂部區(qū)域. 直基本軌磨耗主要分布于軌頭中部，輪載過渡完成后磨耗分布范圍更為集中. 直尖軌-曲基本軌在輪載過渡前磨耗發(fā)展緩慢加快，輪載過渡區(qū)段磨耗發(fā)展迅速加劇，輪載過渡完成后磨耗發(fā)展有所減緩. 直基本軌則在車輛通過整個過程中磨耗發(fā)展不斷加快. 輪載過渡前直尖軌磨耗小于直基本軌，輪載過渡區(qū)段直尖軌磨耗顯著大于直基本軌.

2.2 側(cè)向尖軌和基本軌磨耗發(fā)展規(guī)律

圖6給出了側(cè)向過岔時，轉(zhuǎn)轍器區(qū)典型特征位置曲尖軌和基本軌磨耗的發(fā)展過程. 直基本軌-曲尖軌密貼組合型面相當(dāng)于從轉(zhuǎn)轍器區(qū)往轍叉區(qū)方向看過去，曲尖軌位于直基本軌右側(cè)，曲基本軌相當(dāng)于從轍叉區(qū)往轉(zhuǎn)轍器區(qū)方向看過去.

列車側(cè)向通過道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)時，鋼軌件磨耗分布和發(fā)展規(guī)律與直向過岔時存在顯著差異.

5.0 mm斷面：列車剛剛進(jìn)岔，車輪尚未與曲尖軌接觸，磨耗主要分布于直基本軌中部并在偏工作邊側(cè)軌頂也有少量分布，磨耗發(fā)展較緩慢，通過總重300萬t時，直基本軌最大磨耗深度僅0.005 mm.曲基本軌磨耗呈馬鞍狀分布于軌頭中部及偏工作邊側(cè)軌頂，磨耗速率與直基本軌基本相當(dāng)，通過總重300萬t時最大磨耗深度為0.006 mm.

9.1 mm斷面：雖然曲尖軌降低值仍較大，但車輪已開始貼靠尖軌運(yùn)行，尖軌軌肩出現(xiàn)了較明顯的磨耗，由于車輪與尖軌的接觸狀態(tài)較為惡劣，尖軌磨耗分布較為集中且發(fā)展迅速. 但此時車輪輪載仍主要由直基本軌承擔(dān)，直基本軌磨耗主要分布在軌頭中部，相對曲尖軌而言磨耗分布范圍較寬，發(fā)展速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于曲尖軌. 通過總重300萬t時，曲尖軌最大磨耗深度達(dá)4.500 mm，直基本軌最大磨耗深度僅為

0.140 mm. 曲基本軌磨耗分布范圍較5.0 mm斷面處略窄，更向軌頭中部集中，磨耗速率有所加快，通過總重300萬t時最大磨耗深度為0.020 mm.

20.0 mm斷面：車輪仍貼靠曲尖軌運(yùn)行，曲尖軌磨耗仍主要分布于軌肩較集中的區(qū)域，磨耗速率比9.1 mm斷面處更快. 直基本軌磨耗分布區(qū)域比9.1 mm斷面處略有加寬并有向工作邊側(cè)移動的趨勢，磨耗速度與9.1 mm斷面處基本相當(dāng). 通過總重300萬t時，曲尖軌最大磨耗深度達(dá)到5.400 mm，直基本軌磨耗深度為0.100 mm. 曲基本軌磨耗分布范圍與9.1 mm斷面處相當(dāng)，磨耗速率顯著加快，通過總重300萬t時最大磨耗深度達(dá)到0.073 mm.

35.0 mm斷面：隨著曲尖軌的逐漸加寬和抬高，尖軌已開始承擔(dān)部分輪載，與車輪的接觸關(guān)系也有所改善，曲尖軌磨耗分布范圍較20.0 mm斷面處顯著加寬，主要分布在軌肩及工作邊側(cè)軌頂，磨耗發(fā)展速度顯著減緩. 直基本軌磨耗分布區(qū)域較20.0 mm斷面繼續(xù)加寬并繼續(xù)向工作邊側(cè)移動，由于承擔(dān)輪載逐漸減小，磨耗發(fā)展速率也有所減小. 通過總重300萬t時曲尖軌最大磨耗深度為0.650 mm，直基本軌最大磨耗深度為0.050 mm. 曲基本軌磨耗仍主要分布于軌頭中部，相對于20.0 mm斷面處而言，磨耗速率有所下降，通過總重300萬t 時，最大磨耗深度為0.024 mm.

40.0 mm斷面：曲尖軌已與直基本軌等高，承擔(dān)輪載繼續(xù)增大，同時輪緣貼靠接觸進(jìn)一步減弱. 曲尖軌磨耗分布范圍較35.0 mm斷面位置進(jìn)一步加寬，

向軌頂方向擴(kuò)展，磨耗發(fā)展速率繼續(xù)呈減緩趨勢，通過總重300萬t時最大磨耗深度為0.551 mm. 直基本軌磨耗分布范圍基本沒變，磨耗速率較35.0 mm斷面位置略有減小. 曲基本軌磨耗仍主要分布于軌頭中部，磨耗速率相對于35.0 mm斷面明顯增大，通過總重300萬t時，最大磨耗深度為0.105 mm.

45.0 mm斷面：輪載過渡趨近完成，磨耗主要出現(xiàn)在曲尖軌上，輪緣已不與尖軌接觸，磨耗分布于軌頂工作邊側(cè)及靠近軌肩的區(qū)域，磨耗速率相對于40.0 mm斷面位置有顯著增大. 直基本軌在軌頭中部靠工作邊側(cè)仍有磨耗分布，但相對于40.0 mm斷面位置磨耗分布范圍及發(fā)展速率均明顯減小. 通過總重300萬t時曲尖軌最大磨耗深度為0.751 mm，直基本軌最大磨耗深度為0.010 mm. 曲基本軌磨耗相對于40.0 mm斷面而言分布范圍基本沒變，磨耗速率繼續(xù)增大，通過總重300萬t時，最大磨耗深度為0.220 mm.

圖6 側(cè)向過岔鋼軌磨耗發(fā)展過程Fig. 6 Rail wear development of train passing through turnout in branch direction

50.0 mm斷面：輪載已經(jīng)完全過渡到曲尖軌上，磨耗也只在尖軌上出現(xiàn)，主要分布于工作邊側(cè)軌頂約20.0 mm寬范圍內(nèi)，并擴(kuò)展到非工作邊側(cè)也有少量分布，靠近軌肩區(qū)域磨耗發(fā)展最快，通過總重300萬t時，最大磨耗深度為0.830 mm，與45.0 mm斷面相比，磨耗速率又有所增大. 曲基本軌磨耗仍集中分布于軌頭中部，相對于45.0 mm斷面磨耗速率繼續(xù)增大，通過總重300萬t時最大磨耗深度達(dá)到0.370 mm.

72.0 mm斷面：車輪已不與曲尖軌貼靠，磨耗主要分布于工作邊側(cè)軌頂區(qū)域，在非工作邊側(cè)也有少量分布，磨耗發(fā)展速率相對于50.0 mm斷面處明顯減小，通過總重300萬t時，最大磨耗深度僅為0.120 mm. 曲基本軌磨耗仍主要分布于軌頭中部，分布范圍與50.0 mm斷面處基本一致，磨耗速率略有減小，通過總重300萬t時最大磨耗深度為0.225 mm.

總體來看，隨著通過總重的不斷增加，轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌的磨耗均越來越嚴(yán)重. 列車進(jìn)岔后很快就開始貼靠曲尖軌運(yùn)行，9.1 mm斷面開始即出現(xiàn)尖軌側(cè)磨.隨著曲尖軌逐漸加寬和直基本軌外移，曲尖軌軌肩始終存在較嚴(yán)重磨耗，直基本軌雖主要承擔(dān)輪載，但磨耗相對尖軌要小得多，磨耗分布區(qū)域逐漸向工作邊側(cè)移動. 輪載過渡主要發(fā)生于35.0～50.0 mm斷面之間，輪載過渡開始后曲尖軌磨耗分布范圍變寬，軌肩磨耗顯著減小，至50.0 mm斷面時磨耗分布全部轉(zhuǎn)移至尖軌，主要分布于軌頂和靠近軌肩區(qū)域，至全斷面后尖軌磨耗再次顯著減小. 曲基本軌磨耗在車輛通過整個過程中均主要分布于軌頭中部，輪載過渡前磨耗發(fā)展逐漸加快，輪載過渡開始后磨耗發(fā)展有所減緩. 曲尖軌在刨切區(qū)段磨耗始終顯著大于曲基本軌，直至全斷面后尖軌磨耗發(fā)展與曲基本軌相當(dāng).

3 結(jié) 論

本文建立了高速道岔鋼軌磨耗發(fā)展預(yù)測模型.基于Archard材料磨損理論和車輛-道岔動力學(xué)仿真進(jìn)行磨耗深度分布計(jì)算. 采用了自適應(yīng)步長算法對岔區(qū)各特征位置鋼軌型面進(jìn)行更新，可有效改善數(shù)值模型穩(wěn)定性和可靠性. 利用理論預(yù)測模型研究了42號高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌的磨耗分布和發(fā)展規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1） 直向過岔時，輪載過渡發(fā)生于35.0～50.0 mm斷面之間，鋼軌磨耗分布從曲基本軌中部逐漸轉(zhuǎn)移到直尖軌軌頭頂部. 直基本軌磨耗主要位于軌頭中部，輪載過渡完成后磨耗分布更為集中. 直尖軌-曲基本軌在輪載過渡前磨耗發(fā)展緩慢加快，輪載過渡區(qū)段磨耗發(fā)展迅速加劇，輪載過渡完成后磨耗發(fā)展有所減緩. 直基本軌則在車輛通過整個過程中磨耗發(fā)展不斷加快.

2） 側(cè)向過岔時，列車進(jìn)岔后很快就開始貼靠曲尖軌運(yùn)行，9.1 mm斷面開始即出現(xiàn)尖軌側(cè)磨. 隨著曲尖軌逐漸加寬，尖軌軌肩始終存在較嚴(yán)重磨耗，直基本軌雖主要承擔(dān)輪載，但磨耗相對曲尖軌要小得多. 輪載過渡主要發(fā)生于35.0～50.0 mm斷面之間，輪載過渡開始后曲尖軌磨耗分布變寬，軌肩磨耗顯著減小，至全斷面后曲尖軌磨耗再次顯著減小. 曲基本軌磨耗在車輛通過過程中均主要分布于軌頭中部，輪載過渡前磨耗發(fā)展逐漸加快，過渡開始后磨耗發(fā)展有所減緩. 曲尖軌在刨切區(qū)段磨耗始終顯著大于曲基本軌，直至全斷面后曲尖軌磨耗發(fā)展與曲基本軌相當(dāng).

進(jìn)一步工作中，擬根據(jù)理論預(yù)測得到的岔區(qū)鋼軌磨耗規(guī)律，在現(xiàn)場選取42號高速道岔試驗(yàn)段，針對性地進(jìn)行長期跟蹤觀測，對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而對現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修提供有效指導(dǎo). 另外，由于道岔尖軌刨切區(qū)段存在一些曲率突變的情形，進(jìn)一步工作中擬對道岔區(qū)不同輪軌接觸理論的適用性以及對于磨耗仿真結(jié)果的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究.

備注：附加材料在中國知網(wǎng)本文的詳情頁中獲取.