白新榮 劉飛 代向楠 侯銀慶 梁瑞峰

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350；2.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司 檢測救援分公司，河北 肅寧 062350；3.中鐵物總運維科技有限公司，北京 100073

隨著鐵路運輸載重不斷增大，線路和鋼軌問題逐漸凸顯，其中鋼軌波磨一直是鐵路養(yǎng)護的難題。為從根源上探究鋼軌波磨產(chǎn)生的機理，抑制鋼軌波磨的產(chǎn)生，國內(nèi)外學者進行了深入研究。文獻［1］建立考慮輪軌系統(tǒng)垂向振動、彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動和摩擦功波動理論的鋼軌波磨成因分析模型，分析了我國重載鐵路線路長波磨的成因。文獻［2-3］基于車輛-軌道耦合動力學理論、輪軌非赫茲滾動接觸理論和輪軌摩擦學理論建立了較完整的鋼軌波磨計算模型，分析了多種波磨的成因。由于輪軌系統(tǒng)及其接觸特性的復雜性，目前尚未能提出一種受到廣泛認可的理論，無法從根源上解決鋼軌波磨問題，研究鋼軌波磨產(chǎn)生的影響及有效的治理措施成為了工作重點。文獻［4-6］研究表明鋼軌波磨會導致輪軌作用力急劇增大，從而加劇對軌道系統(tǒng)的破壞，使其壽命縮短。文獻［7-8］采用不同的建模方式分析了鋼軌波磨對輪軌系統(tǒng)振動的影響，提出鋼軌波磨會使車輛關鍵部件的振動加速度增大。文獻［9］提出鋼軌波磨在一定程度上會影響鋼軌部件及車輛的安全性，降低車輛及軌道部件的使用壽命，也使車輛運行的平穩(wěn)性降低。為了延緩鋼軌波磨的產(chǎn)生，鐵路部門及行業(yè)學者提出了不同的措施。文獻［10-12］提出了在鋼軌表面進行涂油、安裝吸振器等措施，對鋼軌表面摩擦因數(shù)及振動加速度進行調(diào)節(jié)，但成本較高，且不同區(qū)段效果不一致。日本、澳大利亞、德國、法國等提出了鋼軌打磨技術在波浪形磨耗中的應用［13-16］。隨著國內(nèi)鋼軌打磨技術不斷發(fā)展成熟，鋼軌打磨逐漸成為鋼軌養(yǎng)護的重要手段［17-20］。

鋼軌打磨極大緩解了鋼軌波磨和疲勞傷損的發(fā)展，有效減少了小半徑曲線因鋼軌波磨和疲勞導致的下道，但也存在一定的局限性。短波長波磨可通過打磨有效消除，而波長超過300 mm 的波磨很難通過打磨徹底消除。本文通過對朔黃鐵路的現(xiàn)場調(diào)研，分析鋼軌打磨前后鋼軌波磨及病害發(fā)展情況。采用SIMPACK動力學軟件建立C80車輛和軌道耦合系統(tǒng)動力學模型，分析打磨前后鋼軌廓形及波磨深度變化對曲線通過能力及動力學性能的影響，并分析波長200～500 mm時打磨前后廓形變化對波深幅值安全限值的影響，為重載鐵路小半徑曲線鋼軌的經(jīng)濟性打磨提供理論依據(jù)。

1 個性化廓形設計

朔黃鐵路是我國西煤東運的重要線路，年通過總質(zhì)量超過4億t。由于山區(qū)小半徑曲線分布密集，其鋼軌波磨和疲勞傷損病害嚴重。選取朔黃鐵路上行線K18+510 附近半徑400 m 的曲線線路進行了跟蹤調(diào)研。該曲線上股緩圓點附近20 m 區(qū)段存在嚴重波磨，波長約為300 mm，最大波深約為0.8 mm。

根據(jù)采集的鋼軌廓形及車輪踏面進行動力學仿真計算，然后綜合考慮輪軌接觸關系最優(yōu)及減小輪軌蠕滑力，設計了上下股不同的個性化目標廓形。施工時采取上下股非對稱打磨，將上下股打磨到目標廓形后再針對鋼軌波磨進行打磨，打磨后鋼軌波磨未徹底消除，殘留波深小于0.2 mm。打磨前后上股軌面平直度測量結(jié)果見圖1。

圖1 打磨前后上股軌面平直度

打磨前后鋼軌廓形及與標準75N 鋼軌廓形的對比見圖2。可知：打磨前，上股鋼軌垂直磨耗、側(cè)面磨耗分別為2.79、3.41 mm，而下股鋼軌垂直磨耗為3.51 mm，且存在明顯的凹形磨耗。

圖2 打磨前后鋼軌廓形對比

打磨前后鋼軌廓形與LM 車輪踏面匹配時的幾何接觸關系見圖3。其中，綠色曲線表示不同車輪橫向位移下輪軌接觸位置，上方的數(shù)字為車輪橫向位移，mm。由圖3 可知：打磨前上股存在兩點接觸，接觸點為鋼軌側(cè)面和軌頂外側(cè)；下股由于存在凹形磨耗，接觸點分布在軌頂兩側(cè)。打磨后上股接觸點主要分布在軌頂內(nèi)側(cè)及軌距角處，下股接觸點分布在軌頂及內(nèi)側(cè)，接觸點分布更加均勻且無跳躍。

圖3 打磨前后輪軌接觸幾何關系

2 動力學建模

2.1 模型的建立

通過曲線路段時，輪軌蠕滑力的變化最能反映打磨前后輪軌接觸關系的變化。采用SIMPACK 多體動力學軟件建立多剛體動力學模型，車輛模型為C80。模型中輪對、軸箱、車輛側(cè)架、搖枕和車體以剛體形式表示，交叉拉桿、彈簧及止擋簡化為等效力元，各剛體采用鉸接形式連接。輪軌垂向力采用Hertz 非線性彈性接觸理論進行計算，輪軌蠕滑力（率）采用Fastsim 理論進行計算［5-6］。

2.2 模型驗證

為驗證所建模型的可靠性，將輪軌橫向力的實測值與仿真值進行對比，見圖4。可知：導向輪對的最大輪軌橫向力實測值和仿真值分別為40.3、38.2 kN，誤差約5%；跟隨輪對的最大輪軌橫向力實測值和仿真值分別為10.07、8.23 kN，誤差約20%。因此，選用導向輪對為分析對象。

圖4 輪軌橫向力的實測值與仿真值對比

2.3 軌道不平順的設置

鋼軌波磨是一種軌道縱向不平順，沿鋼軌縱向分布在輪軌接觸表面，在普速及重載鐵路線路上主要以長波形式存在，波長一般為300～1 000 mm，波深約0.3～1.0 mm。將實測鋼軌波磨與軌道不平順進行疊加，位置為靠近緩圓點附近的圓曲線，如圖5所示。

圖5 曲線工況及軌道不平順設置

3 動力學性能

引發(fā)鋼軌波磨的因素包括輪軌關系不良、輪軌力和輪軌蠕滑力過大、軌面摩擦因數(shù)過大、線路幾何尺寸不良、道床剛度不均勻等。為分析鋼軌打磨對波磨的治理效果，將打磨前后的鋼軌廓形及疊加波磨的軌道不平順導入動力學模型，分析輪軌力、輪軌蠕滑力、振動加速度、磨耗指數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。

3.1 輪軌力和輪軌蠕滑力

由于打磨后曲線上股輪軌力和蠕滑力變化更為明顯，更能反映打磨前后效果，因此取上股鋼軌打磨前后動力學指標進行分析。打磨前后曲線上股的輪軌力對比見圖6?？芍捍蚰ズ筝嗆墮M向力明顯減小，圓曲線上輪軌橫向力最大值減小18.16 kN，降幅33.79%；波磨位置輪軌橫向力最大值減小22.92 kN，降幅38.77%。

圖6 打磨前后曲線上股輪軌橫向力對比

打磨前后曲線上股輪軌蠕滑力及軌頂、軌側(cè)接觸點位置對比見圖7。可知：

圖7 打磨前后曲線上股輪軌蠕滑力及接觸點位置對比

1）打磨前軌頂和軌側(cè)接觸點在鋼軌橫斷面上相距約34 mm，較大的滾動半徑差帶來較大的線速度差異，導致縱向蠕滑力方向相反；打磨后這兩個接觸點距離在5 mm 以內(nèi)，形成貼合式接觸，縱向蠕滑力方向一致且幅值相比打磨前最大值減小15.25 kN，降幅61.81%。

2）打磨后軌側(cè)橫向蠕滑力明顯增加，軌頂位置橫向蠕滑力減小，形成貼合式接觸后，軌側(cè)接觸點承擔了更多的橫向蠕滑力。

3.2 振動加速度

鋼軌波磨會加劇車輛振動，進而導致車體零部件的螺栓松動和疲勞傷損萌生。打磨前后車體和側(cè)架振動加速度分別見圖8、圖9。可知：打磨后車體垂向振動加速度最大值由2.18 m/s2降至0.78 m/s2，降幅為64.22%，車體橫向振動加速度無明顯變化；打磨后，側(cè)架垂向振動加速度最大值由48.89 m/s2降至3.28 m/s2，降幅93.29%，橫向振動加速度最大值由12.47 m/s2降至0.81 m/s2，降幅93.50%。

圖8 打磨前后車體振動加速度

圖9 打磨前后側(cè)架振動加速度

3.3 鋼軌磨耗和曲線通過能力

打磨前后鋼軌磨耗指數(shù)和車輛曲線通過能力對比見圖10?？芍?/p>

圖10 打磨前后鋼軌磨耗指數(shù)及曲線通過能力對比

1）打磨后曲線上股磨耗指數(shù)最大值由1.16 kN 降至0.69 kN，降幅40.52%；曲線下股磨耗指數(shù)最大值由0.19 kN降至0.15 kN，降幅21.05%。

2）打磨后，緩和曲線上股滾動圓半徑差最大值升至3.1 mm，圓曲線上股滾動圓半徑差最大值升至2.5 mm，曲線通過能力明顯提升。

3）打磨后脫軌系數(shù)最大值由0.47降至0.32，降幅31.91%；輪重減載率最大值由0.19 降至0.12，降幅36.84%。

4 波深安全限值

根據(jù)TJ/GW 170—2021《普速鐵路鋼軌打磨驗收標準》，針對普速線路波浪形磨耗，打磨列車作業(yè)后采用波磨儀或平直度儀測量波深應小于0.2 mm。而在實際線路中，由于打磨列車打磨量有限，且受打磨列車砂輪直徑影響，在波長大于300 mm 的波磨區(qū)間打磨作業(yè)時，鋼軌打磨對波磨幅值的影響較小。此外，在實際線路中曲線發(fā)生波磨位置上股廓形一般表現(xiàn)為側(cè)面磨耗，下股為馬鞍形磨耗，廓形打磨中以波磨治理為主，盡可能增加打磨遍數(shù)以減小波磨幅值，打磨后廓形多與目標廓形存在較大偏差。因此，分析重載鐵路小半徑曲線廓形及波磨對列車運行安全具有重要的指導意義。

將現(xiàn)場實測鋼軌廓形導入動力學模型，以GB/T 5599—2019《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》中的脫軌系數(shù)、輪重減載率的第二限度值和輪軌橫向力、輪軸橫向力為評判依據(jù)，計算得出波長200～500 mm、列車通過曲線時打磨前后的波深安全限值，見圖11。其中車速為60 km/h?？芍谕炔ㄩL下，打磨后的波深安全限值大于打磨前，平均幅值提升約0.2 mm。這是因為鋼軌打磨改善了輪軌接觸關系，輪軌蠕滑力和橫向力明顯減小，而同等波長和波深下輪軌垂向力變化不大，列車通過安全性提升明顯。

圖11 波長200～500 mm時打磨前后波深安全限值

5 結(jié)論

1）鋼軌打磨后輪軌橫向力減小33.79%以上，其中波磨嚴重位置減小38.77%；縱向蠕滑力和軌頂橫向蠕滑力大幅減?。卉圀w垂向振動加速度降幅為64.22%，車輛側(cè)架垂向、橫向振動加速度最大值降幅分別為93.29%、93.50%。

2）鋼軌打磨后圓曲線上股最大滾動圓半徑差增至2.5 mm，車輛曲線通過能力明顯提升；脫軌系數(shù)、輪重減載率降幅分別為31.91%、36.84%，運行安全性明顯提升；曲線上下股磨耗指數(shù)降幅分別為40.52%、21.05%，鋼軌磨耗速率顯著下降。

3）鋼軌打磨后曲線輪軌接觸關系顯著改善，曲線上股兩個接觸點橫向間距由34 mm縮至5 mm以內(nèi)，由兩點接觸（軌頂外側(cè)和軌側(cè)）狀態(tài)變?yōu)橘N合式接觸，曲線上股縱向蠕滑力顯著減小，可有效緩解鋼軌波磨產(chǎn)生和發(fā)展。

4）鋼軌打磨修正了鋼軌廓形，改善了輪軌接觸關系。在同等波長下，打磨后波深安全限值要大于打磨前的波深安全限值，平均幅值提升約0.2 mm，列車通過安全性提升明顯，為鋼軌廓形打磨技術的推廣和應用奠定了基礎。