王健

中國鐵路設(shè)計集團有限公司線站院，天津 300308

鋼軌在極小的面積內(nèi)要承受車輪劇烈的動態(tài)荷載作用，不可避免地會產(chǎn)生磨耗、疲勞等傷損［1］，若不及時進行維修，傷損產(chǎn)生的缺陷可能會進一步發(fā)展，誘發(fā)鋼軌貫通斷裂，嚴重危害行車安全［2］。鋼軌打磨是一種經(jīng)濟有效的鋼軌養(yǎng)護維修手段［3］，通過鋼軌打磨能改善輪軌接觸關(guān)系和受力條件，從而降低輪軌動態(tài)相互作用，延長鋼軌服役壽命。

道岔是使機車車輛完成轉(zhuǎn)向和跨越的重要鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，狀態(tài)多變，高速道岔鋼軌傷損病害繁多，歷來是高速鐵路線路養(yǎng)護維修的難點［4］。近年來，借鑒打磨技術(shù)在區(qū)間線路鋼軌上的應(yīng)用成果，有關(guān)道岔鋼軌打磨的研究逐漸增多。李偉等［5］結(jié)合道岔實際運營狀態(tài)，提出了一種適用于道岔區(qū)的鋼軌廓形打磨方案，能有效改善輪軌相互作用特性，降低車輛側(cè)向通過道岔時的動力學(xué)指標。李源杰［6］對無縫道岔小型機械廓形打磨和大型機械打磨的工藝進行了總結(jié)，為同類型道岔處理相似病害提供了指導(dǎo)意見。楊逸航等［7-8］研究了高速道岔基本軌的廓形打磨方案，并對比了鋼軌打磨前后的列車動力學(xué)特性，研究了不同打磨方案對高速列車動力學(xué)性能的影響規(guī)律。任凱［9］研究了普速鐵路道岔區(qū)鋼軌大型機械和小型機械相結(jié)合的打磨技術(shù)，并對其打磨效果進行了評價。張鵬飛等［10］針對福州工務(wù)段在杭深客運專線部分岔區(qū)采用的鋼軌打磨方案，研究了鋼軌打磨對高速列車動力特性的影響。王繼文［11］按照分區(qū)打磨理念，將道岔鋼軌打磨分為三個區(qū)域，并提出了尖軌和基本軌、導(dǎo)曲線和轍叉部位的個性化打磨方法。

不同類型的道岔采用的鋼軌打磨原則也不盡相同。在高速道岔中，高速動車組列車比貨車軸重輕、速度快，高速道岔鋼軌損傷的主要原因不在于較高的輪軌接觸應(yīng)力，更多取決于較大的輪軌沖擊作用，因此高速道岔鋼軌打磨的基本原則是降低車輛通過道岔時的輪軌沖擊作用力，即提高行車平穩(wěn)性。本文以我國18號高速道岔轉(zhuǎn)轍器為研究對象，以車輛運行平穩(wěn)性控制為目標，研究鋼軌廓形打磨方案，并從道岔的輪軌接觸關(guān)系和車輛-道岔動力性能方面對打磨效果進行評價。

1 高速道岔轉(zhuǎn)轍器鋼軌廓形打磨方案

針對任意形狀的車輪踏面和軌頂輪廓曲線，基于跡線法的基本原理［12］，建立道岔區(qū)輪軌接觸幾何計算模型，在平面范圍內(nèi)通過最小距離搜索的方法，找到左右輪軌接觸點的位置。選取尖軌頂寬為20.0、35.0、50.0、72.2 mm的18號高速道岔轉(zhuǎn)轍器鋼軌軌頭廓形斷面，利用輪軌接觸幾何計算模型，計算得到LMA車輪與轉(zhuǎn)轍器鋼軌原始廓形的接觸點對位置分布，見圖1。

高速列車通過道岔轉(zhuǎn)轍器時，車輪在尖軌與基本軌之間完成轉(zhuǎn)移和過渡。在此過程中，輪軌接觸點位置的突變會引起車輛與道岔鋼軌劇烈的動態(tài)作用，是影響行車平穩(wěn)性的主要激勵源［4］。由圖1可知，在尖軌頂寬35.0 mm斷面上車輪與基本軌完全接觸，而在尖軌頂寬50.0 mm斷面上車輪與尖軌完全接觸，這說明車輪在尖軌頂寬35.0 mm到50.0 mm范圍內(nèi)完成轉(zhuǎn)移，車輪與基本軌的接觸點位置相對集中，而車輪與尖軌的接觸點位置則較為分散且靠近軌距角，因而增大了輪軌接觸點位置的跳躍幅度，勢必會降低車輛的運行平穩(wěn)性。據(jù)此提出一種能夠集中車輪與道岔接觸點位置的鋼軌廓形打磨方案，打磨前后轉(zhuǎn)轍器鋼軌廓形對比見圖2。

圖1 LMA車輪與轉(zhuǎn)轍器鋼軌原始廓形的接觸點對

圖2 打磨前后轉(zhuǎn)轍器鋼軌廓形對比

2 道岔的輪軌接觸關(guān)系

2.1 輪軌接觸不平順

利用建立的道岔區(qū)輪軌接觸幾何計算模型，對比分析高速道岔轉(zhuǎn)轍器鋼軌打磨前后的輪軌接觸不平順。計算時以車輪和鋼軌在區(qū)間線路（即尖軌尖端橫斷面）上的接觸點為基準，規(guī)定接觸點橫向以遠離線路中心線的方向為正，豎向以向上為正，輪對橫移方向以輪緣遠離尖軌為正。沿線路縱向每隔0.4 m計算一個斷面的輪軌接觸狀態(tài)，繪制出打磨前后輪對橫移-9～9 mm時的橫向、垂向接觸不平順變化曲線，見圖3、圖4，圖中不同顏色線表示不同輪對橫移量。

圖3 打磨前后轉(zhuǎn)轍器區(qū)橫向接觸不平順變化曲線

圖4 打磨前后轉(zhuǎn)轍器區(qū)垂向接觸不平順變化曲線

由圖3可知，打磨前轉(zhuǎn)轍器區(qū)的橫向接觸不平順最大值為63.055 mm，打磨后降至40.122 mm，降低了36.4%，效果明顯。

由圖4可知，打磨前轉(zhuǎn)轍器區(qū)的垂向接觸不平順最大值為4.878 mm，打磨后降至1.668 mm，降低了65.8%，效果比橫向更為明顯。

2.2 輪軌等效錐度

同一輪對的左右車輪滾動圓半徑差越大，左右車輪滾動時的走行距離差就越大。根據(jù)左右車輪的滾動圓半徑差定義輪軌等效錐度，反映車輛的運行平穩(wěn)性。等效錐度越小，車輛運行平穩(wěn)性越好。在道岔中，由于左右鋼軌的不對稱性，理想狀況下輪對橫移量yw=0時左右車輪的實際滾動圓半徑并不等于其名義滾動圓半徑，故道岔區(qū)的輪軌等效錐度λ定義為

式中：rR、rL分別為輪對處于不同橫移量時左右車輪的實際滾動圓半徑值；rR0和rL0分別為輪對處于對中位置時（即yw=0）左右車輪的實際滾動圓半徑值。

當yw=9 mm后，輪緣開始貼靠鋼軌內(nèi)側(cè)工作邊，此時輪軌等效錐度達到較大數(shù)值，更能直觀反映車輛的運行平穩(wěn)性。因此，以yw=-9、9 mm為例，利用道岔區(qū)輪軌接觸幾何計算模型計算得到打磨前后輪軌等效錐度，見圖5。

圖5 打磨前后的輪軌等效錐度對比

由圖5可知，打磨后輪軌等效錐度沿尖軌長度方向有所減小。特別是輪對橫移量為9 mm時，在距尖軌尖端5～8 m區(qū)域，打磨后有一個類似消除峰值的作用，大大減小了輪軌等效錐度，有利于提升車輛的運行平穩(wěn)性。

3 車輛-道岔動力性能

在SIMPACK多體動力學(xué)軟件平臺上建立車輛與道岔軌道系統(tǒng)的多剛體動力學(xué)計算模型，包括兩個相互作用的模型，即根據(jù)CRH2型車輛參數(shù)建立的車輛模型和考慮空間變截面特性的道岔軌道模型，車輛模型與道岔模型之間通過輪軌接觸模型進行連接。輪軌接觸模型中，使用赫茲接觸理論來計算輪軌法向力，并且使用Kalker簡化理論解決輪軌切向接觸問題。上述模型的正確性已在文獻［13］中得到驗證。

3.1 動態(tài)輪軌力

基于所建模型，模擬CRH2型動車組以350 km/h直向進岔的過程。以車輛第一輪對與鋼軌的相互作用為例，提取鋼軌打磨前后道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)直向里軌側(cè)的動態(tài)輪軌力計算結(jié)果，見圖6。

圖6 打磨前后道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)直向里軌側(cè)動態(tài)輪軌力

由圖6可知：打磨后道岔直向里軌側(cè)的輪軌橫向力明顯減小，輪軌橫向力最大值由打磨前的8.33 kN降至5.04 kN，降低了39.5%；打磨后道岔直向里軌側(cè)的輪軌垂向力稍有減小，鋼軌打磨對動態(tài)輪軌垂向力的影響較小。

3.2 車輛運行平穩(wěn)性

基于所建模型，提取鋼軌打磨前后車體橫向和垂向振動加速度計算結(jié)果，見圖7。

圖7 打磨前后車體振動加速度

由圖7可知：打磨后車體橫向振動加速度明顯減小，車體橫向加速度最大值由打磨前的0.27 m/s2降至0.25 m/s2，降低了7.4%；鋼軌打磨對車體垂向振動加速度的影響較小。

3.3 車輛運行安全性

基于所建模型，提取鋼軌打磨前后脫軌系數(shù)和減載率計算結(jié)果，見圖8。

圖8 打磨前后車體運行安全性參數(shù)

由圖8可知，打磨后脫軌系數(shù)明顯減小，脫軌系數(shù)最大值由打磨前的0.12降至0.07，降低了41.7%；鋼軌打磨對輪對減載率的影響較小。

4 結(jié)論

本文基于跡線方法建立車輪與道岔鋼軌的輪軌接觸幾何計算模型，分析車輛通過道岔轉(zhuǎn)轍器時的輪軌接觸特性，發(fā)現(xiàn)輪軌接觸位置不集中和突變是降低車輛運行平穩(wěn)性的主要因素，據(jù)此提出了一種能夠集中車輪與道岔接觸點位置的鋼軌廓形打磨方案，并對廓形打磨方案的靜態(tài)輪軌接觸關(guān)系和車輛動力性能進行了研究。結(jié)論如下：

1）廓形打磨能夠有效降低道岔區(qū)輪軌接觸不平順，打磨后轉(zhuǎn)轍器區(qū)的橫向、垂向接觸不平順最大值分別降低36.4%、65.8%，效果明顯。廓形打磨對等效錐度分布有削峰作用，有利于提升車輛的運行平穩(wěn)性。

2）轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌廓形打磨使得道岔直向里軌側(cè)的輪軌橫向力明顯減小，對動態(tài)輪軌垂向力影響較??；使得車體橫向加速度明顯減小，對車體垂向加速度影響較??；使得脫軌系數(shù)明顯減小，對減載率影響較小。

本文以集中接觸點來優(yōu)化尖軌的廓形，必然會導(dǎo)致接觸區(qū)域減小，從而增大輪軌接觸應(yīng)力，影響鋼軌的傷損性能。由于本文將車輛運行平穩(wěn)性作為優(yōu)化目標，未考慮鋼軌傷損性能的變化，這一點將在未來的研究中加以完善，并將引入接觸應(yīng)力作為評價指標，對高速道岔鋼軌廓形進行多目標優(yōu)化。