智樂(lè)昆

線路參數(shù)對(duì)地鐵小半徑曲線低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響分析

智樂(lè)昆

（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）

針對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線路在小半徑曲線低軌上產(chǎn)生的疲勞損傷問(wèn)題，通過(guò)建立地鐵車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和損傷函數(shù)模型，分析了曲線超高、摩擦系數(shù)和軌底坡這3個(gè)線路參數(shù)對(duì)低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響，并提出了相應(yīng)的減緩措施。研究結(jié)果表明，增大曲線超高與低軌摩擦系數(shù)均會(huì)降低低軌的疲勞損傷值，但低軌會(huì)發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域基本保持不變；隨著低軌軌底坡的不斷減小，低軌會(huì)發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域?qū)能夗斊蛲鈧?cè)處逐漸移至靠近軌距角處，同時(shí)疲勞損傷峰值會(huì)先減小隨后而又增大；適當(dāng)增大曲線超高與低軌摩擦系數(shù)，并將低軌軌底坡調(diào)為1/70，可減緩該小半徑曲線低軌滾動(dòng)接觸疲勞的形成和發(fā)展。

地鐵；鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞；輪軌蠕滑；損傷函數(shù)；線路參數(shù)

鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞在地鐵線路上較為常見(jiàn)，尤其在小半徑曲線上最為嚴(yán)重。鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞危害很大，它不僅會(huì)使得鋼軌頻繁打磨與更換，顯著增加線路運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)還會(huì)惡化輪軌之間的相互作用，威脅行車安全。因此，開(kāi)展線路參數(shù)對(duì)鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響研究，掌握其內(nèi)在的規(guī)律，可為減緩鋼軌疲勞損傷提供一定的理論指導(dǎo)與參考。

輪軌滾動(dòng)接觸疲勞是一個(gè)非常復(fù)雜的損傷現(xiàn)象，影響因素眾多[1]，為此國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作。MUSTER等[2]通過(guò)在歐洲四種鐵路網(wǎng)的特定曲線上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了不同種類鋼軌對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞的影響，測(cè)試結(jié)果表明硬化的鋼軌材質(zhì)具有更好的抗疲勞性能。FR?HLING等[3]研究了高軸重下不同輪軌型面對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞的影響，通過(guò)對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的分析，發(fā)現(xiàn)不匹配的輪軌廓形易導(dǎo)致較高的輪軌接觸應(yīng)力，進(jìn)而促進(jìn)滾動(dòng)接觸疲勞的萌生和發(fā)展。胡羽生等[4]對(duì)含缺陷的車輪鋼試樣進(jìn)行了滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)，并運(yùn)用多軸疲勞模型分析了缺陷尺寸對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺陷尺寸的增加會(huì)降低車輪試樣的疲勞壽命。王紅兵等[5]研究了輪徑差對(duì)車輪滾動(dòng)接觸疲勞的影響，發(fā)現(xiàn)輪徑差會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)發(fā)生偏移且顯著增大輪對(duì)橫移量，從而使得車輪滾動(dòng)接觸疲勞區(qū)域擴(kuò)大、使用壽命降低。李星等[6]研究了曲線半徑和輪緣潤(rùn)滑對(duì)鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響，發(fā)現(xiàn)增大曲線半徑和考慮輪緣潤(rùn)滑可使輪軌間最大等效接觸應(yīng)力顯著減小，從而有效減緩高速鐵路小半徑曲線鋼軌的疲勞損傷。劉云濤和段志東[7]基于三維瞬態(tài)輪軌接觸有限元模型研究了軌底坡參數(shù)對(duì)鋼軌疲勞裂紋萌生壽命的影響，發(fā)現(xiàn)針對(duì)不同的線路采用合適的軌底坡可以降低鋼軌表面的接觸應(yīng)力，優(yōu)化輪軌間的匹配狀態(tài)，從而減小鋼軌萌生疲勞裂紋的概率，延長(zhǎng)鋼軌的服役期限。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線路在小半徑曲線低軌上產(chǎn)生的疲勞損傷問(wèn)題，通過(guò)建立地鐵車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并使用損傷函數(shù)模型計(jì)算低軌的疲勞損傷值，以此來(lái)研究曲線超高、摩擦系數(shù)與軌底坡這三個(gè)線路參數(shù)對(duì)低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響，并根據(jù)其規(guī)律提出相應(yīng)的減緩措施。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線路半徑為400 m的曲線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)高軌以磨耗為主，其表面并無(wú)明顯的疲勞損傷；低軌則在軌頂中心附近出現(xiàn)了連續(xù)分布的疲勞斜裂紋，如圖1所示。

圖1 半徑400 m曲線鋼軌表面狀態(tài)

為了使后續(xù)動(dòng)力學(xué)仿真能更好地模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在調(diào)查期間對(duì)該小半徑曲線的鋼軌廓形進(jìn)行了測(cè)試，高、低軌的實(shí)測(cè)型面分別如圖2（a）（b）所示。同時(shí)還對(duì)該線路上運(yùn)行的所有列車的車輪廓形進(jìn)行了測(cè)試，總共獲得了2064個(gè)（43列車）實(shí)測(cè)磨耗車輪型面，圖3給出了6個(gè)不同運(yùn)行里程下典型的實(shí)測(cè)磨耗車輪型面。另外，還對(duì)軌底坡、列車運(yùn)行速度等線路、車輛參數(shù)進(jìn)行了調(diào)查測(cè)試。這些實(shí)測(cè)的輪軌型面和線路、車輛參數(shù)都將作為后續(xù)車輛動(dòng)力學(xué)仿真的輸入。

2 數(shù)值仿真模型

為了分析不同線路參數(shù)對(duì)該小半徑曲線低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響，首先建立地鐵車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，輸入實(shí)測(cè)的輪軌型面以及車輛、線路參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到輪軌接觸相關(guān)參數(shù)，如縱向蠕滑力F、橫向蠕滑力F、縱向蠕滑率ξ、橫向蠕滑率ξ、接觸斑寬度2、鋼軌上接觸點(diǎn)橫向位置等，然后再將相關(guān)參數(shù)輸入到損傷函數(shù)模型中，計(jì)算出不同工況下低軌的疲勞損傷值，最后通過(guò)對(duì)不同工況下低軌的疲勞損傷值進(jìn)行對(duì)比分析，以此研究線路參數(shù)對(duì)低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響規(guī)律。

圖2 半徑400 m曲線實(shí)測(cè)鋼軌型面

2.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型

利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立了國(guó)內(nèi)某A型地鐵車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，如圖4所示。模型由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)軸箱組成，車輛部分參數(shù)如表1所示。車輛轉(zhuǎn)向架采用兩系懸掛，一系懸掛采用軸箱轉(zhuǎn)臂定位方式，由鋼簧、垂向減振器組成；二系懸掛由空氣彈簧、垂向減振器、橫向減振器、橫向止擋、牽引拉桿和抗側(cè)滾扭桿組成。模型中所有懸掛元件均通過(guò)彈簧－阻尼力元來(lái)模擬，并考慮了減振器和橫向止擋的非線性特性。

圖3 實(shí)測(cè)車輪型面

圖4 A型地鐵車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

表1 車輛部分參數(shù)

本文在建立動(dòng)力學(xué)模型時(shí)還做了以下考慮：①將車輛各個(gè)結(jié)構(gòu)部件均視為理想剛體；②忽略鋼軌的彈性變形；③摩擦系數(shù)按照文獻(xiàn)[8]中的相關(guān)說(shuō)明進(jìn)行設(shè)置，低軌摩擦系數(shù)設(shè)為0.45，高軌考慮軌側(cè)潤(rùn)滑，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研確定其潤(rùn)滑區(qū)域約在鋼軌橫向位置15～36.5 mm范圍內(nèi)，故將鋼軌踏面（鋼軌橫向位置?36.5～ 15 mm范圍內(nèi)）的摩擦系數(shù)設(shè)為0.45，軌側(cè)（鋼軌橫向位置25～36.5 mm范圍內(nèi)）的摩擦系數(shù)設(shè)為0.30，兩者之間（鋼軌橫向位置15～25 mm范圍內(nèi)）為潤(rùn)滑過(guò)渡區(qū)，摩擦系數(shù)在該區(qū)域內(nèi)線性變化；④采用地鐵公司提供的該曲線實(shí)測(cè)軌道不平順作為激勵(lì)；⑤法向和切向接觸求解分別采用Hertz接觸算法和Kalker簡(jiǎn)化理論FASTSIM算法；⑥考慮輪軌兩點(diǎn)接觸情況；⑦仿真時(shí)車輛考慮為AW3重車狀態(tài)。

2.2 損傷函數(shù)

損傷函數(shù)[9]是一個(gè)常用來(lái)預(yù)測(cè)鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞的模型，它不僅能綜合考慮縱向、橫向蠕滑力/率對(duì)鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響，同時(shí)還能考慮疲勞和磨耗之間相互影響、相互制約的關(guān)系[10]，進(jìn)而定量判斷鋼軌損傷是以疲勞為主還是磨耗為主。該模型用到的磨耗數(shù)定義為：

由于不同的鐵路系統(tǒng)之間存在較大的差異，因此在將損傷函數(shù)應(yīng)用于不同的鐵路系統(tǒng)時(shí)需要重新校準(zhǔn)[11]。損傷函數(shù)的原始參數(shù)已經(jīng)對(duì)照英國(guó)某鐵路上BS11（R220）鋼軌的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證[9]，本文研究的鋼軌為U75V，其損傷函數(shù)參數(shù)的取值在BS11（R220）鋼軌參數(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)以下方法外推獲得[12-14]：

（1）剪切屈服強(qiáng)度更高的鋼軌具有更強(qiáng)的抗疲勞性能，故在此假設(shè)裂紋起始值（鋼軌開(kāi)始產(chǎn)生裂紋時(shí)所對(duì)應(yīng)的磨耗數(shù)）與剪切屈服強(qiáng)度線性相關(guān)。BS11（R220）鋼軌的剪切屈服強(qiáng)度為227 MPa，裂紋起始值為15 N；U75V鋼軌的剪切屈服強(qiáng)度為327 MPa[15]，則其裂紋起始值取21.6 N。

袁安自是想著七試的最后一試，機(jī)關(guān)之術(shù)，宇晴卻說(shuō)：“今年的萬(wàn)花七試，第七機(jī)關(guān)之試安排在第二天，出來(lái)考試你們的師父，也由工圣僧一行老和尚，換成了客卿司徒一一，你們喝完茶，就回去準(zhǔn)備明天的最后一試吧！”

（2）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和試驗(yàn)測(cè)試表明，鋼軌的耐磨系數(shù)和硬度之間近似為線性關(guān)系。BS11（R220）鋼軌的硬度為220～260 HB（平均硬度240 HB），磨耗起始值（鋼軌開(kāi)始產(chǎn)生磨耗時(shí)所對(duì)應(yīng)的磨耗數(shù)）為65 N；U75V鋼軌的硬度為280～320 HB（平均硬度300 HB）[15]，則其磨耗起始值取81.25 N。

（3）假設(shè)兩種鋼軌的裂紋生長(zhǎng)速率和磨耗速率相同。

U75V鋼軌的損傷函數(shù)參數(shù)如表2所示，損傷函數(shù)曲線如圖5所示。

表2 U75V鋼軌損傷函數(shù)參數(shù)

由圖5可知，損傷函數(shù)由以下4個(gè)不同的區(qū)域組成[12]：

（1）區(qū)域1（＜21.6 N）：磨耗數(shù)低于疲勞門檻值，不會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷。

（2）區(qū)域2（21.6 N＜＜81.25 N）：疲勞損傷隨磨耗數(shù)呈線性增長(zhǎng)，直到一個(gè)疲勞損傷峰值。

（3）區(qū)域3（81.25 N＜＜212.48 N）：磨耗數(shù)高于磨耗門檻值，磨耗開(kāi)始增加，疲勞損傷隨磨耗數(shù)的增加而逐漸下降，直至疲勞損傷達(dá)到零。

（4）區(qū)域4（＞212.48 N）：隨著磨耗數(shù)的進(jìn)一步增加，損傷值變?yōu)樨?fù)值，磨耗占主導(dǎo)，由于磨耗較大，先前的疲勞損傷材料被消除。

圖5 U75V鋼軌損傷函數(shù)曲線

損傷函數(shù)模型為了將輪軌表面存在液體時(shí)會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展[16-17]這一效應(yīng)考慮在內(nèi)，規(guī)定僅在鋼軌縱向蠕滑力方向與列車運(yùn)行方向相反時(shí)才進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算。而文獻(xiàn)[18-19]指出，在該假設(shè)條件下使用損傷函數(shù)模型計(jì)算疲勞損傷時(shí)，對(duì)曲線高軌的疲勞損傷問(wèn)題普遍具有較好的驗(yàn)證效果，但對(duì)低軌的疲勞損傷問(wèn)題往往驗(yàn)證效果較差，其仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際之間會(huì)有較大偏差。因此，為了提高模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[18-19]建議在使用損傷函數(shù)模型研究曲線低軌的滾動(dòng)接觸疲勞問(wèn)題時(shí)忽略“鋼軌縱向蠕滑力方向與列車運(yùn)行方向相反時(shí)才計(jì)算疲勞損傷”這一假設(shè)條件，直接將未作任何處理的原始磨耗數(shù)輸入到損傷函數(shù)模型中進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算。由于本文的研究對(duì)象為發(fā)生滾動(dòng)接觸疲勞的曲線低軌，因此便就采用這一方法。

仿真分析時(shí)，首先，在每一個(gè)時(shí)間步下，根據(jù)損傷函數(shù)曲線以及磨耗數(shù)計(jì)算出接觸斑上的損傷值D（D為接觸斑上的損傷值，＝1,2,3,…），再利用以下公式計(jì)算出半橢圓的高度：

式中：h為半橢圓的高度，mm；b為接觸斑的短半軸長(zhǎng)，mm。

計(jì)算出h后，將接觸斑的寬度以0.2 mm進(jìn)行離散，然后將損傷按照半橢圓分布的方式分布到2b上（圖6），最后通過(guò)將每一個(gè)時(shí)間步下的疲勞和磨耗相加便就得到鋼軌表面的總損傷。

圖6 接觸斑上的損傷分布

3 線路參數(shù)對(duì)低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響分析

對(duì)該小半徑曲線上出現(xiàn)疲勞損傷的低軌進(jìn)行分析，曲線參數(shù)見(jiàn)表3。仿真計(jì)算時(shí)將通過(guò)測(cè)試獲得的所有磨耗車輪型面（2064個(gè)）與該小半徑曲線的實(shí)測(cè)鋼軌型面依次進(jìn)行匹配，以模擬所有列車通過(guò)該小半徑曲線的情況，在此基礎(chǔ)上分析曲線超高、摩擦系數(shù)與軌底坡這三個(gè)線路參數(shù)對(duì)低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響。需要說(shuō)明的是，在研究某一具體參數(shù)對(duì)低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響時(shí)，僅對(duì)該參數(shù)進(jìn)行變化，其余參數(shù)保持不變（均采用實(shí)際測(cè)量值）。特別是在研究摩擦系數(shù)與軌底坡對(duì)低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響時(shí)，僅改變低軌的摩擦系數(shù)與軌底坡，高軌的摩擦系數(shù)和軌底坡保持不變。另外，由于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)低軌滾動(dòng)接觸疲勞主要出現(xiàn)在圓曲線上，故本文僅對(duì)圓曲線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，列車在圓曲線上保持勻速運(yùn)行。

表3 曲線參數(shù)

3.1 曲線超高

圖7為不同曲線超高下低軌疲勞損傷在其橫截面上的分布（表示曲線超高，對(duì)于低軌而言，其軌距角位于橫坐標(biāo)-30 mm附近）。通過(guò)圖7可以看出：不同曲線超高下低軌發(fā)生疲勞損傷的位置基本不變，維持在鋼軌橫向位置-25～13 mm范圍內(nèi)，即曲線超高的變化不會(huì)使得低軌的疲勞損傷區(qū)域發(fā)生變化；而低軌疲勞損傷值受曲線超高的影響較大，隨著曲線超高的增大，低軌疲勞損傷值逐漸減小。

圖7 曲線超高對(duì)低軌滾動(dòng)接觸疲勞的影響

為了進(jìn)一步分析低軌疲勞損傷隨曲線超高增大而降低的原因，圖8給出了不同曲線超高下低軌的平均磨耗數(shù)。由圖8可知，隨著曲線超高的增大，低軌的平均磨耗數(shù)也在增大，而由于不同曲線超高下低軌的平均磨耗數(shù)基本都處于損傷函數(shù)的區(qū)域3，在此區(qū)域內(nèi)疲勞損傷會(huì)隨著磨耗數(shù)的增大而不斷降低，所以當(dāng)曲線超高增大時(shí)，低軌的疲勞損傷會(huì)減小。

3.2 摩擦系數(shù)

圖9為低軌不同摩擦系數(shù)下其疲勞損傷在鋼軌橫截面上的分布（圖中μ表示低軌的摩擦系數(shù)）。通過(guò)圖9可以看出：低軌不同摩擦系數(shù)下其會(huì)發(fā)生疲勞損傷的位置基本不變，維持在鋼軌橫向位置-25～13 mm范圍內(nèi)，即低軌摩擦系數(shù)的變化不會(huì)使得低軌的疲勞損傷區(qū)域發(fā)生變化；而低軌疲勞損傷值受摩擦系數(shù)的影響較大，隨著摩擦系數(shù)的增大，低軌疲勞損傷值逐漸減小。

為了進(jìn)一步分析低軌疲勞損傷隨其摩擦系數(shù)增大而降低的原因，圖10給出了低軌不同摩擦系數(shù)下的平均磨耗數(shù)。

由圖10可知，隨著低軌摩擦系數(shù)的增大，其平均磨耗數(shù)也在增大，而由于低軌不同摩擦系數(shù)下的平均磨耗數(shù)基本都處于損傷函數(shù)的區(qū)域3，在此區(qū)域內(nèi)疲勞損傷會(huì)隨著磨耗數(shù)的增大而不斷降低，所以當(dāng)?shù)蛙壞Σ料禂?shù)增大時(shí)，其疲勞損傷會(huì)減小，這與3.1節(jié)曲線超高對(duì)低軌疲勞損傷的影響規(guī)律相似。

3.3 軌底坡

圖11為低軌不同軌底坡下其疲勞損傷在鋼軌橫截面上的分布（圖中表示低軌的軌底坡），圖12為低軌不同軌底坡下的疲勞損傷峰值。

圖11 低軌軌底坡對(duì)其疲勞損傷的影響

圖12 低軌不同軌底坡下的疲勞損傷峰值

通過(guò)圖11、圖12可以看出，低軌軌底坡的變化可以顯著影響低軌的疲勞損傷區(qū)域和疲勞損傷值。當(dāng)?shù)蛙壾壍灼螺^大時(shí)，低軌發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域位于軌頂偏向外側(cè)處（如低軌1/20軌底坡下其疲勞損傷區(qū)域中心在鋼軌橫向位置9 mm附近），且疲勞損傷峰值較大；而隨著低軌軌底坡的減小，低軌發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域逐漸從軌頂偏向外側(cè)處移至靠近軌距角處（如低軌1/110軌底坡下其疲勞損傷區(qū)域中心在鋼軌橫向位置-12 mm附近），同時(shí)疲勞損傷峰值會(huì)先減?。ㄔ诘蛙壾壍灼聻?/70時(shí)達(dá)到最小）隨后而又增大。圖13給出了低軌不同軌底坡下的平均磨耗數(shù)計(jì)算結(jié)果?？傮w來(lái)看，當(dāng)?shù)蛙壾壍灼螺^大時(shí)，其平均磨耗數(shù)相對(duì)也較大；當(dāng)?shù)蛙壾壍灼螺^小時(shí)，其平均磨耗數(shù)相對(duì)也較小。

圖13 低軌不同軌底坡下的平均磨耗數(shù)

由于低軌不同軌底坡下的平均磨耗數(shù)基本都處于損傷函數(shù)的區(qū)域3，為了降低疲勞損傷，應(yīng)增大磨耗數(shù)，即低軌軌底坡應(yīng)適當(dāng)取大一些。但結(jié)合圖11、圖12來(lái)看，雖然低軌軌底坡較大時(shí)其平均磨耗數(shù)也較大，表明鋼軌的平均疲勞損傷水平相對(duì)較低，但由于其疲勞損傷峰值很大，極易導(dǎo)致鋼軌在某一位置形成嚴(yán)重的滾動(dòng)接觸疲勞損傷，因此為了降低該小半徑曲線低軌的疲勞損傷不能僅僅根據(jù)磨耗數(shù)這一個(gè)參數(shù)來(lái)對(duì)低軌軌底坡進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合圖11～13總體來(lái)看，當(dāng)?shù)蛙壾壍灼聻?/70時(shí)，低軌的疲勞損傷峰值最小，疲勞損傷區(qū)域在軌頂中心附近，疲勞損傷分布比較均勻，平均磨耗數(shù)也相對(duì)較大，是一個(gè)比較合適的軌底坡取值。

4 結(jié)論

（1）曲線超高對(duì)低軌的疲勞損傷值有顯著影響，當(dāng)增大曲線超高時(shí)，低軌的疲勞損傷值會(huì)降低，但低軌會(huì)發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域基本保持不變。

（2）低軌摩擦系數(shù)對(duì)低軌的疲勞損傷值有顯著影響，當(dāng)增大低軌摩擦系數(shù)時(shí)，低軌的疲勞損傷值會(huì)降低，但低軌會(huì)發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域基本保持不變。

（3）低軌軌底坡對(duì)低軌會(huì)發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域以及疲勞損傷值均有顯著影響，隨著低軌軌底坡的不斷減小，低軌發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域?qū)能夗斊蛲鈧?cè)處逐漸移至靠近軌距角處，同時(shí)疲勞損傷峰值會(huì)先減小隨后而又增大。

（4）在保證列車運(yùn)行穩(wěn)定、安全的前提下，適當(dāng)增大曲線超高與低軌摩擦系數(shù)，并將低軌軌底坡調(diào)為1/70，可減緩該小半徑曲線低軌滾動(dòng)接觸疲勞的形成和發(fā)展。

[1]趙鑫，溫澤峰，王衡禹，等. 中國(guó)軌道交通輪軌滾動(dòng)接觸疲勞研究進(jìn)展[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2021，21（1）：1-35.

[2]MUSTERH，SCHMEDDERS H，WICK K，et al. Rail rolling contact fatigue. The performance of naturally hard and head-hardened rails in track[J]. Wear，1996，191（1）：54-64.

[3]FR?HLING R，SPANGENBERG U，HETTASCH G. Wheel/rail contact geometry assessment to limit rolling contact fatigue initiation at high axle loads[J]. Vehicle System Dynamics，2012，50（Suppl.）：319-334.

[4]胡羽生，孟煒，魯連濤，等. 預(yù)滾壓對(duì)含缺陷輪軌材料滾動(dòng)接觸疲勞性能的影響[J]. 潤(rùn)滑與密封，2019，44（10）：49-56.

[5]王紅兵，丁旺才，宋楊法，等. 輪徑差對(duì)車輪踏面磨耗和滾動(dòng)接觸疲勞的影響分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021，18（5）：1277-1288.

[6]李星，吳少培，王相平，等. 小半徑曲線鋼軌側(cè)磨減緩措施及其對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞影響研究[J/OL]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2022，1-13[2022-03-09]. https：//kns. cnki. net/kcms/detail/43. 1423. U. 20211229. 1018. 007. html. DOI：10. 19713/j. cnki. 43-1423/u. T20210598.

[7]劉云濤，段志東. 軌底坡對(duì)重載鐵路鋼軌疲勞裂紋萌生壽命的影響[J/OL]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2022，1-10[2022-03-09]. https：//kns. cnki. net/kcms/detail/43. 1423. U. 20220119. 1437. 003. html. DOI：10. 19713/j. cnki. 43-1423/u. T20210561.

[8]FR?HLING R，KOKER J DE，AMADE M. Rail lubrication and its impact on the wheel/rail system[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F: Journal of Rail and Rapid Transit，2009，223（2）：173-180.

[9]BURSTOW M C. Whole life rail model application and development for RSSB，continued development of an RCF damage parameter[R]. London：Rail Standards and Safety Board，2004：35-38.

[10]梁喜仁，陶功權(quán)，陸文教，等. 地鐵鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，55（2）：147-155.

[11]TUNNA J，SINCLAIR J，PEREZ J. A review of wheel wear and rolling contact fatigue[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F: Journal of Rail and Rapid Transit，2007，221（2）：271-289.

[12]陶功權(quán). KKD客車車輪踏面剝離成因初探[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2013.

[13]王玉光，盧純，趙鑫，等. 高速動(dòng)車組車輪滾動(dòng)接觸疲勞觀測(cè)與模擬研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2018，54（4）：150-157.

[14]盧純. 高速動(dòng)車組車輪踏面滾動(dòng)接觸疲勞的萌生機(jī)理研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2015.

[15]全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 鐵路用熱軋鋼軌：GB/T 2585-2021[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2021.

[16]BOWER A F. The influence of crack face friction and trapped fluid on surface initiated rolling contact fatigue cracks[J]. Journal of Tribology，1988，110（4）：704-711.

[17]FLETCHER D I，HYDE P，KAPOOR A. Modelling and full-scale trials to investigate fluid pressurisation of rolling contact fatigue cracks[J]. Wear，2008，265（9）：1317-1324.

[18]BOYACIOGLU P，BEVAN A. Prediction of rail damage using a combination of Shakedown Map and wheel-rail contact energy[J]. Wear，2020（460/461）：203457.

[19]VICKERSTAFF A，BEVAN A，BOYACIOGLU P. Predictive wheel-rail management in London Underground: Validation and verification[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit，2020，234（4）：393-404.

Analysis of the Influence of Line Parameters on Rolling Contact Fatigue in Low Rail on Small Radius Curve of Metro Line

ZHI Lekun

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Aiming at the rolling contact fatigue (RCF) in low rail on small radius curve of a domestic metro line, the metro vehicle system dynamics model and the damage function model are established to analyze the influence of three line parameters of curve superelevation, friction coefficient and rail cant on the RCF in low rail, and the corresponding mitigation measures are put forward. The research results show that increasing the curve superelevation and the friction coefficient of low rail will reduce the RCF damage value of low rail, but the area where the RCF occurs in low rail remains basically unchanged. With the continuous reduction of the low rail cant, the area where the RCF occurs in low rail will gradually move from the outside of the rail top to near the gauge angle, and the peak value of RCF damage will first decrease and then increase. Increasing the curve superelevation and the friction coefficient of low rail to an appropriate extent and adjusting the low rail cant to 1/70 can slower down the formation and development of the RCF in low rail on small radius curve.

metro；rail rolling contact fatigue；wheel-rail creep；damage function；line parameters

U216.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.08.007

1006-0316 (2022) 08-0039-08

2022-03-14

廣西省科技計(jì)劃項(xiàng)目（AD20297125）

智樂(lè)昆（1997－），男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殇撥墲L動(dòng)接觸疲勞，E-mail：lkzhi_swjtu@163.com。