鋼軌軌底坡對重載鐵路輪軌關(guān)系影響的研究

司道林，王繼軍，孟 宏

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.南車二七車輛有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部，北京 100072)

0 引言

由于車輪踏面與鋼軌頂面主要接觸區(qū)域具有一定錐度，為使鋼軌軸心受力，減小附加橫向彎矩，鋼軌應(yīng)有一個向內(nèi)的傾斜度，此即形成軌底坡。鋼軌軌底坡的合理設(shè)置，可使輪軌接觸集中于軌頂中部，提高鋼軌的橫向穩(wěn)定能力，減輕軌頭不均勻磨耗，同時也有利于減小軌頭塑性變形，延長使用壽命。

世界各國鋼軌軌底坡的取值不盡相同，歐洲大部分國家、澳大利亞、東南亞、香港等國家和地區(qū)按 UIC標(biāo)準(zhǔn)采用1/20的軌底坡，這是因為他們的車輪大多采用了1/20的錐型踏面或接近1/20的磨耗型踏面，日本、美國等國采用了1/40軌底坡，也有個別國家(瑞典)采用1/30軌底坡［1］，我國鐵路自1965年起，直線地段的軌底坡標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一由原來的1/20改為1/40，據(jù)文獻(xiàn)［1-2］介紹，主要是由于①當(dāng)時的軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)較低，采用鉤頭道釘扣壓鋼軌，經(jīng)過一段時期的運營后，鋼軌動態(tài)翻轉(zhuǎn)較普遍，使鋼軌內(nèi)扣道釘浮起，實際軌底坡變小，接近1/40;②車輪踏面經(jīng)過一定時間的磨耗后，原1/20踏面錐度接近1/40。分析其形成原因，文獻(xiàn)［1-2］作者均建議將軌底坡改回1/20;文獻(xiàn)［3-4］建議采用1/20軌底坡。曲線地段軌底坡的設(shè)置應(yīng)與超高對應(yīng)，不僅能改善車輛的曲線通過性能［5-7］，而且對減緩曲線區(qū)段外軌的側(cè)磨起到積極作用［8-9］。由此可見，軌底坡的取值不僅取決于輪軌型面，而且與線路條件密切相關(guān)，通過對實際運營效果的分析，得出合理軌底坡取值。

隨著我國重載鐵路的不斷發(fā)展，某些運煤干線采用了75 kg/m重型鋼軌，而且曲線地段鋼軌出現(xiàn)嚴(yán)重側(cè)磨，鑒于以上軌底坡調(diào)整對車輛運行狀況的改善，本文將著重分析75 kg/m鋼軌與LM踏面車輪匹配時，軌底坡的取值對輪軌接觸參數(shù)以及車輛曲線通過性能的影響。

1 重載貨車模型

本文采用多體動力學(xué)分析軟件SIMPACK，建立了我國重載貨車動力學(xué)模型，模型中合理考慮了楔塊的運動自由度，楔塊摩擦副產(chǎn)生的摩擦力取決于法向正壓力(如圖1(a)所示)，充分反應(yīng)楔塊主、副摩擦面的摩擦減振功能，以及抗菱形變形中所起的作用。三大件式貨車轉(zhuǎn)向架軸箱采用導(dǎo)框或橡膠墊定位，搖枕和側(cè)架之間采用螺旋簧連接(如圖1(b)所示)，從而減小二系橫向剛度，車體與搖枕之間采用彈性雙作用常接觸旁承，提高車輛的回轉(zhuǎn)摩擦力矩和車體的抗側(cè)滾能力，每節(jié)貨車均由車體和兩臺結(jié)構(gòu)性能參數(shù)相同的二軸轉(zhuǎn)向架組成(表1中給出了各剛體的自由度)。所建立模型已通過了試驗驗證［10］。

圖1 動力學(xué)模型

表1 模型自由度的選取

2 75 kg/m鋼軌斷面屬性

鋼軌是鐵路軌道的重要組成部件，承受車輪載荷并引導(dǎo)列車的車輪運行。鋼軌頭部是直接接觸車輪的部分，應(yīng)具有抵抗壓潰和耐磨的能力，故軌頭應(yīng)大而厚，其外形應(yīng)與車輪踏面相適應(yīng)。隨著重載鐵路的不斷發(fā)展，我國運煤干線鋪設(shè)了75 kg/m重型鋼軌，與60 kg/m軌相比，機械性能均有所提高(技術(shù)參數(shù)如表2所列［10］)。軌頂圓弧半徑由300 mm增為500 mm(詳細(xì)尺寸見文獻(xiàn)［11］)，有利于增大接觸面積，提高軌頂?shù)某休d能力，與此同時，鋼軌頂面錐度亦有所減小。

3 靜態(tài)接觸參數(shù)分析

鋼軌軌底坡的改變將直接影響輪軌接觸點的分布，繼而改變接觸角差、輪徑差，并影響到輪對重力剛度［7］。圖2給出了1/40、1/20兩種軌底坡情況下，輪對橫移幅值為10 mm范圍內(nèi)輪軌接觸點分布情況，從中可以看出，1/40軌底坡下輪軌接觸點集中分布在鋼軌中軸線以內(nèi)，1/20軌底坡下的接觸點分布在鋼軌中軸線兩側(cè)，且更為均勻。

表2 鋼軌技術(shù)參數(shù)

圖2 接觸點分布

圖3描述了兩種軌底坡條件下輪徑差和接觸角差，從中可以看出，對輪徑差而言，輪對橫移量在0～4 mm內(nèi)，1/20軌底坡對應(yīng)的輪徑差和接觸角差大于1/40軌底坡，輪徑差尤為顯著，再由式(1)［12］中輪對重力剛度的表達(dá)式可知，由于軌底坡的增大，同一輪對橫移量下輪對重力剛度得以提高，不僅改善了輪對恢復(fù)對中能力，還能在一定程度上平衡曲線通過時的離心力，對減緩曲線上鋼軌磨耗起到積極作用［7］。在輪對橫移量接近10 mm時，曲線發(fā)生突變，出現(xiàn)輪緣接觸;不難發(fā)現(xiàn)，1/40軌底坡時的輪軌接觸較1/20軌底坡更易發(fā)生輪緣接觸。

圖3 接觸幾何參數(shù)

式中，Kgy為輪對重力剛度，W為輪重，y為輪對橫移量，δR、δL分別為右輪、左輪輪軌接觸角，φ為輪對側(cè)滾角。

4 動態(tài)響應(yīng)分析

軌底坡的取值影響到輪軌接觸點的位置，改變輪軌接觸參數(shù)，使得輪軌動態(tài)接觸行為發(fā)生變化，車輛的動力學(xué)響應(yīng)隨之發(fā)生改變。文獻(xiàn)［8-9］中作者從試驗的角度闡述了軌底坡對車輛曲線性能的影響，本文采用動態(tài)仿真的方法，以C70貨車時速55 km通過600 m曲線半徑(超高為60 mm)為例(車輛以勻速通過曲線)，對兩種軌底坡工況下的輪對橫移量、沖角、輪軌力等動力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，以此對重載鐵路鋼軌軌底坡取值對車輛曲線通過性能的影響進(jìn)行評價。為著重反映軌底坡的影響，未設(shè)置軌道不平順。

圖4給出了車輛通過曲線時導(dǎo)向輪的動力響應(yīng)。從圖4(a)可以看出，當(dāng)軌底坡由1/40改為1/20后，圓曲線上輪對橫移量由7.3 mm變?yōu)?.5 mm，據(jù)文獻(xiàn)［7］的結(jié)論，輪對橫移量的減小由輪對重力剛度增大所致，輪對沖角、輪軌橫向力的減小亦和輪對重力剛度的增大有關(guān)，并均有所減小，提高了輪對蠕滑導(dǎo)向的能力;可見，軌底坡的增大對減小曲線鋼軌的磨耗起到積極作用。與此同時，輪軌接觸斑面積有所增大(如圖4(d)所示)，降低了接觸應(yīng)力，減少了輪軌接觸疲勞損傷。

圖4 車輛動態(tài)響應(yīng)

5 結(jié)語

針對我國重載鐵路的具體特點，對鋼軌軌底坡的取值進(jìn)行探討。采用多體動力學(xué)軟件SIMPACK建立貨車模型，分析了75 kg/m—LM踏面接觸副的靜態(tài)接觸幾何關(guān)系以及動態(tài)曲線通過性能，得出結(jié)論如下:

1)當(dāng)75 kg/m與LM踏面匹配時，1/40軌底坡下輪軌接觸點集中分布在鋼軌中軸線以內(nèi)，較1/20軌底坡更易發(fā)生輪緣接觸，1/20軌底坡下的接觸點分布在鋼軌中軸線兩側(cè)，且更為均勻。

2)輪對橫移量在 ＜4 mm時，1/20軌底坡對應(yīng)的輪徑差和接觸角差＞1/40軌底坡，輪徑差尤為顯著，增大了輪對重力剛度，提高了輪對的對中能力。

3)采用1/20軌底坡可獲得良好的曲線通過性能，有利于減緩曲線鋼軌磨耗;并增大了輪軌接觸斑面積，提高了輪軌的承載能力，并有益于延長輪軌使用壽命。

綜合以上分析，建議我國重載鐵路采用1/20軌底坡，在改善輪軌接觸條件基礎(chǔ)上，不僅獲得良好的車輛動力學(xué)性能，并可取得一定的經(jīng)濟效益。

［1］曾向榮，李文英，高曉新.城市軌道交通工程鋼軌軌底坡取值的探討［J］.都市快軌交通，2006，19(6):57-60.

［2］戴光輝.關(guān)于直線地段軌底坡標(biāo)準(zhǔn)的探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，1989(2):7-10.

［3］趙鏡榮，恢復(fù) 1∶20軌底坡［J］.鐵道建筑，1990(3):27-29.

［4］李霞，溫澤峰，金學(xué)松.鋼軌軌底坡對 LM和 LMA兩種輪對接觸行為的影響［J］.機械工程學(xué)報，2008，44(3):64-69.

［5］邢良平.廣州地鐵一號線軌底坡調(diào)整［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2004(5):56-57.

［6］朱乃宏.對曲線內(nèi)股軌底坡調(diào)整的商榷［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，1985(10):26-28.

［7］魏稚侖，何大芳，張元棟.輪軌關(guān)系中軌底坡與曲線超高的新評價［J］.鐵道工程學(xué)報，1987(2):217-223.

［8］沈鋼，張定賢.軌底坡對曲線鋼軌側(cè)磨影響的研究［J］.鐵道學(xué)報，1994，16(3):95-99.

［9］杜慕珊，王午生，韓向東.用軌底坡調(diào)整輪軌接觸減緩曲線鋼軌側(cè)磨的研究和實踐［J］.上海鐵道學(xué)院學(xué)報，1992，13(3):17-28.

［10］司道林.重載鐵路曲線軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)及鋼軌型面對曲線通過性能影響的研究［D］.成都:西南交通大學(xué)碩士論文，2009.

［11］陳秀方.軌道工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［12］王福天.車輛系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.