重載貨車側(cè)向通過固定轍叉的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

劉曉東，張 軍，馬 賀，封全保

(1.北京建筑大學(xué) 城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.清華大學(xué) 天津高端裝備研究院，天津 300300)

重載鐵路具有大軸重、大運(yùn)量、高密度的特點(diǎn)，對(duì)線路的養(yǎng)護(hù)維修提出了很高的要求[1-3]。道岔作為鐵路線路的薄弱環(huán)節(jié)之一，對(duì)列車的安全性能影響尤為突出。道岔包括轉(zhuǎn)轍器、連接部分、轍叉及護(hù)軌3部分，其中轍叉存在咽喉區(qū)和有害空間，限制了列車的行車速度，且給行車安全帶來較大的隱患。我國(guó)重載線路上大量使用固定轍叉，因此，研究重載貨車通過固定轍叉的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)尤為重要。

已有文獻(xiàn)主要是基于標(biāo)準(zhǔn)型面進(jìn)行研究，而針對(duì)不同磨耗程度貨車車輪的過叉性能相關(guān)研究甚少。本文針對(duì)大秦重載鐵路高錳鋼固定轍叉磨耗嚴(yán)重問題，在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上，建立車輪在不同磨耗程度下重載貨車通過固定轍叉時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型，探究其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及輪叉型面匹配規(guī)律。

1 貨車道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

運(yùn)用輪軌型面測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)量C80型貨車車輪不同磨耗程度數(shù)據(jù)，并選取具有代表性的車輪磨耗型面，繪制車輪踏面擬合曲線，如圖1所示。不同磨耗程度車輪的名義滾動(dòng)圓半徑見表1。

圖1 不同磨耗程度車輪踏面擬合曲線(單位：mm)

C80型貨車車輪型面名義滾動(dòng)圓半徑/mm標(biāo)準(zhǔn)型420.00磨耗Ⅰ型418.68磨耗Ⅱ型417.38磨耗Ⅲ型416.14磨耗Ⅳ型414.24

為了分析不同磨耗程度貨車車輪踏面的磨耗情況，選取標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面中部與遠(yuǎn)離輪緣側(cè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(參見圖1)，其他磨耗車輪也取對(duì)應(yīng)位置，測(cè)得不同磨耗程度車輪踏面2點(diǎn)位置高度差，見表2。

表2 不同磨耗程度車輪踏面2點(diǎn)位置高度差

結(jié)合圖1和表1、表2進(jìn)行分析可知，磨耗Ⅰ型與磨耗Ⅱ型為車輪的磨耗初期，其踏面中部以及輪緣內(nèi)側(cè)磨耗較多，但踏面中部與遠(yuǎn)離輪緣側(cè)的高度差較標(biāo)準(zhǔn)車輪均較小。磨耗Ⅲ型與磨耗Ⅳ型為車輪的磨耗中后期，其中磨耗Ⅲ型車輪踏面中部磨耗量較小，而遠(yuǎn)離輪緣側(cè)磨耗量較大，踏面中部與遠(yuǎn)離輪緣側(cè)的高度差減小為1.55 mm，名義滾動(dòng)圓半徑較標(biāo)準(zhǔn)型減小了3.86 mm；磨耗Ⅳ型車輪除輪緣內(nèi)側(cè)磨耗不明顯外，整個(gè)踏面磨耗量均較大，踏面中部與遠(yuǎn)離輪緣側(cè)的高度差降為1.21 mm。

建立75 kg/m鋼軌12號(hào)高錳鋼固定轍叉的模型時(shí)，選取轍叉長(zhǎng)度方向上若干關(guān)鍵截面，關(guān)鍵截面位置見表3。根據(jù)線性插值法得到轍叉的變截面形狀參數(shù)，從而擬合出轍叉區(qū)模型。

表3 轍叉區(qū)關(guān)鍵截面

采用C80型貨車參數(shù)建立動(dòng)力學(xué)模型[14]。該整車模型包括1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)，輪對(duì)與構(gòu)架間通過一系懸掛連接，構(gòu)架與車體間通過二系懸掛連接。對(duì)于車體、構(gòu)架和輪對(duì)，均考慮橫移、伸縮、浮沉、點(diǎn)頭、搖頭和側(cè)滾6個(gè)自由度。大秦鐵路貨車側(cè)向通過75 kg/m 鋼軌12號(hào)固定轍叉時(shí)最大容許速度為50 km/h[7]，本文探究在該速度條件下運(yùn)行時(shí)，不同磨耗程度貨車車輪通過標(biāo)準(zhǔn)轍叉的動(dòng)力學(xué)性能與輪叉匹配規(guī)律。

2 計(jì)算結(jié)果分析

影響列車行車安全以及評(píng)判車輪對(duì)轍叉?zhèn)麚p是否嚴(yán)重的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要有車輪滾動(dòng)圓半徑、輪軌垂向力、輪軌橫縱向蠕滑力、車輛過叉平順性等。

2.1 車輪滾動(dòng)圓半徑

圖2為不同磨耗程度貨車車輪通過固定轍叉時(shí)車輪滾動(dòng)圓半徑的變化趨勢(shì)。轍叉區(qū)的理論尖端為圖中橫坐標(biāo)為0位置處，-0.733 4～-0.373 6 m 為轍叉咽喉區(qū)，-0.373 6～0 m 為轍叉有害空間。由圖2分析得出，列車逆向進(jìn)岔時(shí)，車輪由翼軌向心軌過渡，翼軌上的接觸位置不斷向其內(nèi)側(cè)移動(dòng)，車輪的接觸位置不斷外移，車輪滾動(dòng)圓半徑逐漸減小，且由于不同磨耗程度的車輪踏面的高度差存在一定差異，導(dǎo)致滾動(dòng)圓半徑的變化趨勢(shì)不同；當(dāng)車輪完全過渡到心軌后，滾動(dòng)圓半徑趨于穩(wěn)定。

圖2 車輪滾動(dòng)圓半徑變化

標(biāo)準(zhǔn)車輪與不同磨耗程度車輪通過固定轍叉時(shí)，車輪滾動(dòng)圓半徑的突變位置與突變值見表4?？芍?，標(biāo)準(zhǔn)車輪通過轍叉時(shí)，車輪滾動(dòng)圓半徑突變值最大，為6.486 mm；磨耗初期車輪通過轍叉時(shí)，車輪滾動(dòng)圓半徑突變值在4.327～5.159 mm，較標(biāo)準(zhǔn)車輪突變值略有降低；磨耗中后期車輪通過轍叉時(shí)，其突變值在2.500～3.692 mm，較標(biāo)準(zhǔn)車輪突變值降低了近50%。

滾動(dòng)圓半徑發(fā)生突變時(shí)，車輪與轍叉間產(chǎn)生2點(diǎn)接觸，即車輪踏面外側(cè)與翼軌接觸，靠近輪緣側(cè)與心軌接觸，2個(gè)接觸點(diǎn)的滾動(dòng)圓半徑不同將導(dǎo)致車輪在滾動(dòng)的同時(shí)發(fā)生滑動(dòng)摩擦，使得過渡區(qū)域轍叉的翼軌和心軌出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。

表4 車輪滾動(dòng)圓半徑突變位置與突變值

2.2 輪軌橫向與縱向蠕滑力

圖3為不同磨耗程度的貨車車輪通過固定轍叉時(shí)輪軌橫向和縱向蠕滑力分布情況?？芍瑱M向蠕滑力的波動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于縱向蠕滑力的波動(dòng)幅度，主要是因?yàn)檐囕喌纳咝羞\(yùn)動(dòng)使車輪踏面與軌面的接觸位置在橫向上不斷變化。車輪在由翼軌向心軌過渡時(shí)，橫向蠕滑力發(fā)生突變，完全過渡到心軌上之后，橫向蠕滑力和縱向蠕滑力逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

不同磨耗程度的車輪通過固定轍叉時(shí)，蠕滑力的分布存在一定的差異。標(biāo)準(zhǔn)車輪通過轍叉時(shí)蠕滑力分布見圖3(a)。在轍叉咽喉區(qū)蠕滑力變化均不明顯;在轍叉有害空間縱向蠕滑力變化幅度增大，橫向蠕滑力無明顯改變；最大橫向蠕滑力為-69.30 kN，發(fā)生在車輪由翼軌向心軌過渡時(shí)。

磨耗初期車輪通過轍叉時(shí)蠕滑力分布見圖3(b)、圖3(c)，在轍叉咽喉區(qū)、有害空間等處，其橫向蠕滑力均較穩(wěn)定，而縱向蠕滑力在轍叉咽喉區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較大突變；最大橫向蠕滑力高達(dá)-140 kN，約為標(biāo)準(zhǔn)車輪對(duì)應(yīng)值的2.0倍。

隨著磨耗程度的增加，磨耗中后期車輪通過轍叉時(shí)其橫向與縱向蠕滑力的分布見圖3(d)與圖3(e)，從圖中可清晰看出，車輪在通過轍叉咽喉區(qū)與有害空間時(shí)蠕滑力分布較均勻;最大橫向蠕滑力分別為-48.68，59.79 kN，均小于標(biāo)準(zhǔn)車輪的對(duì)應(yīng)絕對(duì)值；當(dāng)車輪過渡到心軌后，與標(biāo)準(zhǔn)和磨耗初期車輪相比，蠕滑力可較快地恢復(fù)穩(wěn)定。

圖3 輪軌橫向、縱向蠕滑力分布

圖4 輪軌垂向力分布

通過以上分析可知，磨耗初期車輪通過轍叉咽喉區(qū)時(shí)出現(xiàn)較大的縱向蠕滑力，向心軌過渡時(shí)出現(xiàn)較大的橫向蠕滑力；磨耗中后期車輪通過轍叉時(shí)在轍叉咽喉區(qū)和有害空間區(qū)域均未出現(xiàn)過大的橫向、縱向蠕滑力，且車輪向心軌過渡時(shí)最大橫向蠕滑力較小。

2.3 輪軌垂向力

圖4為不同磨耗程度貨車車輪通過固定轍叉時(shí)輪軌垂向力分布情況?？芍?，輪軌垂向力變化趨勢(shì)大致相同。車輪通過轍叉咽喉區(qū)及有害區(qū)間時(shí)，垂向力有上下波動(dòng)的趨勢(shì)；當(dāng)行駛至距理論尖端0.5 m位置附近，垂向力發(fā)生突變，此突變位置為車輪由翼軌向心軌過渡位置，與滾動(dòng)圓半徑突變位置基本相符；當(dāng)車輪過渡到心軌上以后，垂向力逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。

不同磨耗程度的車輪通過固定轍叉時(shí)，輪軌垂向力的分布存在一定的差異。標(biāo)準(zhǔn)車輪通過轍叉時(shí)輪軌垂向力見圖4(a)，自有害空間開始垂向力的變化幅度增大；在向心軌過渡時(shí)產(chǎn)生最大垂向力。磨耗初期車輪通過轍叉時(shí)輪軌垂向力見圖4(b)與圖4(c)，其輪軌間的最大垂向力與標(biāo)準(zhǔn)車輪相比均較大，約為800 kN。磨耗中后期車輪通過轍叉時(shí)輪軌垂向力見圖4(d)與圖4(e)，在轍叉咽喉區(qū)未出現(xiàn)較大垂向力；與磨耗初期車輪相比較，最大垂向力均在400 kN左右，縮減為標(biāo)準(zhǔn)車輪對(duì)應(yīng)值的1/2。

綜上分析可知，車輛行駛至轍叉咽喉區(qū)時(shí)，輪叉間的作用關(guān)系復(fù)雜，垂向力變化加??；當(dāng)行駛至翼軌與心軌過渡區(qū)時(shí)，垂向力發(fā)生突變，對(duì)轍叉產(chǎn)生較大的沖擊，轍叉因受到過大沖擊力的作用而產(chǎn)生剝離、掉塊等傷損現(xiàn)象，嚴(yán)重影響列車的安全性能以及轍叉的使用壽命。標(biāo)準(zhǔn)車輪與磨耗初期車輪并未較好地改善輪軌之間的作用關(guān)系，而隨著磨耗程度的增加，磨耗中后期車輪有利于降低輪叉間垂向力，減小車輪對(duì)轍叉心軌的沖擊。

2.4 過叉平順性

車輛通過固定轍叉時(shí)的一個(gè)主要?jiǎng)恿W(xué)性能指標(biāo)為過叉的平順性。圖5為不同磨耗程度貨車車輪在通過轍叉時(shí)輪對(duì)軸心垂向坐標(biāo)值的變化趨勢(shì)，此變化趨勢(shì)可直接反應(yīng)車輛過叉時(shí)的平順性能。可以看出，車輪通過轍叉時(shí)，在距離理論尖端約0.5 m處出現(xiàn)跳動(dòng)，平順性下降，此位置為車輪由翼軌向心軌過渡區(qū)域，其原因在于車輪在向心軌過渡的瞬間接觸位置發(fā)生突變時(shí)，由于車輪踏面錐度的存在，其垂向上存在一定的高度差。

圖5 車輪過叉平順性

不同磨耗程度的車輪通過轍叉時(shí)平順性存在一定差異，主要是由于車輪的磨耗改變了踏面的原始形狀。磨耗初期的車輪雖然踏面的形狀有所改變，但并沒有改善車輪通過轍叉的平順性，如圖5中磨耗Ⅰ型與磨耗Ⅱ型均為磨耗初期階段車輪通過轍叉時(shí)的平順性曲線，其中在車輪由翼軌向心軌過渡時(shí)，垂向位移達(dá)3 mm；隨著磨耗程度在一定范圍內(nèi)增加，磨耗中后期車輪通過轍叉時(shí)垂向位移在1 mm范圍內(nèi)，平順性得到較大的改善。

結(jié)合圖4分析可知，車輪通過轍叉的平順性會(huì)影響轍叉的使用情況，同時(shí)輪叉間垂向力的波動(dòng)與突變也會(huì)導(dǎo)致平順性下降。磨耗前期的車輪通過轍叉時(shí)，垂向力的突變值和軸心的垂向位移均較大，這將導(dǎo)致轍叉磨損嚴(yán)重；而磨耗中后期車輪通過轍叉時(shí)，垂向力的突變值較小，軸心的垂向位移變化范圍只有1 mm，由此可推測(cè)車輪的磨耗后期對(duì)轍叉的磨損較小。

3 結(jié)論與建議

本文通過建立C80型貨車與道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)固定轍叉磨耗問題進(jìn)行探究，比較不同磨耗程度的貨車車輪通過固定轍叉時(shí)的車輪滾動(dòng)圓半徑、輪軌垂向力、輪軌橫向和縱向蠕滑力以及過叉平順性，得出以下結(jié)論：

1)標(biāo)準(zhǔn)車輪與磨耗初期車輪過叉時(shí)，在由翼軌向心軌過渡瞬間，滾動(dòng)圓半徑發(fā)生突變，突變值在4.3～6.5 mm，磨耗中后期車輪滾動(dòng)圓半徑突變值減小近50%，由此可推斷磨耗中后期車輪通過標(biāo)準(zhǔn)轍叉有利于改善輪軌之間的作用關(guān)系。

2)垂向力的突變與軸心的垂向位移有關(guān)。由于標(biāo)準(zhǔn)與磨耗初期車輪過叉時(shí)，軸心垂向位移較大，導(dǎo)致輪叉間產(chǎn)生較大的垂向力，對(duì)轍叉造成嚴(yán)重的磨耗；而經(jīng)過磨耗后，磨耗中后期車輪過叉時(shí)，垂向位移較小，減小了對(duì)轍叉產(chǎn)生的沖擊。

3)磨耗中后期車輪通過轍叉時(shí)，其滾動(dòng)圓半徑突變值較小，輪軌垂向力與輪軌橫向、縱向蠕滑力較小，通過轍叉的平順性較好，所以此磨耗程度車輪型面與標(biāo)準(zhǔn)固定型轍叉的匹配性能較為理想，可延長(zhǎng)轍叉的使用壽命。

本文只是針對(duì)不同磨耗程度車輪通過標(biāo)準(zhǔn)轍叉時(shí)進(jìn)行分析，隨著研究的深入，下一步將針對(duì)不同磨耗程度車輪通過磨耗后轍叉進(jìn)行計(jì)算分析。