重載線路12號固定轍叉型面優(yōu)化分析

王希云

(神華包神鐵路集團有限責任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

固定轍叉相較于可動心軌轍叉在整體性和穩(wěn)定性上都有明顯提升[1-2]，因此固定轍叉在世界各國的鐵路運輸中扮演了極為重要的角色。歐洲各國在多年運營實踐的基礎(chǔ)上，在直向通過速度不大于200 km/h的線路上采用固定轍叉已經(jīng)達成共識[3-5]。雖然固定轍叉有諸多優(yōu)點，但也存在諸如磨耗、滾動接觸疲勞等傷損問題[6-8]，列車在通過固定轍叉時由結(jié)構(gòu)不平順和固定轍叉有害空間所導(dǎo)致的強烈沖擊與振動是傷損出現(xiàn)的主要原因。各種傷損問題嚴重縮短了固定轍叉的使用壽命，影響了列車的過岔速度，甚至成為列車脫軌的主要原因。

圖1 12號道岔心軌裂紋

75-12號嵌入式高錳鋼組合轍叉是我國寶橋公司自主研制的新型重載轍叉。試制試鋪的結(jié)果表明，其傷損主要為心軌水平裂紋，如圖1所示。由于翼軌工作邊采用1∶5+R15+1∶20 廓形設(shè)計，在30 mm斷面處，當車輪外輪緣與翼軌接觸時翼軌的最大有效寬度僅為15 mm，心軌翼軌垂向磨耗達2.4 mm左右，由于心軌翼軌有效承載面積均較小，工況惡劣導(dǎo)致30 mm斷面附近心軌翼軌磨損較快，加劇了車輪對心軌的垂向磨耗和沖擊，在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下心軌頂層金屬局部應(yīng)力集中而率先疲勞，并在鑄造缺陷處萌生裂紋，進而向水平方向擴展形成水平裂紋。結(jié)合現(xiàn)場觀察情況和轍叉設(shè)計圖紙，分析表明心軌翼軌的廓形設(shè)計是心軌水平裂紋產(chǎn)生的主要原因之一。

參考現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，為優(yōu)化我國重載線路普遍使用的12號固定轍叉(圖2)的受力狀態(tài)，本文提出抬高翼軌高度和心軌加寬的優(yōu)化方案，從而改變車輪在道岔上的滾動軌跡并提高心軌的承重能力。

圖2 75 kg/m的12號固定轍叉

1 固定轍叉改進前后廓形對比

針對現(xiàn)有12號固定轍叉，對型面主要采取3點改進：①將既有翼軌廓形1∶20 工作邊斜線+R15圓弧變?yōu)?∶15工作邊斜線+R10圓弧；②將翼軌抬高部分從3.0 mm 增加至4.6 mm；③將既有心軌頂寬加寬，使輪緣槽變窄。以頂寬20 mm斷面為例，改進前后的型面對比見圖3。這樣改進的好處是增大了心軌接觸區(qū)曲率半徑以降低接觸應(yīng)力，同時可以避免輪載過早轉(zhuǎn)移到心軌。上述3點改進均可以保護心軌，能夠起到降低心軌傷損的作用。

圖3 心軌頂寬20 mm斷面改進前后型面對比

2 固定轍叉輪軌接觸幾何關(guān)系

將優(yōu)化前后的固定轍叉型面與我國磨耗型車輪LM踏面匹配，基于經(jīng)典跡線法計算分析優(yōu)化前后的固定轍叉各個關(guān)鍵斷面與LM車輪匹配時的輪軌接觸幾何關(guān)系。計算時輪對橫移在-12～12 mm內(nèi)每間隔0.5 mm變化一次。

2.1 輪對無橫移時輪軌接觸幾何關(guān)系

輪軌接觸點這一輪軌接觸幾何特性在區(qū)間線路和固定轍叉上表現(xiàn)不同。當列車通過區(qū)間線路時，輪軌接觸點沿線路縱向不變，表現(xiàn)為輪對在橫向和豎向上無位移；而當列車通過固定轍叉時，輪軌接觸點沿轍叉縱向變化，表現(xiàn)為輪對沿轍叉方向發(fā)生豎向波動。這反映了固定轍叉不同于區(qū)間線路的一個固有屬性，即結(jié)構(gòu)不平順。圖4反映了磨耗型車輪輪對在輪對無橫移時通過75 kg/m鋼軌12號固定轍叉時轍叉的橫向、豎向結(jié)構(gòu)不平順和基本軌側(cè)橫向、豎向不平順的變化規(guī)律。

圖4 轍叉區(qū)結(jié)構(gòu)不平順

由圖4可以看出：磨耗型LM車輪通過12號固定轍叉時，改進前轍叉豎向不平順最大值約為2.3 mm，改進后轍叉豎向不平順最大值有所增加，約為3.3 mm。

從斷面B到斷面C′，輪軌接觸點略微升高，豎向不平順有所增加。這是因為高錳鋼翼軌由無到有，普通鋼軌逐漸向外偏移，輪軌接觸點逐漸向鋼軌頂面偏移。

由于斷面C附近翼軌逐漸變寬，導(dǎo)致轍岔區(qū)的豎向不平順在斷面C處達到負峰值，輪軌接觸點逐漸向翼軌非工作邊偏移。而優(yōu)化后的固定轍叉在斷面C處豎向不平順有所增加，這是由優(yōu)化后的翼軌抬高導(dǎo)致的。

從斷面C到頂寬15 mm斷面范圍內(nèi)轍叉區(qū)的豎向不平順逐漸升高，即輪軌接觸點逐漸升高，最終達到一正峰值。這是由于該處軌距加寬，輪軌接觸點逐漸向翼軌工作邊偏移。優(yōu)化后轍叉的豎向不平順始終比優(yōu)化前的轍叉區(qū)略高，是因為優(yōu)化后轍叉的翼軌工作邊圓弧半徑變小，輪緣槽變窄。

心軌、翼軌大致在心軌頂寬20 mm斷面發(fā)生輪載過渡，此外改進前后轍叉豎向不平順均達到最大值。翼軌軌頭加高與心軌軌頭降低2種因素共同導(dǎo)致了這段區(qū)域的輪軌接觸點發(fā)生轉(zhuǎn)變，在不計輪軌2點接觸和輪軌接觸彈性變形的情況下，接觸點會出現(xiàn)翼軌向心軌的轉(zhuǎn)移突變，表現(xiàn)為在車輪過岔時突然在特定位置上接觸點從翼軌至心軌的過渡。因此，對翼軌軌頭的加高會導(dǎo)致在接觸點轉(zhuǎn)移前豎向不平順迅速增大，而當輪軌接觸向心軌轉(zhuǎn)移后，豎向不平順為負值。圖4 顯示，優(yōu)化前轍叉在心軌頂寬20 mm斷面前輪軌接觸點突然從翼軌轉(zhuǎn)移至心軌，而優(yōu)化后轍叉輪軌接觸點在心軌頂寬20 mm斷面處才開始轉(zhuǎn)移，輪軌接觸點轉(zhuǎn)移位置相比于優(yōu)化前轍岔略有延后。這是因為優(yōu)化后型面的翼軌抬高，心軌加寬，輪緣槽變窄。

由于心軌逐漸加寬，轍叉在心軌頂寬20～80 mm 內(nèi)輪軌接觸點向心軌工作邊側(cè)靠近，故轍叉?zhèn)鹊呢Q向不平順逐漸加大達到一峰值。在心軌頂寬80 mm斷面到CHN60鋼軌范圍內(nèi)，輪軌接觸點從心軌過渡到普通鋼軌上，故其豎向和橫向結(jié)構(gòu)不平順均不斷減小直至趨近于0。

優(yōu)化前后的廓形其轍叉區(qū)橫向不平順的變化規(guī)律基本相同。一開始，輪軌接觸點在CHN60鋼軌上，隨著高錳鋼翼軌不斷加寬，CHN60鋼軌不斷向外側(cè)偏移，轍叉區(qū)橫向不平順均勻增加至一峰值，優(yōu)化前約為35 mm，優(yōu)化后約為37 mm。當接觸點從CHN60鋼軌過渡至高錳鋼翼軌，其橫向不平順會降低，出現(xiàn)一拐點，優(yōu)化前后轍叉區(qū)橫向不平順分別約為0，17 mm。隨后又因翼軌逐漸偏離軌距線，導(dǎo)致其接觸點不斷向外側(cè)偏移，轍叉區(qū)橫向不平順又不斷加大達到某一峰值，此時達到轍叉區(qū)橫向不平順的最大值，優(yōu)化前約為53 mm，優(yōu)化后約為55 mm。當接觸點突然從高錳鋼翼軌轉(zhuǎn)移至心軌時，其橫向不平順又急速降低達到一負峰值。優(yōu)化前的廓形轍叉區(qū)橫向不平順比優(yōu)化后的廓形先發(fā)生突變，這是由于優(yōu)化后的輪緣槽變窄、翼軌抬高，避免輪軌接觸點過早地從翼軌過渡到心軌上。隨后由于心軌的不斷加寬，輪軌接觸點逐漸向心軌工作邊移動，轍叉區(qū)的橫向不平順均勻增大至一正峰值。最終，輪軌接觸點從心軌過渡到普通鋼軌上，故其橫向不平順不斷減小直至趨近于0。

2.2 等效錐度

等效錐度反映了隨著輪對橫移的變化車輪上的輪軌接觸點沿車輪徑向的變化情況。由于傳統(tǒng)的簡化法假設(shè)踏面為錐形，在計算踏面等效錐度時存在不足，而歐洲標準采用的諧波法雖然計算過程復(fù)雜，但更為準確，因此本文采用此種方法。

圖5 各斷面優(yōu)化前后等效錐度的對比

各斷面優(yōu)化前后等效錐度的對比見圖5。對于心軌頂寬10 mm和15 mm斷面，由于輪對側(cè)滾角在改進后的輪軌匹配時相對較小，其左右輪對瞬時滾動圓半徑差更小，因此改進后斷面的等效錐度相對較小，車輛行駛效果更為優(yōu)良；而車輪在改進后頂寬20 mm斷面會發(fā)生心軌和翼軌的跳躍，因此其等效錐度加大，而車輪在改進前頂寬20 mm截面處已發(fā)生心軌、翼軌輪載過渡，故其等效錐度變化不大。這也驗證了轍叉區(qū)不平順結(jié)果。在頂寬30 mm斷面處，輪對與心軌接觸，當輪對橫移在-5～5 mm時改進前后踏面等效錐度相差不大。

3 非赫茲滾動接觸分析

基于Kalker三維非赫茲滾動理論運用CONTACT程序，計算分析搖頭角、搖頭角速度及橫移速度為0、輪對橫移在-12～12 mm內(nèi)變化時，LM車輪型面與固定轍叉各關(guān)鍵廓形斷面匹配下的輪軌非赫茲滾動接觸行為。

3.1 輪軌滾動接觸蠕滑率

根據(jù)文獻[9-10]中蠕滑率計算公式進行計算。由于本文未考慮搖頭角，因此橫向蠕滑率為0，下文以縱向蠕滑率和自旋蠕滑率進行評價。

圖6 各斷面改進前后縱向蠕滑率對比

各斷面改進前后縱向蠕滑率對比見圖6，可以看出除心軌頂寬20 mm斷面外，其余斷面縱向蠕滑率大致相同，這是因為縱向蠕滑率主要取決于瞬時滾動圓半徑，而各斷面處不同橫移下的瞬時滾動圓半徑大致相同。需要說明，輪軌間的正壓力也是影響輪軌切向應(yīng)力幅值的主要因素，因此改進后心軌頂寬20 mm 斷面蠕滑率較大并不能說明輪軌切向應(yīng)力更大。這點可在下文中得到證明。

各斷面改進前后自旋蠕滑率對比見圖7?？梢?，自旋蠕滑率與縱向蠕滑率的變化趨勢類似。

圖7 各斷面改進前后自旋蠕滑率對比

綜上所述，從輪軌接觸幾何關(guān)系的角度來看，改進后的型面使車輛在心軌頂寬10 mm和15 mm斷面處運行更為優(yōu)良，而在心軌頂寬20 mm斷面處可以有效避免車輪與心軌過早接觸，起到保護心軌的作用。

3.2 滾動接觸力學(xué)分析

通過三維非赫茲滾動接觸理論計算轍叉處的接觸應(yīng)力，從靜態(tài)接觸角度探討型面改進的效果。CONTACT計算程序?qū)⒉牧弦暈榫€彈性材料，即無法考慮材料的塑性強化，這在一定程度上會過高估計輪軌間的接觸應(yīng)力，但這并不影響對改進效果的判定。計算軸重取25 t，摩擦因數(shù)取0.3。

圖8 改進前后輪軌接觸壓應(yīng)力分布(應(yīng)力單位：GPa)

圖8為輪對無橫移時改進前后輪軌接觸壓應(yīng)力在不同斷面的分布?？梢钥闯觯焊倪M前心軌頂寬10，15，35 mm 斷面處的接觸斑形狀和接觸壓應(yīng)力幅值大致相同，這是因為這3個斷面處接觸區(qū)輪軌踏面曲率半徑相近；而心軌頂寬20 mm斷面處由于心軌型面的曲率半徑很小以致其接觸斑較窄，故其接觸壓應(yīng)力很高。關(guān)于改進后的效果，在頂寬10 mm和15 mm斷面處車輪與翼軌發(fā)生接觸，由于翼軌型面發(fā)生變化其接觸斑形狀也相應(yīng)變化，但是翼軌圓弧半徑由15 mm變?yōu)?0 mm，接觸應(yīng)力集中程度更大，因此接觸應(yīng)力反而更高；在心軌頂寬20 mm斷面處車輪與心軌發(fā)生接觸，由于心軌加寬，相比改進前接觸斑變寬，故其接觸應(yīng)力顯著降低，達到了降低心軌傷損的效果；而在頂寬35 mm斷面處心軌加寬并沒有明顯地改變接觸區(qū)域心軌型面的曲率半徑，因此其接觸斑形狀并未有很大改變，接觸應(yīng)力也相近。改進前后切向應(yīng)力變化趨勢與壓應(yīng)力類似。

圖9 改進前后轍叉表面滾動接觸最大壓應(yīng)力對比

改進前后轍叉表面滾動接觸最大壓應(yīng)力對比見圖9?？梢钥闯觯焊倪M后心軌頂寬20 mm斷面處的最大壓應(yīng)力顯著低于改進前，這能有效避免道岔心軌傷損，從這點來看改進型面可以有效保護心軌。至于心軌頂寬10 mm和15 mm 斷面，改進后翼軌處的接觸應(yīng)力有一定升高，這是圓弧曲率半徑變小造成的。切向應(yīng)力的變化趨勢同壓應(yīng)力。

4 動力學(xué)性能分析

4.1 輪軌力分布

列車直向通過居中對稱布置的固定轍叉時，第1輪對輪軌間橫向力變化如圖10(a)、圖10(b)所示。改進前輪軌橫向力先出現(xiàn)著較小的波動隨后出現(xiàn)較高的幅值，這是因為固定轍叉存在有害空間，由此所引發(fā)的沖擊現(xiàn)象。改進后的固定轍叉同樣承受著沖擊力，但在一定程度上已經(jīng)減小這種沖擊行為，可以延長轍叉的使用壽命。因此，從這一角度來講，改進后的型面更為優(yōu)良。列車通過改進前的固定轍叉第1輪對最大輪軌橫向力為22.146 kN,列車通過改進后的固定轍叉第1輪對最大輪軌橫向力為4.533 kN，均遠小于規(guī)范規(guī)定的安全限值。

圖10 第1輪對輪軌力

如圖10(c)、圖10(d)所示，列車通過改進前后的固定轍叉第1輪對最大輪軌垂向力分別為222.149，188.414 kN，改進后固定轍叉輪軌垂向力有所降低。列車直向通過改進后的固定轍叉時輪軌垂向力最大值有所減小，這是因為輪對由翼軌轉(zhuǎn)移到心軌時存在一定沖擊。這種沖擊心軌的行為往往導(dǎo)致心軌處出現(xiàn)較大的塑性變形，在循環(huán)載荷作用下便會萌生滾動接觸疲勞裂紋，即本次改進所要消除的病害；型面改進后，固定轍叉端和基本軌端輪軌垂向力均明顯減小，這說明車輛通過改進后的轍叉時，輪載過渡更為平穩(wěn)，從這一點來看，改進后的型面有望減緩甚至消除滾動接觸疲勞裂紋的出現(xiàn)，延長該固定轍叉的服役壽命。

4.2 脫軌系數(shù)

利用圖10所示的輪軌垂向力和橫向力，得到車輛第1位輪對的脫軌系數(shù)隨車輛運行距離的變化，其結(jié)果見圖11。可見，改進前轍叉時的脫軌系數(shù)最大值為0.186，改進后轍叉時的脫軌系數(shù)最大值為0.049，均小于安全限值0.8。由于改進后輪對承受更小的輪軌橫向力，因此其脫軌系數(shù)更小，改進后車輛運行狀態(tài)更為良好。

圖11 第1輪對脫軌系數(shù)

5 結(jié)論

1)靜力學(xué)仿真結(jié)果表明，優(yōu)化前后轍叉型面接觸幾何參數(shù)(幾何不平順、等效錐度)沒有明顯差別。心軌頂寬20 mm斷面優(yōu)化后的型面在一定的橫移量下車輪并未完全與心軌接觸，可以避免車輪過早過渡到心軌，對心軌形成了一定的保護作用。

2)心軌頂寬20 mm斷面LM車輪與優(yōu)化后轍叉接觸時未與心軌接觸，其接觸應(yīng)力降低至原接觸應(yīng)力的28%，可減少轍叉心軌和翼軌在轍叉使用早期的磨耗。

3)動力學(xué)仿真結(jié)果表明，車輛通過優(yōu)化前后固定轍叉各項動力學(xué)指標均在國家規(guī)定的安全限值之內(nèi)，并且通過優(yōu)化后的轍叉輪軌橫向力變化明顯，最大值從22.146 kN降低為4.533 kN，脫軌系數(shù)最大值從0.186降低為0.049。因此，從動力學(xué)角度來講，改進后的轍叉型面更為優(yōu)良。