鐵路道岔轉(zhuǎn)轍器部件輪軌兩點(diǎn)接觸計(jì)算方法研究

馬曉川， 徐井芒， 王 平， 陳 漫， 胡辰陽(yáng)， 王 健

(1. 華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心， 江西 南昌 330013；2. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

鐵路列車通過(guò)道岔尖軌的往復(fù)扳動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)線運(yùn)行，單開(kāi)鐵路道岔主要由轉(zhuǎn)轍器、轍叉及連接部分組成。相比區(qū)間線路，沿道岔線路縱向，鋼軌變截面、多股鋼軌軌下基礎(chǔ)布置方式各異，導(dǎo)致其輪軌接觸狀態(tài)較為復(fù)雜[1]，是導(dǎo)致道岔輪軌沖擊作用較大的主要原因，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)鋼軌磨耗及裂紋等多種傷損。

在鐵路道岔轉(zhuǎn)轍器部件中，由于尖軌和基本軌的軌下基礎(chǔ)布置方式不同，車輪通過(guò)轉(zhuǎn)轍器部件時(shí)，在車輪荷載的作用下，尖軌和基本軌之間勢(shì)必會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，尖基軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)輪軌接觸狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。因此，王平[2-3]分析了車輪荷載作用下的輪軌接觸行為，建立了道岔轉(zhuǎn)轍器內(nèi)車輪荷載分配的求解模型，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型的正確性，該方法雖然考慮了尖軌與基本軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但限定車輪為錐形踏面，且輪軌接觸點(diǎn)位置為尖軌和基本軌的最高點(diǎn)，而目前車輪大多為磨耗型踏面，因此該方法存在一定的局限性。Xu等[4]將車輛道岔多體動(dòng)力學(xué)中的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入有限元模型中，來(lái)研究細(xì)部的輪軌接觸關(guān)系，在其建立的有限元模型中，能夠考慮尖軌和基本軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但有限元模型計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，研究效率較低。以往的鐵路道岔輪軌接觸研究中，均將尖軌與基本軌視為剛性組合，即認(rèn)為兩者之間不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其中，任尊松等[5-7]根據(jù)輪軌彈性接觸變形量與輪軌間隙之間的關(guān)系，提出了車輪與道岔鋼軌發(fā)生多點(diǎn)接觸的判別方法，并基于此，建立車輛-道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，用于研究車輪與道岔鋼軌的橫向和垂向耦合振動(dòng)問(wèn)題。在中頻振動(dòng)條件下，Afli等[8]提出了可考慮輪軌多點(diǎn)接觸的車輛-道岔動(dòng)力響應(yīng)求解方法，并分析了軌道彈性變化對(duì)輪軌動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。采用節(jié)點(diǎn)方法，Sugiyama等[9]提出非共形接觸組合算法來(lái)研究道岔區(qū)輪軌接觸狀態(tài)。為進(jìn)一步提升車輛-道岔動(dòng)力學(xué)的仿真精度，Sebes等[10]在這一過(guò)程中采用非赫茲理論模擬輪軌之間的滾動(dòng)接觸行為，相比赫茲理論，采用非赫茲接觸方法能夠獲取更為準(zhǔn)確的輪軌滾動(dòng)接觸信息，如接觸斑形狀、接觸應(yīng)力等。為評(píng)估不同輪軌接觸模型在求解道岔區(qū)輪軌接觸問(wèn)題時(shí)的適用性，Xu等[11]比較了赫茲理論、非赫茲理論、Kalker三維接觸理論及有限元方法的仿真結(jié)果，并認(rèn)為結(jié)合計(jì)算精度與效率，非赫茲理論更能反映車輪與道岔鋼軌的滾動(dòng)接觸行為。文獻(xiàn)[5-11]均假設(shè)尖軌和基本軌的相對(duì)位置保持不變來(lái)研究車輪與道岔鋼軌的接觸狀態(tài)，而實(shí)際上，尖軌與基本軌的軌下支撐方式存在較大差異，在車輪荷載作用下，兩者必然會(huì)發(fā)生相對(duì)位置的改變，并影響輪軌之間的接觸狀態(tài)，因此，需在考慮尖軌與基本軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，研究車輪與轉(zhuǎn)轍器鋼軌的滾動(dòng)接觸問(wèn)題。

本文根據(jù)基本軌與尖軌的相對(duì)位置及軌下支撐方式，分析車輪與轉(zhuǎn)轍器鋼軌的接觸特性，并提出了考慮尖軌和基本軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)的輪軌兩點(diǎn)接觸計(jì)算方法，以中國(guó)18號(hào)單開(kāi)高速道岔為例，對(duì)比分析了標(biāo)準(zhǔn)和磨耗車輪LMA踏面與鋼軌匹配時(shí)的輪軌接觸特性，包括輪軌接觸點(diǎn)位置、輪軌兩點(diǎn)接觸可能發(fā)生的區(qū)域以及靜態(tài)輪載轉(zhuǎn)移和分配的規(guī)律。

1 轉(zhuǎn)轍器部件輪軌接觸狀態(tài)

在鐵路道岔轉(zhuǎn)轍器部件內(nèi)，尖軌與基本軌會(huì)共同承擔(dān)車輪荷載，并且尖軌為變截面鋼軌部件，導(dǎo)致輪軌接觸關(guān)系復(fù)雜多變。在該區(qū)域內(nèi)，理論上的輪軌接觸狀態(tài)有以下6種：車輪與基本軌或尖軌發(fā)生單點(diǎn)接觸見(jiàn)圖1(a)、圖1(f)；車輪與基本軌或尖軌發(fā)生踏面、輪緣位置處的兩點(diǎn)接觸見(jiàn)圖1(b)、圖1(e)；車輪與尖軌、基本軌的兩點(diǎn)接觸見(jiàn)圖1(c)；車輪與尖軌、基本軌的三點(diǎn)接觸見(jiàn)圖1(d)。

在車輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，圖1(a)、1(c)、1(f)所表示的輪軌接觸狀態(tài)是較為普遍的，圖1(d)所表示的輪軌三點(diǎn)接觸狀態(tài)很難發(fā)生[7]，當(dāng)輪對(duì)的橫向位移較大，車輪輪緣與鋼軌接觸時(shí)，圖1(b)和1(e)表示的輪軌兩點(diǎn)接觸狀態(tài)才存在理論上發(fā)生的可能。綜上，本文將只針對(duì)圖1(a)、1(c)、1(f)所代表的輪軌接觸狀態(tài)進(jìn)行研究，即輪軌單點(diǎn)接觸時(shí)，車輪分別只與基本軌或尖軌接觸，輪軌兩點(diǎn)接觸時(shí)，車輪同時(shí)接觸基本軌和尖軌。

如圖1(a)所示，以滑床板上表面為基準(zhǔn)，尖軌與滑床板之間為剛性約束，即尖軌承受車輪荷載時(shí)不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑床板的垂向剛性位移?；拒壟c滑床板之間為扣件系統(tǒng)中的橡膠墊板，在車輪荷載作用下，以滑床板為基準(zhǔn)，基本軌會(huì)發(fā)生相對(duì)尖軌的垂向位移，從而對(duì)輪軌接觸狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生較大影響，在輪軌接觸狀態(tài)的判定中應(yīng)給予充分的考慮。

2 輪軌接觸狀態(tài)判定方法

根據(jù)車輪和鋼軌的空間位置約束關(guān)系，使用跡線法[12-14]來(lái)求解輪軌的接觸幾何參數(shù)，在距尖軌尖端x的斷面處，使用跡線法迭代求解輪軌接觸參數(shù)。輪對(duì)橫移為yw見(jiàn)圖2，先將尖軌和基本軌的廓形數(shù)據(jù)合并作為一個(gè)軌頭廓形進(jìn)行計(jì)算，在迭代求解輪軌接觸參數(shù)的過(guò)程中，首先求解左右車輪與對(duì)應(yīng)兩股鋼軌之間的垂向最小距離dl和dr，通過(guò)調(diào)整輪對(duì)的側(cè)滾角θ，當(dāng)dl和dr的關(guān)系滿足式(1)的要求，可得到左右側(cè)輪軌接觸點(diǎn)的位置以及相應(yīng)的輪軌接觸參數(shù)。Oxyz為軌道中心坐標(biāo)系，O′x′y′z′為輪對(duì)中心坐標(biāo)系。

|dl-dr|<ε

( 1 )

式中：ε為給定的無(wú)限小的數(shù)值，本文取10-5mm。

在滿足式( 1 )的條件下，保持輪軌側(cè)滾角不變見(jiàn)圖3，分別求解右側(cè)車輪到尖軌、基本軌的最小距離dsw和dst，右側(cè)輪軌的最小距離dr=min(dsw,dst)，若dr=dsw，則dsw對(duì)應(yīng)的位置為主接觸點(diǎn)位置，dst對(duì)應(yīng)的位置為次接觸點(diǎn)位置，同理，若dr=dst，則dst對(duì)應(yīng)的位置為主接觸點(diǎn)位置，dsw對(duì)應(yīng)的位置為次接觸點(diǎn)位置。圖2和圖3中的最小距離均采用三次樣條函數(shù)的方法進(jìn)行擬合和插值計(jì)算。

定義車輪踏面與主次接觸點(diǎn)之前最小距離的差值hwr計(jì)算式為

hwr=dsw-dst

( 2 )

車輪與兩股鋼軌的接觸狀態(tài)判別條件為

基本軌單點(diǎn)接觸

hwr≥wst,P+δst,P

尖基軌兩點(diǎn)接觸

-δst,P

尖軌單點(diǎn)接觸

hwr≤-δst,P

( 3 )

式中：在全部車輪荷載作用下，以滑床板為基準(zhǔn)，wst,P為基本軌的垂向剛性位移；δst,P為車輪與基本軌接觸時(shí)的垂向輪軌壓縮量；δsw,P為尖軌的垂向輪軌壓縮量。

本文假設(shè)鋼軌的垂向剛性位移僅由輪軌垂向力引起，鋼軌的橫向和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不影響鋼軌的垂向剛性位移，基本軌垂向剛性位移的計(jì)算式為

wst,P=P·cosφ/kr

( 4 )

式中：P為車輪荷載；φ為主接觸點(diǎn)處的輪軌接觸角；kr為基本軌軌下膠墊的垂向剛度。

車輪與鋼軌接觸時(shí)的壓縮量與輪軌法向力密切相關(guān)，基本軌或尖軌承受全部車輪荷載時(shí)，其垂向壓縮量可簡(jiǎn)單算出為[15]

( 5 )

式中：Gst、Gsu分別為車輪與基本軌接觸點(diǎn)處、車輪與尖軌接觸點(diǎn)處的赫茲接觸參數(shù)，m/N2/3；φst為車輪與基本軌接觸點(diǎn)處的車輪接觸角；φsw為車輪與尖軌接觸點(diǎn)處的車輪接觸角。

錐形踏面

G=4.57R-0.149×10-8

磨耗型踏面

G=3.68R-0.115×10-8

( 6 )

式中：G為不同踏面形式的赫茲接觸參數(shù)，N2/3；R為接觸點(diǎn)處車輪的滾動(dòng)圓半徑，對(duì)于不同的接觸點(diǎn)位置，其滾動(dòng)圓半徑各不相同。

3 兩點(diǎn)接觸的法向力求解方法

車輪與基本軌或尖軌發(fā)生單點(diǎn)接觸時(shí)，其輪軌法向力可通過(guò)輪軌相互作用力和接觸角度進(jìn)行計(jì)算。而當(dāng)車輪與尖軌、基本軌同時(shí)接觸時(shí)，由于尖軌與基本軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致兩個(gè)接觸點(diǎn)處輪軌法向力的求解較為復(fù)雜，本文根據(jù)作用力與位移的協(xié)調(diào)關(guān)系，給出求解尖軌和基本軌上接觸點(diǎn)處輪軌法向力的方法。尖軌和基本軌在車輪荷載作用下發(fā)生變形的過(guò)程見(jiàn)圖4?；拒壟c尖軌的相對(duì)運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在垂向，在圖4所示的力學(xué)模型中，基本軌與尖軌之間的垂向約束關(guān)系較弱，因此，兩股鋼軌之間的相互作用可忽略不計(jì)。

由圖4可知，基本軌和尖軌之間的位移協(xié)調(diào)關(guān)系可表達(dá)為

wst+(δst-δsw)=hwr

( 7 )

基本軌發(fā)生的垂向剛性位移為

w=Pr/kr

( 8 )

式中：Pr為軌下膠墊對(duì)基本軌的支撐力。

基本軌的垂向輪軌壓縮量由式為

δst=Gst·cosφst·(Pst)2/3

( 9 )

式中：Pst為車輪與基本軌之間的法向輪軌力。

這節(jié)課結(jié)束以后，我又布置了這樣一個(gè)課后作業(yè)：“茫茫”除了可以形容沙漠（茫茫的沙漠），還可以形容大海、草原、夜色、人海等。請(qǐng)你想象其中的一個(gè)畫(huà)面并寫(xiě)一寫(xiě)，當(dāng)然你也可以摘抄你讀過(guò)的描寫(xiě)這些畫(huà)面的原文。

尖軌的垂向輪軌壓縮量為

δsw=Gsw·cosφsw·(Psw)2/3

(10)

式中：Psw為車輪與尖軌之間的法向輪軌力。

另外，根據(jù)基本軌自身的受力平衡為

Pr=Pst·cosφst

(11)

同理，根據(jù)車輪自身的受力平衡為

P·cosφ=Pst·cosφst+Psw·cosφsw

(12)

由式( 7 )～式(12)聯(lián)立可得到求解車輪與基本軌接觸點(diǎn)處法向力的函數(shù)為

(13)

式中：Pst∈(0，P)。

為證明函數(shù)f有唯一的解，首先證明式(13)所列函數(shù)存在零點(diǎn)，車輪與尖軌、基本軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸時(shí)，hwr滿足式( 3 )的條件，因此，函數(shù)f的兩個(gè)端點(diǎn)值分別為

(14)

由式(14)可知，函數(shù)f(Pst)存在零點(diǎn)，對(duì)式(13)所列函數(shù)求導(dǎo)得到其一階函數(shù)為

(15)

由式(15)可知，該函數(shù)為單調(diào)遞增函數(shù)，綜上，f(Pst)存在零點(diǎn)且為單調(diào)遞增函數(shù)，即該函數(shù)有唯一解，使用數(shù)值方法求得該函數(shù)的解即為車輪與基本軌接觸點(diǎn)處的法向力Pst，根據(jù)式(12)可求得車輪與尖軌接觸點(diǎn)處的法向力Psw。

4 轉(zhuǎn)轍器部件靜態(tài)輪軌接觸幾何關(guān)系

為驗(yàn)證本文所提鐵路道岔轉(zhuǎn)轍器輪軌兩點(diǎn)接觸計(jì)算方法的可行性，以中國(guó)直向通過(guò)速度250 km/h的18號(hào)高速道岔為例，對(duì)比分析標(biāo)準(zhǔn)和磨耗后LMA型踏面與尖基軌的接觸匹配關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)和磨耗后LMA踏面的對(duì)比見(jiàn)圖5，其中，磨耗后踏面形狀為車輛運(yùn)行15萬(wàn)km后的測(cè)試結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面相比，該車輪踏面中部的磨耗深度較大，輪緣處則有輕微磨耗。

在判斷車輪與尖軌和基本軌是否發(fā)生兩點(diǎn)接觸的過(guò)程中，需要車輛軌道系統(tǒng)振動(dòng)過(guò)程中的輪軌法向力及反映輪對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的參數(shù)，但在研究輪軌匹配而不做動(dòng)態(tài)計(jì)算時(shí)，可簡(jiǎn)單的以整車軸重(CRH2型車，140 kN)一半作為輪軌法向力的數(shù)值，判斷不同輪對(duì)橫移條件下的靜態(tài)輪軌接觸狀態(tài)，輪對(duì)橫移范圍取0～12 mm，基本軌的軌下膠墊垂向剛度取270 kN/mm[16]。

4.1 轉(zhuǎn)轍器部件鋼軌廓形

在轉(zhuǎn)轍器部件中，基本軌采用的是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌(CHN60)，根據(jù)尖軌的加工方式，由尖軌的頂寬和降低值(圖6)確定任意斷面處尖軌的軌頭廓形，并根據(jù)線路布置方式得到任意斷面處尖軌和基本軌的空間位置關(guān)系，三個(gè)關(guān)鍵斷面處尖軌與基本軌的空間相對(duì)位置見(jiàn)圖7。

4.2 輪軌接觸點(diǎn)位置分布

根據(jù)本文提出的車輪與尖基軌接觸狀態(tài)判斷方法，分別計(jì)算尖軌頂寬25、30、35、40 mm斷面處的輪軌接觸點(diǎn)位置。標(biāo)準(zhǔn)踏面和磨耗后踏面與尖基軌的接觸點(diǎn)位置分布情況見(jiàn)圖8、圖9。

由圖8可知，標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面與尖基軌匹配時(shí)，尖軌頂寬25 mm斷面處，輪軌發(fā)生單點(diǎn)接觸，不存在兩點(diǎn)接觸的可能，輪軌接觸點(diǎn)位置主要分布在基本軌的軌頂上；在尖軌頂寬30 mm的斷面處，輪軌只發(fā)生單點(diǎn)接觸，而不存在兩點(diǎn)接觸的可能，輪軌接觸點(diǎn)位置主要分布在基本軌的軌頂上；尖軌頂寬35 mm斷面處，輪對(duì)橫移在8.5～9.5 mm的范圍內(nèi)時(shí)，車輪同時(shí)與尖軌、基本軌接觸，第2點(diǎn)接觸的位置分布在尖軌軌距角附近；在尖軌頂寬40 mm斷面處，輪軌只發(fā)生單點(diǎn)接觸，不存在兩點(diǎn)接觸的可能，輪軌接觸點(diǎn)位置主要分布在尖軌上，尖軌承受全部的車輪荷載。

由圖9可知，磨耗車輪踏面與尖軌、基本軌匹配時(shí)，尖軌頂寬25 mm斷面處，輪對(duì)橫移在7.5～8 mm的范圍內(nèi)時(shí)，輪軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸，第2點(diǎn)接觸的位置分布在尖軌軌距角附近；在尖軌頂寬30 mm斷面處，輪對(duì)橫移在6.5～7 mm的范圍內(nèi)時(shí)，車輪與尖基軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸，其第2點(diǎn)接觸的位置分布在尖軌的軌距角附近；尖軌頂寬35 mm斷面處，輪對(duì)橫移在6～6.5 mm的范圍內(nèi)時(shí)，輪軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸，第2點(diǎn)接觸的位置分布在尖軌軌距角附近；尖軌頂寬40 mm斷面處，輪對(duì)橫移在4～4.5 mm的范圍內(nèi)時(shí)，輪軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸，其第2點(diǎn)接觸的位置分布在尖軌軌距角附近。

車輪與尖基軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸的區(qū)域是車輪荷載在基本軌與尖軌之間完成轉(zhuǎn)移的范圍，輪載轉(zhuǎn)移范圍的位置會(huì)對(duì)輪軌橫向動(dòng)力相互作用產(chǎn)生較大的影響，輪載轉(zhuǎn)移位置后移會(huì)增大輪對(duì)在道岔轉(zhuǎn)轍器部件中蛇形運(yùn)動(dòng)的幅度，進(jìn)而增大輪軌的動(dòng)力相互作用[17]。由圖8、圖9對(duì)比可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面條件下，接觸點(diǎn)位置在頂寬40 mm斷面處已全部轉(zhuǎn)移到尖軌上，而磨耗后車輪踏面匹配時(shí)，頂寬40 mm斷面處仍有發(fā)生兩點(diǎn)接觸的可能性，且接觸點(diǎn)位置分別集中在基本軌和尖軌上，會(huì)導(dǎo)致輪載轉(zhuǎn)移位置后移，增大車輛與道岔之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；其次，磨耗后車輪的輪軌接觸點(diǎn)位置普遍位于尖軌的軌距角附近，會(huì)導(dǎo)致尖軌的側(cè)面磨耗較為嚴(yán)重。綜上，車輪踏面出現(xiàn)較大程度的磨耗后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行鏇修，以避免惡化高速道岔內(nèi)的輪軌動(dòng)力相互作用。

4.3 輪軌兩點(diǎn)接觸范圍

為探究轉(zhuǎn)轍器部件內(nèi)車輪與基本軌、尖軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸的可能區(qū)域，沿道岔轉(zhuǎn)轍器線路縱向，每隔0.01 m的距離選取一個(gè)斷面，判斷該斷面處不同輪對(duì)橫移情況下的接觸狀態(tài)，得到道岔轉(zhuǎn)轍器部件范圍內(nèi)輪軌兩點(diǎn)接觸的可能區(qū)域見(jiàn)圖10。

由圖10可知，標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面匹配時(shí)，距尖軌尖端5.87～6.90 m范圍內(nèi)可能發(fā)生輪軌兩點(diǎn)接觸，其輪軌兩點(diǎn)接觸的可能區(qū)域較為集中；磨耗后車輪踏面匹配時(shí)，距尖軌尖端3.61～7.75 m范圍內(nèi)均可能發(fā)生輪軌兩點(diǎn)接觸，其輪軌兩點(diǎn)接觸可能區(qū)域的分布較為分散，車輛軌道系統(tǒng)振動(dòng)過(guò)程中，其輪軌接觸狀態(tài)容易在單點(diǎn)與兩點(diǎn)接觸之間切換，造成輪軌接觸點(diǎn)的跳躍，影響輪軌接觸關(guān)系的同時(shí)也會(huì)惡化輪軌動(dòng)力相互作用。

4.4 靜態(tài)輪軌法向力轉(zhuǎn)移和分配規(guī)律

車輛通過(guò)道岔轉(zhuǎn)轍器部件時(shí)，隨尖軌頂寬的變化，車輪由基本軌轉(zhuǎn)移到尖軌或由尖軌轉(zhuǎn)移到基本軌上，在輪載轉(zhuǎn)移范圍內(nèi)，車輪與尖基軌發(fā)生兩點(diǎn)接觸，尖軌和基本軌共同承受車輪荷載。根據(jù)本文第3節(jié)提出的方法，以輪對(duì)無(wú)橫向位移時(shí)為例，計(jì)算沿道岔轉(zhuǎn)轍器線路縱向，輪軌法向力的轉(zhuǎn)移和分配規(guī)律見(jiàn)圖11。

由圖11可知，輪對(duì)無(wú)橫移時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面條件下，輪載轉(zhuǎn)移位置為距尖軌尖端6.24～6.68 m的范圍，輪載轉(zhuǎn)移段長(zhǎng)度為440 mm；磨耗車輪踏面匹配時(shí)，其輪載轉(zhuǎn)移位置為距尖軌尖端7.28～7.75 m的范圍，輪載轉(zhuǎn)移段長(zhǎng)度為470 mm，相比標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面，磨耗車輪踏面的輪載轉(zhuǎn)移位置后移了約1 m的距離，根據(jù)參考文獻(xiàn)[17]中給出的結(jié)論，在鐵路道岔轉(zhuǎn)轍器中，輪載轉(zhuǎn)移的位置后移會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)蛇形運(yùn)動(dòng)的距離和幅度出現(xiàn)較大程度的增大，并惡化輪軌橫向動(dòng)力相互作用。因此，磨耗車輪狀態(tài)下的車輛進(jìn)岔時(shí)，輪對(duì)蛇形運(yùn)動(dòng)的距離和幅度均會(huì)增大，降低車輛運(yùn)行品質(zhì)。

現(xiàn)場(chǎng)觀察車輛在磨耗狀態(tài)下進(jìn)入道岔轉(zhuǎn)轍器部件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)輪對(duì)蛇形運(yùn)動(dòng)加大、輪軌動(dòng)力相互作用增大等現(xiàn)象[1]。本文從輪軌接觸點(diǎn)位置、兩點(diǎn)接觸范圍、法向力的轉(zhuǎn)移和分配三個(gè)方面對(duì)比分析了車輪磨耗前后不同輪對(duì)橫移下輪軌接觸的情況，并給出了相應(yīng)的結(jié)論，車輪踏面的形狀對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍器部件內(nèi)輪軌兩點(diǎn)接觸的位置和特性有重要影響，分析結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)情況基本一致，從而驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性和可行性。

5 結(jié)論

本文根據(jù)鐵路道岔轉(zhuǎn)轍器部件中尖軌與基本軌的空間位置關(guān)系以及軌下基礎(chǔ)的布置方式，提出了考慮尖基軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)的輪軌兩點(diǎn)接觸計(jì)算方法，并給出了兩個(gè)接觸斑處輪軌法向力的計(jì)算方法。以中國(guó)直向通過(guò)速度250 km/h的18號(hào)高速道岔轉(zhuǎn)轍器為例，對(duì)比分析了標(biāo)準(zhǔn)和磨耗車輪踏面與尖基軌匹配時(shí)的接觸狀態(tài)，得到結(jié)論如下：

(1) 車輪踏面的形狀對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍器部件內(nèi)輪軌兩點(diǎn)接觸的位置和特性有重要影響。

(2) 與標(biāo)準(zhǔn)車輪踏面相比，磨耗后車輪踏面與鋼軌匹配時(shí)，其輪軌接觸點(diǎn)位置多位于尖軌的軌距角附近，會(huì)增大尖軌的側(cè)面磨耗。

(3) 磨耗后車輪踏面對(duì)應(yīng)的輪載轉(zhuǎn)移位置后移，車輛進(jìn)岔時(shí)，會(huì)增大輪對(duì)蛇形運(yùn)動(dòng)的距離和幅度，從而惡化輪軌橫向動(dòng)力相互作用。

(4) 磨耗后車輪踏面與鋼軌匹配時(shí)，其發(fā)生輪軌兩點(diǎn)接觸的可能區(qū)域較為分散，車輛軌道系統(tǒng)振動(dòng)過(guò)程中，其輪軌接觸狀態(tài)容易在單點(diǎn)與兩點(diǎn)接觸之間切換，造成輪軌接觸點(diǎn)的跳躍，從而引起較大的沖擊振動(dòng)作用。