周期性鋼軌廓形打磨對小半徑曲線壽命的影響

李金良

(中鐵物軌道科技服務集團有限公司，北京 100036)

隨著鐵路交通運輸?shù)娘w躍發(fā)展，輪軌之間的磨損問題越發(fā)突出。據(jù)統(tǒng)計，我國每年僅換軌一項費用就超過10億元[1]。

國內諸多學者對鋼軌使用壽命進行了系統(tǒng)研究。李軍[2]采用威布爾模型,統(tǒng)計分析重車線傷損發(fā)展的規(guī)律,預測鋼軌壽命；王建西等[3]基于臨界平面法,建立輪軌力作用下鋼軌滾動接觸疲勞裂紋壽命預測模型；劉亮等[4]研究表明鋼軌剩余壽命隨列車速度系數(shù)的增加而降低,隨鋼軌基礎彈性系數(shù)的增長而延長；王軍平等[5]結合實際案例對不同線路實施廓形打磨后的效果進行了分析，表明個性化鋼軌打磨有助于延長鋼軌使用壽命；崔大賓等[6]研究出一種重載線路上輪軌接觸應力水平較小的鋼軌打磨目標型面，有助于延長鋼軌使用壽命；郭戰(zhàn)偉[7]提出應通過鋼軌打磨消除或減弱輪軌蠕滑，達到延長鋼軌使用壽命的目的。

根據(jù)近5年統(tǒng)計，周期性廓形打磨前濟南局管內京膠聯(lián)絡線300 m小半徑曲線上股鋼軌累計總質量約97.47 Mt時，由于波磨、軌面剝離掉塊及側磨較為嚴重而提前下道。故本文以該曲線上股為例，從輪軌接觸幾何特性、車輛動力學特性及現(xiàn)場打磨效果3個方面分析周期性鋼軌廓形打磨對鋼軌壽命的影響。

1 輪軌接觸幾何特性分析

對濟南局管內京膠聯(lián)絡線300 m小半徑曲線進行3次周期性廓形打磨，并采集各個時間段的鋼軌廓形，測量時間分別為2016年10月22日，2016年11月22日，2017年1月12日，2017年1月16日(第1周期打磨完成)，2017 年3月25日，2017年3月26日(第2周期打磨完成)，2017年6月8日，2017年6月22日(第3周期打磨完成)，2017年7月20日。這9個時間點對應的列車通過總質量分別為0,10.83，28.88，30.32，55.23,55.59,81.22,86.64，97.47 Mt。

按照測量時間由前往后，將9種廓形的鋼軌依次編號為1#—9#。其廓形變化見圖1。1#廓形的鋼軌簡稱1#鋼軌，以此類推。

圖1 周期性廓形打磨前后鋼軌廓形變化

輪軌接觸幾何關系對輪軌動力學特性影響很大，等效錐度是輪軌接觸幾何關系中的重要參數(shù)[8]。通過仿真分析[9]可知，當列車通過300 m小半徑曲線時，輪軌間橫移量約10 mm，將全新車輪LMa踏面分別與周期性廓形打磨前后鋼軌幾何型面匹配，計算得到橫移量10 mm時輪軌間等效錐度，見圖2。

圖2 輪軌間等效錐度

由圖2可知：每次周期性廓形打磨后輪軌間等效錐度顯著改善，車輛通過小半徑曲線性能得到改善。第1周期廓形打磨后，4#鋼軌輪軌間等效錐度較3#鋼軌增加3.86%；第2周期廓形打磨后，6#鋼軌輪軌間等效錐度較5#鋼軌增加22.44%；第3周期廓形打磨后，8#鋼軌輪軌間等效錐度較7#鋼軌增加7.15%。

對比9#鋼軌(累計通過總質量97.47 Mt)及3#鋼軌(累計通過總質量28.88 Mt)等效錐度可知，9#鋼軌輪軌間等效錐度僅比3#鋼軌小1.58%，等效錐度較為理想。

2 車輛動力學特性分析

2.1 車輛-鋼軌耦合動力學模型建立

在動力學軟件UM平臺下建立42個獨立自由度的車輛模型，充分考慮非線性輪軌接觸幾何關系、非線性輪軌蠕滑特性及非線性車輛懸掛系統(tǒng)，車輛運行速度設為35 km/h，車輪踏面類型為LMa。鋼軌選用1#—9#鋼軌，曲線半徑為300 m，全長620 m，曲線超高40 mm。建立車輛-鋼軌耦合動力學模型，見圖3。

圖3 車輛-鋼軌耦合動力學模型

2.2 結果與分析

2.2.1 磨耗特性

本文主要對曲線上股(列車行進方向鋼軌左股)輪軌接觸進行研究，列車與曲線上股接觸車輪沿運行方向由前至后定義為1位車輪，2位車輪，3位車輪，4位車輪。列車通過曲線，1～4位車輪與1#—9#鋼軌接觸時輪軌間平均磨耗功率變化曲線見圖4。

圖4 輪軌間平均磨耗功率變化曲線

由圖4可知，每次周期性廓形打磨后輪軌間平均磨耗功率均得到明顯改善。第1周期廓形打磨后，1～4位車輪與4#鋼軌接觸時輪軌間平均磨耗功率比與3#鋼軌接觸時分別減小7.37%，10.76%，5.47%，9.36%；第2周期廓形打磨后，1～4位車輪與6#鋼軌接觸時輪軌間平均磨耗功率比與5#鋼軌接觸時分別減小0.03%，14.90%，0.45%，20.38%；第3周期廓形打磨后，1～4位車輪與8#鋼軌接觸時輪軌間平均磨耗功率比與7#鋼軌接觸時分別減小4.94%，7.02%，2.44%，7.93%。

對比1～4位車輪與9#,3#鋼軌接觸時輪軌間平均磨耗功率可知：經周期性廓形打磨后，1～4位車輪與9#鋼軌接觸時輪軌間平均磨耗功率僅比與3#鋼軌接觸時分別減小0.26%，14.72%，0.01%，12.47%。周期性廓形打磨可以使輪軌間平均磨耗功率保持在較為理想的狀態(tài)，避免因磨耗過快導致鋼軌下道。

2.2.2 安全性

當列車通過圓曲線，1～4位車輪與1#—9#鋼軌接觸時輪軌間最大脫軌系數(shù)變化曲線見圖5。

圖5 輪軌間最大脫軌系數(shù)變化曲線

由圖5可知，每次周期性廓形打磨后輪軌間最大脫軌系數(shù)均減小，最大減小54.76%。第1周期廓形打磨后，1～4位車輪與4#鋼軌接觸時輪軌間最大脫軌系數(shù)比與3#鋼軌接觸時分別減小16.25%，5.88%，1.02%，10.77%；第2周期廓形打磨后，1～4位車輪與6#鋼軌接觸時輪軌間最大脫軌系數(shù)比與5#鋼軌接觸時分別減小6.45%，54.76%，8.31%，12.96%；第3周期廓形打磨后，1～4位車輪與8#鋼軌接觸時輪軌間最大脫軌系數(shù)比與7#鋼軌接觸時分別減小1.91%，18.47%，2.02%，7.27%。

對比1～4位車輪與9#,3#鋼軌接觸時輪軌間最大脫軌系數(shù)可知，當1～4位車輪與9#鋼軌接觸時輪軌間最大脫軌系數(shù)僅比與3#鋼軌接觸時分別減小0.82%，11.76%，0.68%，7.69%。經周期性廓形打磨可以使輪軌間脫軌系數(shù)保持在較為理想的狀態(tài)，避免因脫軌系數(shù)過大導致鋼軌下道。

2.2.3 平穩(wěn)性

加速度是衡量列車平穩(wěn)性的重要指標。振動會影響到乘客的舒適度和運輸貨物的完整性，振動過大時會影響行車安全[10]。

仿真模擬時未考慮周期性廓形打磨前后軌面不平順，僅對周期性廓形打磨鋼軌廓形變化進行研究。列車通過曲線，1～4位車輪與1#—9#鋼軌接觸時輪軌間最大垂向、橫向加速度變化曲線見圖6。由圖6可知，當車輛運行速度較低時，周期性廓形打磨對列車垂向、橫向加速度影響不明顯。

圖6 輪軌間最大垂向、橫向加速度變化曲線

3 現(xiàn)場打磨效果

3.1 鋼軌軌面狀態(tài)

根據(jù)鋼軌軌面狀態(tài)衡量鋼軌廓形打磨質量。周期性廓形打磨前后鋼軌軌面狀態(tài)變化見圖7?？芍?，通過周期性廓形打磨鋼軌軌面狀態(tài)較為理想。9#鋼軌(累計通過總質量97.47 Mt)軌面狀態(tài)與5#鋼軌(累計通過總質量55.23 Mt)軌面狀態(tài)類似，僅軌距角處有輕微掉塊現(xiàn)象，未出現(xiàn)波磨及大面積掉塊。

圖7 周期性廓形打磨前后鋼軌軌面狀態(tài)變化

3.2 鋼軌側磨速率

鋼軌側磨速率較大是該曲線上股提前下道的重要因素。未經周期性廓形打磨鋼軌上道9個月時側磨量為3 mm，平均側磨速率為0.430 mm/月。通過周期性廓形打磨后鋼軌上道9個月時側磨量僅0.41 mm，平均側磨速率為0.046 mm/月(見圖8),較未經周期性廓形打磨鋼軌側磨速率下降89.3%。

圖8 周期性廓形打磨鋼軌側磨量變化曲線

3.3 軌道質量指數(shù)

軌道質量指數(shù)(Track Quality Index,TQI)是鐵路工務系統(tǒng)衡量鋼軌質量的重要指標，TQI值越小表示鋼軌質量越好。

TQI變化曲線見圖9?？芍?，每次周期性廓形打磨后TQI均顯著降低。第1周期廓形打磨后4#鋼軌TQI較3#鋼軌降低21.43%，第2周期廓形打磨后6#鋼軌TQI較5#鋼軌降低23.76%，第3周期廓形打磨后8#鋼軌TQI較7#鋼軌降低23.67%。

圖9 TQI變化曲線

對比9#和3#鋼軌的TQI可知，經周期性廓形打磨后，9#鋼軌的TQI比3#鋼軌降低30.95%。周期性廓形打磨可以使TQI保持在較為理想的狀態(tài)，從而延長鋼軌使用壽命。

4 結論

1)通過輪軌接觸幾何特性分析可知，每次周期性廓形打磨后輪軌間等效錐度顯著改善，LMa車輪與9#鋼軌接觸時等效錐度比與3#鋼軌接觸時僅小1.58%。經周期性廓形打磨可以使輪軌間等效錐度保持在較為理想的狀態(tài)，有利于列車通過小半徑曲線。

2)從車輛-鋼軌耦合動力學仿真計算結果來看，每次周期性廓形打磨后輪軌間平均磨耗功率、最大脫軌系數(shù)均顯著下降。1～4位車輪與9#鋼軌接觸時輪軌間平均磨耗功率比與3#鋼軌接觸時分別減小0.26%，14.72%，0.01%，12.47%；1～4位車輪與9#鋼軌接觸時最大脫軌系數(shù)比與3#鋼軌接觸時分別減小0.82%，11.76%，0.68%，7.69%。

3)從現(xiàn)場打磨效果來看，周期性廓形打磨使得鋼軌軌面未出現(xiàn)較嚴重的病害，側磨速率顯著降低；每次周期性廓形打磨后軌道質量指數(shù)均有明顯改善，且9#鋼軌軌道質量指數(shù)比3#鋼軌降低30.95%。故周期性廓形打磨可以抑制軌面病害產生，降低側磨速率，改善鋼軌質量，延長其使用壽命。