道岔鋼軌病害打磨對高速列車動力學(xué)性能影響研究

楊逸航，肖 乾

（1.中鐵物軌道科技服務(wù)集團有限公司，北京100037； 2. 華東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室，江西 南昌330013）

隨著我國高鐵開通運營時間的延長，部分高速道岔鋼軌出現(xiàn)了魚鱗紋、掉塊、軌頭踏面壓寬、垂直磨耗和側(cè)面磨耗等一系列問題，影響了高速道岔的使用壽命及軌道平順性[1]。鋼軌打磨作為極具針對性的鋼軌病害處理方法，已被廣泛用于全路各類不同線路中[2]。

現(xiàn)如今國內(nèi)諸多學(xué)者對鋼軌打磨進行研究。 研究表明鋼軌預(yù)打磨能夠有效改善軌面不平順狀態(tài)。 池茂儒[3]建立動車組車輛多體動力學(xué)模型,仿真分析了軌肩過度打磨和軌頭過度打磨對輪軌接觸匹配關(guān)系、車輛穩(wěn)定性及車輛運行品質(zhì)的影響。宗聰聰[4]對道岔基本軌和尖軌部分打磨廓形優(yōu)化進行設(shè)計，并引入踏面跳躍點橫向間距作為優(yōu)化控制條件。樊文剛[5]通過調(diào)查表明鋼軌打磨是當(dāng)前國內(nèi)外公認(rèn)的去除表面損傷和缺陷、抑制滾動接觸疲勞、改善輪軌匹配關(guān)系、延長鋼軌使用壽命、提高列車運行平穩(wěn)性、安全性以及乘客舒適度的有效和通用手段。

高鐵道岔直股鋼軌由5 段不同鋼軌焊接而成，如圖1 所示，分為岔前、岔中及岔后區(qū)域，選取京滬高鐵1 組道岔進行鋼軌病害打磨研究試驗，由于主要鋼軌病害均在道岔直股，未對道岔曲股進行打磨， 故本文僅對道岔直股進行研究。通過分析道岔打磨前后輪軌幾何關(guān)系，并建立車輛—道岔耦合無砟軌道系統(tǒng)動力分析模型，研究對比打磨前后高速列車動力學(xué)特性。

圖1 高速鐵路道岔示意圖Fig 1 High-speed railway turnout diagram

1 現(xiàn)場打磨跟蹤觀測

1.1 鋼軌廓形變化

圖2 為道岔打磨前后岔前、岔中及岔后鋼軌廓形，由圖可知，打磨前岔前、岔中及岔后鋼軌廓形均有差異，由于鋼軌病害打磨著重是對軌距角處魚鱗傷進行處理，打磨后岔前、岔中及岔后鋼軌廓形仍有較大差異，且打磨后岔前、岔中及岔后鋼軌工作邊均出現(xiàn)明顯棱角。

1.2 鋼軌軌面狀態(tài)變化

圖3 為道岔打磨前后道岔鋼軌軌面狀態(tài)變化，由圖可知，打磨前鋼軌軌距角處魚鱗傷較為明顯，光帶較寬，打磨后岔前、岔中及岔后軌面魚鱗傷消除，但軌面出現(xiàn)雙光帶現(xiàn)象，輪軌關(guān)系未能得到改善。

圖3 道岔鋼軌打磨前后軌面狀態(tài)Fig.3 Turnout rail surface before and after grinding

2 輪軌接觸幾何分析

輪軌接觸幾何關(guān)系對輪軌動力學(xué)特性影響很大，等效錐度是輪軌幾何接觸中的重要參數(shù)[6]。當(dāng)LMa 車輪踏面與鋼軌接觸時，等效錐度變化范圍為0.026～0.041 較為理想[7]。 表1 為LMa 型踏面與道岔打磨前后鋼軌匹配時等效錐度變化，由表可知，打磨前岔前、岔中、岔后鋼軌等效錐度均在理想范圍以內(nèi)，但通過對病害的打磨，鋼軌廓形產(chǎn)生較大變化，打磨后岔前等效錐度較打磨前增大31.25%，打磨后岔中及岔后等效錐度較打磨前分別減小54.38%，68.29%，且均未在理想范圍以內(nèi)，故道岔通過鋼軌病害打磨后，輪軌關(guān)系未得到改善。

表1 打磨前后等效錐度變化Tab.1 Equivalent conicity before and after grinding

3 車輛—道岔耦合動力學(xué)模型建立

依據(jù)動車組懸掛參數(shù)，在動力學(xué)軟件UM 中建立動車組車輛精細(xì)模型。 考慮車體轉(zhuǎn)向架橫向、豎向、側(cè)滾、點頭、搖頭運動以及輪對橫向、豎向、側(cè)滾、搖頭運動，包括1 個車體、2 個構(gòu)架、4 條輪對和8 個軸箱總計15 個剛體。其中，車體、構(gòu)架、輪對各有6 個自由度，軸箱相對輪對有1 個轉(zhuǎn)動自由度，共有50 個自由度。模型充分考慮非線性輪軌接觸幾何關(guān)系、非線性輪軌蠕滑特性及非線性車輛懸掛系統(tǒng)。 二系空氣彈簧分別采用線性彈簧力元模擬，同時考慮阻尼性質(zhì)。 轉(zhuǎn)臂節(jié)點采用特殊力元模擬。 建模過程中充分考慮輪軌接觸幾何，橫向止檔，懸掛力元等非線性特性。

表2 車體自由度Tab.2 Vehicle body freedom

車輛模型中各自由度上的動力學(xué)方程統(tǒng)一表示形式如下

車輪踏面類型為LMA，采用輪軌非橢圓多點接觸算法（即K-P 算法）計算蠕滑力。同時將上述擬合處理好后的道岔線型輸入至軟件中， 如圖4所示為車輛—道岔耦合無砟軌道系統(tǒng)動力分析模型。

圖4 車輛—道岔耦合動力學(xué)模型Fig.4 Vehicle-turnout coupling dynamic model

4 車輛通過道岔的動力學(xué)特性分析

利用高速鐵路車輛—道岔耦合無砟軌道系統(tǒng)動力分析模型，模擬仿真動車組單節(jié)車輛分別在沒有激勵的條件下，以100，200，300 km/h 及400 km/h 的速度通過打磨前后道岔，研究分析道岔鋼軌病害打磨對高速列車動力學(xué)性能影響。

4.1 輪軌相互作用

1） 輪軌橫向力。表3 為高速列車通過打磨前后道岔岔前、岔中及岔后時，輪軌橫向力峰值變化。由表可知，通過道岔鋼軌病害打磨后，當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔前時，橫向力峰值分別降低5.95%，20.93%，25.89%，26.56%； 當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔中時，橫向力峰值分別降低71.46%，83.30%，92.13%，93.84%； 當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔后時，橫向力峰值分別增加90.69%，79.84%，57.02%，51.54%。故通過道岔鋼軌病害打磨后，列車通過道岔岔前及岔中輪軌橫向力顯著降低，但列車通過道岔岔后時輪軌橫向力峰值顯著增大。

2） 輪軌垂向力。表4 為高速列車通過打磨前后道岔岔前、岔中及岔后時，輪軌垂向力峰值變化。由表可知，通過道岔鋼軌病害打磨后，列車通過道岔時輪軌垂向力變化較小，幾乎未有改變。

3） 輪軌磨耗功。表5 為高速列車通過打磨前后道岔岔前、岔中及岔后時，輪軌磨耗功峰值變化。由表可知，通過道岔鋼軌病害打磨后，當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔前時，磨耗功峰值分別增加8.87%，14.14%，18.31%，16.99%； 當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔中時，磨耗功峰值分別降低97.94%，98.39%，98.18%，97.96%； 當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔后時，磨耗功峰值分別降低49.76%，28.49%，18.06%，32.66%。故通過道岔鋼軌病害打磨后，列車通過道岔岔前時輪軌磨耗功顯著增大，列車通過道岔岔中及岔后時輪軌磨耗功顯著減小。

表3 打磨前后輪軌橫向力峰值變化Tab.3 Maximum value of wheel/rail transverse force before and after grinding kN

表4 打磨前后輪軌垂向力峰值變化Tab.4 Maximum value of wheel/rail vertical force before and after grinding kN

表5 打磨前后輪軌磨耗功峰值變化Tab.5 Maximum value changes of wheel/rail wear power before and after grinding W

4.2 車輛運行安全性

車輛運行安全性主要涉及車輛的臨界速度，脫軌等問題，Nadal 脫軌系數(shù)及輪重減載率是判斷列車運行安全性的主要參數(shù)[8]。

1） 輪重減載率。表6 為高速列車通過打磨前后道岔岔前、岔中及岔后時，輪重減載率峰值變化。由表可知，通過道岔鋼軌病害打磨后，當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔前時，輪重減載率峰值分別增加29.55%，50.93%，41.52%，36.04%； 當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔前時，輪重減載率峰值分別減小23.02%，12.24%，12.91%，4.16%；當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔后時，輪重減載率峰值分別減小11.16%，5.61%，4.88%，4.13%。故通過道岔鋼軌病害打磨后，列車通過道岔岔前時輪重減載率顯著增大，列車通過道岔岔中及岔后時輪重減載率顯著減小。

表6 打磨前后輪重減載率峰值Tab.6 Maximum value of wheel weight reduction before and after grinding

2） 脫軌系數(shù)。 表7 為高速列車通過打磨前后道岔岔前、岔中及岔后時，脫軌系數(shù)峰值變化。 由表可知，通過道岔鋼軌病害打磨后，當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔前時，脫軌系數(shù)峰值分別增加54.25%，69.66%，92.19%，119.31%； 當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔中時，脫軌系數(shù)峰值分別降低81.34%，77.09%，72.68%，82.91%； 當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔后時，脫軌系數(shù)峰值沒有明顯變化。故通過道岔鋼軌病害打磨后，列車通過道岔岔前時脫軌系數(shù)顯著增大，但列車通過道岔岔中時脫軌系數(shù)顯著減小。

表7 打磨前后脫軌系數(shù)峰值Tab.7 Maximum value of derailment coefficient before and after grinding

4.3 車輛運行平穩(wěn)性

1） 車體振動加速度。 表8 為高速列車通過打磨前后道岔岔前、岔中及岔后時，車體橫向加速度峰值變化。由表可知，通過道岔鋼軌病害打磨后，當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔前時，車體橫向加速度峰值分別增加29.71%，3.68%，20.09%，18.73%；當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h速度通過岔中時，車體橫向加速度峰值分別降低65.69%，63.89%，59.17%，61.34%；當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔后時，車體橫向加速度峰值分別增加128.06%，18.43%，68.58%，91.44%。 故通過道岔鋼軌病害打磨后，列車通過道岔岔前及岔后時車體橫向加速度峰值顯著增大，列車通過道岔岔中時車體橫向加速度峰值顯著減小。

表8 車體橫向加速度峰值變化Tab.8 Maximum value of vehicle body lateral acceleration before and after grinding m/s2

表9 為高速列車通過打磨前后道岔岔前、岔中及岔后時，車體垂向加速度峰值變化。 由表可知，通過道岔鋼軌病害打磨后，當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔前時，車體垂向加速度峰值未有明顯變化；當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔中時，車體垂向加速度峰值分別降低58.63%，69.48%，75.08%，80.75%；當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔后時，車體垂向加速度峰值未有明顯變化。 故通過道岔鋼軌病害打磨后，列車通過道岔岔前及岔后時，車體垂向加速度峰值幾乎未有明顯變化，但列車通過道岔岔中時車體垂向加速度峰值顯著減小。

表9 車體垂向加速度峰值變化Tab.9 Maximum value of vehicle body vertical acceleration before and after grinding m/s2

2） 構(gòu)架振動加速度。 表10 為高速列車通過打磨前后道岔岔前、岔中及岔后時，構(gòu)架橫向加速度峰值變化。由表可知，通過道岔鋼軌病害打磨后，當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔前時，構(gòu)架橫向加速度峰值分別增加0.86%，13.64%，18.63%，22.85%；當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h速度通過岔中時， 構(gòu)架振動加速度峰值分別降低97.56%，96.75%，96.19%，95.79%； 當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔后時， 構(gòu)架振動加速度峰值分別降低26.69%，24.75%，23.22%，23.24%。故通過道岔鋼軌病害打磨后，列車通過道岔岔前時構(gòu)架橫向加速度峰值顯著增加，列車通過道岔岔中及岔后時構(gòu)架橫向加速度峰值顯著減小。

表11 高速列車通過打磨前后道岔岔前、岔中及岔后時，構(gòu)架垂向加速度峰值變化。由表可知，通過道岔鋼軌病害打磨后，當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔前時，構(gòu)架垂向加速度峰值分別增加79.92%，40.53%，23.92%，10.34%；當(dāng)列車分別以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通過岔中時，構(gòu)架垂向加速度峰值分別降低79.75%，86.34%，89.89%，91.46%； 當(dāng)列車分別以100，200，300km/h 及400km/h 速度通過岔后時，構(gòu)架垂向加速度峰值未有明顯變化。故通過道岔鋼軌病害打磨后，列車通過道岔岔前時構(gòu)架垂向加速度峰值增加，列車通過道岔岔中時構(gòu)架垂向加速度峰值減小。

表10 構(gòu)架橫向加速度峰值變化Tab.10 Maximum value of bogie frame lateral acceleration before and after grinding m/s2

表11 構(gòu)架垂向加速度峰值變化Tab.11 Bogie frame vertical acceleration maximum value before and after grinding m/s2

5 結(jié)論

本文選取京滬高鐵上1 組道岔進行道岔鋼軌病害打磨試驗，通過跟蹤觀測打磨前后道岔岔前、岔中及岔后軌面狀態(tài)，并分析打磨前后輪軌幾何關(guān)系，建立車輛—道岔耦合無砟軌道系統(tǒng)動力模型，研究對比打磨前后高速列車動力學(xué)特性。 綜上，可以得到以下結(jié)論：

1） 通過現(xiàn)場跟蹤觀測可知，打磨后岔前、岔中及岔后鋼軌廓形仍有較大差異，鋼軌工作邊均出現(xiàn)明顯棱角，軌面魚鱗傷消除，但出現(xiàn)明顯雙光帶現(xiàn)象；

2） 通過輪軌接觸幾何分析可知，打磨后岔前等效錐度增大，岔中及岔后等效錐度均減小，且均未在理想范圍以內(nèi)，輪軌接觸幾何關(guān)系較差；

3） 通過動力學(xué)特性分析可知，打磨后列車通過岔中區(qū)域時，列車輪軌作用力、車輛運行安全性及車輛運行平穩(wěn)性得到較好的改善，但列車通過岔前及岔后區(qū)域時，列車輪軌作用力、車輛運行安全性及車輛運行平穩(wěn)性未能得到改善。

故只對道岔鋼軌進行病害打磨，鋼軌狀態(tài)、輪軌接觸幾何特性及車輛動力學(xué)特性難以得到較為明顯改善，建議對道岔鋼軌打磨時，不應(yīng)該僅僅對鋼軌工作邊打磨處理，需要對鋼軌非工作邊也進行打磨，在降低工作邊同時，使得非工作邊也降低，輪軌接觸等效錐度將維持在理想范圍，列車輪軌關(guān)系及運行品質(zhì)也能得到改善。