鋼軌打磨對動車組輪軌匹配及磨耗影響研究

徐 凱, 李 芾, 李金城, 吳 昊

(1. 西南交通大學 機械工程學院, 四川 成都 610031；2. 西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室, 四川 成都 610031)

隨著國家基礎(chǔ)設施和客運網(wǎng)絡的形成，高速鐵路迅猛發(fā)展，但客運量的激增及鋼軌疲勞傷損的增加使得鋼軌出現(xiàn)多種損傷，嚴重影響車輛運行性能及鋼軌使用壽命[1]。動車組在運營過程中，曾多次出現(xiàn)“晃車”現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為構(gòu)架橫向加速度超標及車體異常振動，根據(jù)分析，造成該現(xiàn)象的主要原因為輪軌匹配關(guān)系的變化使得輪軌接觸光帶較寬，且在軌距角附近有輪緣接觸現(xiàn)象發(fā)生，蛇行運動加劇[2]。為解決“晃車”現(xiàn)象，降低鋼軌磨耗及延長鋼軌壽命，對已磨耗鋼軌進行修復性打磨工作，使打磨后的輪軌接觸關(guān)系得到改善，光帶居于鋼軌中部，減少軌距角處的輪緣貼靠現(xiàn)象，使左右輪滾動圓半徑接近，從而緩解車輛運行的蛇行運動[3]。

為得到最佳的輪軌匹配關(guān)系，國內(nèi)外學者對鋼軌打磨廓形的設計進行了許多研究。Magel等[4]以輪對輪徑差為輸入，對鋼軌型面進行優(yōu)化，在進行鋼軌打磨后，有效降低輪軌間的疲勞傷損。Yoshihiko[5]總結(jié)并分析了日本40多年的車輪和鋼軌型面，提出并設計了新的鋼軌型面，大幅降低鋼軌磨耗。Persson 等[6-7]基于遺傳算法對瑞典地鐵鋼軌型面進行優(yōu)化并輕微打磨，使得輪軌損傷速率得到遏制，極大延長了鋼軌的使用壽命。Choi等[8]基于遺傳算法優(yōu)化設計的鋼軌型面大幅降低了鋼軌曲線段的磨耗。陳國慶[9]基于實測數(shù)據(jù)，分析輪軌踏面匹配問題，按照優(yōu)化后鋼軌型面進行打磨，有效降低鋼軌磨耗。王文健等[1]通過對廣深鐵路鋼軌磨損的研究，提出非對稱打磨，有效降低鋼軌病害。崔大賓等[10-13]利用序列二系規(guī)劃的方法求解得到降低接觸應力的鋼軌型面。郭戰(zhàn)偉[14]基于輪軌蠕滑最小化提出通過鋼軌打磨改善輪軌接觸及降低鋼軌疲勞損傷。吳仁義[15]基于斜率差最小法對鋼軌廓形進行優(yōu)化設計，提高輪軌間“共形度”并降低其接觸應力。

以上研究結(jié)果對鋼軌打磨廓形的優(yōu)化設計做出了卓越貢獻，但缺少根據(jù)實際情況的輪軌接觸、磨耗分析以及打磨后線路的跟蹤調(diào)研?；诖耍疚囊詫崪y動車組車輪廓形、標準軌面、磨耗軌面及打磨軌面為分析對象，基于輪軌接觸關(guān)系、磨耗以及跟蹤調(diào)研打磨后鋼軌表面狀態(tài)，對鋼軌打磨效果進行評估，以期對鋼軌打磨作業(yè)提出一定的指導作用。

1 輪軌接觸關(guān)系

輪軌接觸關(guān)系直接影響到車輛運行性能，為使計算結(jié)果更加趨近于現(xiàn)實，針對運行在線路上的車輛，利用廓形測量儀對車輪進行廓形采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理與初步分析，并選取其中一個作為輸入，根據(jù)選取的車輪型面與軌道型面的匹配關(guān)系，抽取廓形樣本已能代表整體車輪，滿足計算要求。部分車輪型面見圖1。

為研究打磨后鋼軌對車輛運行及輪軌磨耗的影響，在同一直線段上選擇具有代表性的2段鋼軌進行處理，其中一段作為打磨段進行打磨，另一段作為對比段不進行任何處理，以便追蹤調(diào)研時與打磨段進行對比。選取的磨耗軌面及打磨后軌面表面狀態(tài)見圖2。

從打磨前鋼軌表面狀態(tài)可以看出，輪軌接觸光帶較寬，軌頭部分發(fā)生了疲勞損傷，且在軌距角附近有接觸發(fā)生，出現(xiàn)了2點接觸的現(xiàn)象，鋼軌表面存在明顯的雙光帶現(xiàn)象，產(chǎn)生了較為明顯的磨耗；鋼軌進行打磨時，對鋼軌表面進行處理，并針對其軌距角處多點接觸進行了打磨，打磨后軌距角較打磨前低，軌頭表面更加光滑。

輪軌接觸點對的分布對于車輪磨耗在橫向上的分布影響很大，過度集中的接觸點勢必造成車輪磨耗的集中，對其使用壽命不利。當車輪相對于鋼軌的橫移量為零時，踏面與磨耗軌面和打磨軌面匹配時的輪軌接觸點對見圖3。

由輪軌接觸點分布圖3(a)可以看出，與圖2中打磨前軌道光帶相同，踏面與磨耗軌面的接觸分布區(qū)域較廣，易形成較寬的光帶，且在軌距角附近存在接觸，運行過程車輛發(fā)生橫移時易發(fā)生2點接觸現(xiàn)象，造成車輛運行指標異常的現(xiàn)象。經(jīng)打磨(圖3(b))，其接觸點對集中于軌面中間，而不是原來的軌距角附近，避免了運行過程中發(fā)生2點接觸的現(xiàn)象，能有效地減少軌道的側(cè)磨，達到了在直線線路鋼軌上的輪軌接觸光帶居中的目標。

2 靜態(tài)接觸分析

利用在Kalker的三維彈性體非Hertz滾動接觸理論上開發(fā)的CONTACT程序、彈性力學中的Bossinesq-Cerruti力-位移公式和Gauss-9數(shù)值積分方法，對輪軌進行靜力學分析。計算參數(shù)取軌距為1 435 mm，輪對內(nèi)側(cè)距為1 353 mm，車輪滾動圓半徑為460 mm，軌底坡取為1/40，輪對橫移量為0～10 mm，輪重W=15×9.8/2=73.5 kN，摩擦因數(shù)f=0.3，輪軌材料切變模量G0=82 GPa，泊松比υ=0.28。計算中忽略車輪材料因素的影響。

對車輪滾動半徑，接觸斑面積，最大接觸應力和摩擦功進行分析，計算結(jié)果見圖4。

由圖4分析結(jié)果可以看出，由于軌頭中間部分形狀相同，車輪滾動半徑在輪對橫移量較小時3種軌面無明顯差異，隨著橫移量的增大，車輪滾動半徑的差異隨之增大，打磨后軌面的變化最小，這是因為對軌距角處的打磨，使得發(fā)生輪緣接觸時的橫向間隙變大，不易發(fā)生2點接觸現(xiàn)象；磨耗軌面的接觸區(qū)域分布較廣使其接觸斑面積較大，由于輪軌間壓力相同，故其最大接觸應力較小，反之打磨后鋼軌由于其輪軌接觸集中于軌面中央，接觸斑面積較小，故其接觸應力較大，易產(chǎn)生接觸部位較大的垂磨；從摩擦功計算結(jié)果可以看出，在輪對橫移量較小時，摩擦功差異較小，但隨著輪對橫移量的增大，標準軌面和磨耗軌面的磨耗功明顯增大，與車輪滾動半徑變化趨勢一致，打磨后軌面雖接觸應力較大，接觸處垂磨較大，但由于接觸部位集中，磨耗量較打磨前更小。

3 動態(tài)特性分析

為研究磨耗鋼軌及打磨后鋼軌對車輛系統(tǒng)的動態(tài)影響，運用SIMPACK多體動力學軟件建立車輛系統(tǒng)動力學模型，基于UIC 518：2009標準[16]推薦的運行穩(wěn)定性及振動加速度的評估方法，對比分析鋼軌打磨前后車輛運行穩(wěn)定性及振動加速度，并對其磨耗功進行分析。

在UIC 518：2009中，根據(jù)輪軌導向力之和及構(gòu)架橫向振動加速度來判定車輛的穩(wěn)定性。

每根輪軸的輪軌導向力之和∑Y的最大值評定標準為

(∑Y)lim=α(10+P0/3)

( 1 )

式中:P0為靜態(tài)軸重;對于客車，α=1。

對于構(gòu)架橫向振動加速度，應在100 m范圍內(nèi)，以10 m為窗口對其均方根(Root Mean Square,RMS)值進行滑動平均，加速度最大值限值為

( 2 )

對于車體橫向振動加速度，規(guī)定其最大值應小于2.5 m/s2。

根據(jù)所建立的動力學模型，利用軌檢車測量的不平順作為軌道激勵輸入，對其穩(wěn)定性、振動加速度及磨耗功進行分析，其導向力之和、構(gòu)架和車體橫向加速度及磨耗功結(jié)果見圖5。

由圖5計算結(jié)果可見，打磨后軌面由于軌距角經(jīng)打磨后較之前低，使得軌頭圓弧半徑變小，曲率變大，等效錐度變小，故輪軌導向力之和∑Y和構(gòu)架橫向振動加速度較打磨前小，其車輛運行穩(wěn)定性得到改善；由于打磨后軌面的輪軌接觸光帶居中，發(fā)生橫移時的滾動圓半徑變化小，其橫向振動加速度趨于優(yōu)化；對于整車磨耗功，在低速時其結(jié)果趨于接近，在速度較高時，打磨軌面的磨耗功優(yōu)于磨耗軌面的數(shù)值。

4 損傷函數(shù)分析

車輪滾動疲勞損傷模型是英國鐵路安全和標準委員會(RSSB)于2007年基于鋼軌完整壽命模型及接觸斑能量耗散磨耗數(shù)發(fā)展得到的損傷函數(shù)，并在與大量現(xiàn)場實測結(jié)果的對比中驗證了其可靠性。該模型根據(jù)輪軌間縱、橫向蠕滑力,縱、橫向蠕滑率對車輪滾動接觸疲勞,磨耗與疲勞的關(guān)系提出預測，其磨耗數(shù)Tγ的定義為

Tγ=Txγx+Tyγy

( 3 )

式中：T為蠕滑力；γ為輪軌間蠕滑率；x、y代表縱向和橫向。

隨磨耗數(shù)Tγ變化的損傷函數(shù)見圖6，主要參數(shù)列于表1。

表1 損傷函數(shù)參數(shù)

名稱數(shù)值名稱數(shù)值裂紋初始值/N20磨耗初始值/N100裂紋產(chǎn)生速率/(轉(zhuǎn)·N-1)3.6×10-6磨耗產(chǎn)生速率/(轉(zhuǎn)·N-1)-5.4×10-6

計算中，利用Tγ計算車輪運行方向與縱向蠕滑力方向相反時的裂紋損傷，而磨耗損傷則與方向無關(guān)，裂紋損傷和磨耗損傷之和為該位置的滾動接觸疲勞損傷。

利用SIMPACK計算得出的輪軌接觸點位置，接觸橢圓半軸長度和縱、橫向蠕滑力、蠕化率輸入編制的損傷程序進行滾動疲勞分析，其計算流程見圖7。

根據(jù)計算所得的鋼軌打磨前后車輪損傷分布曲線見圖8。

由圖8分析結(jié)果表明，由于鋼軌打磨前與車輪接觸區(qū)域較大，故其車輪損傷面積較廣，總損傷值較大；鋼軌打磨后與車輪的接觸區(qū)域小，其接觸應力大，故其損傷面積較小，但接觸位置局部損傷值較大，在運行過程中會發(fā)生較大垂磨，接觸光帶會逐漸變寬，但其總磨耗量較打磨前小。

5 跟蹤測量分析

為驗證鋼軌打磨效果，對打磨段和對比段進行跟蹤測量分析，提取打磨后6個半月的鋼軌表面狀態(tài)與未打磨6個半月鋼軌表面狀態(tài)進行對比，現(xiàn)場測量結(jié)果見圖9。

從打磨后鋼軌表面狀態(tài)可知，直線光帶寬度在35～40 mm之間，且位置良好，軌距角橫向裂紋已經(jīng)消除；打磨后一段時間的鋼軌狀態(tài)，由于接觸點對的集中，造成其接觸位置垂磨較大，光帶明顯較剛打磨后寬，其接觸面積變大，但依然沒有2點接觸現(xiàn)象發(fā)生。從對比軌的表面狀態(tài)可知，左軌軌距角出現(xiàn)淺層魚鱗紋及剝落現(xiàn)象，左右軌面均為滿光帶，且依然可見明顯的2點接觸現(xiàn)象。因此，通過對打磨后鋼軌及對比軌的跟蹤測量，鋼軌打磨效果較好，達到了使輪軌接觸光帶居中的效果，避免了2點接觸的現(xiàn)象，減小了鋼軌損傷，對延長鋼軌壽命起到了促進作用。

6 結(jié)論

通過對打磨前后鋼軌進行實測分析和跟蹤測量，利用CONTACT、SIMPACK以及MATLAB程序?qū)Υ蚰バЧM行評估，得出以下結(jié)論。

(1) 打磨后鋼軌與車輪接觸點分布集中于滾動圓附近，使接觸面積變小，接觸光帶居中，但造成接觸應力較大，易產(chǎn)生較大垂磨。

(2) 鋼軌經(jīng)過打磨后，其等效錐度減小，車輛運行穩(wěn)定性得到改善且其振動加速度趨于優(yōu)化，一定程度上解決了構(gòu)架橫向振動加速度超標報警的問題。

(3) 從跟蹤測量結(jié)果看，打磨效果較好，在打磨一定時間后接觸光帶依然居中，解決了多點接觸的問題，對延長鋼軌壽命起到了促進作用，但隨著時間的增長，由于滾動圓附近垂磨的影響，接觸面積逐步增大，接觸光帶隨之增大