大西高速鐵路鋼軌廓形偏差管理及影響研究

郭猛剛

(北京鐵福軌道維護(hù)技術(shù)有限公司, 北京100036)

為改善我國高速鐵路輪軌匹配關(guān)系，提高動(dòng)車組運(yùn)行品質(zhì)，避免動(dòng)車組出現(xiàn)橫向加速度報(bào)警和晃車，以60 kg/m鋼軌 (簡稱60鋼軌)為原形，按照盡量少改動(dòng)原鋼軌幾何尺寸的原則，對鋪設(shè)60鋼軌的高速鐵路進(jìn)行鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)。經(jīng)過多年對輪軌關(guān)系的研究，根據(jù)輪軌接觸理論，設(shè)計(jì)出適合高速鐵路鋼軌打磨的目標(biāo)設(shè)計(jì)廓形[1]。現(xiàn)場鋼軌打磨需對鋼軌目標(biāo)廓形進(jìn)行廓形偏差控制管理，以達(dá)到理想的打磨目標(biāo)[2]?，F(xiàn)場打磨施工環(huán)境復(fù)雜，且磨石與鋼軌的磨削作用屬于粗磨加工，易造成現(xiàn)場鋼軌與目標(biāo)廓形存在偏差。不同高速鐵路動(dòng)車組運(yùn)用情況不同，對鋼軌廓形的偏差要求也不同，本文結(jié)合大西高速鐵路的實(shí)際運(yùn)用情況，對現(xiàn)場鋼軌廓形偏差進(jìn)行研究，對比分析廓形偏差對輪軌關(guān)系及動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能的影響，進(jìn)而對實(shí)際廓形偏差的管理限值提出建議。

1 國內(nèi)外鋼軌廓形偏差管理方法

鋼軌幾何廓形尺寸作為衡量高速鐵路鋼軌打磨質(zhì)量的關(guān)鍵因素，直接影響動(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)。為規(guī)范高速鐵路鋼軌打磨作業(yè)，國內(nèi)外均制定了鋼軌廓形偏差的管理方法。

(1)國內(nèi)規(guī)范

鐵總運(yùn)[2014]357號(hào)《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》[3]對高速鐵路鋼軌廓形打磨的質(zhì)量驗(yàn)收作了詳細(xì)規(guī)定。其規(guī)定的廓形分析比對方法為：在Y/Z坐標(biāo)系內(nèi)以軌頂切線為基準(zhǔn)，實(shí)際廓形與目標(biāo)廓形軌頂最高點(diǎn)上下對齊，在Z-16處對齊(若Z-16處發(fā)生側(cè)磨，則在工作邊未發(fā)生側(cè)磨的側(cè)邊對齊)。鋼軌廓形比對及偏差分析如圖1所示，不同等級(jí)線路鋼軌打磨廓形偏差驗(yàn)收要求如表1所示。

圖1 國內(nèi)鋼軌廓形比對及偏差分析圖

表1 鋼軌廓形偏差等級(jí)表

(2)歐盟標(biāo)準(zhǔn)

歐盟《鐵路應(yīng)用.軌道.工程驗(yàn)收.鋼軌輪廓修理驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[4]標(biāo)準(zhǔn)廓形數(shù)據(jù)分析的要求為：將測量剖面與參考剖面在Y+5和Z-14處對齊，比較每1處測量位置鋼軌實(shí)測廓形和目標(biāo)參考廓形在軌頭工作邊Y-30、Y-25和Y+14 位置的偏差。廓形偏差驗(yàn)收方法如圖2所示(歐洲標(biāo)準(zhǔn)鋼軌內(nèi)側(cè)坐標(biāo)為負(fù)，鋼軌外側(cè)坐標(biāo)為正，與國內(nèi)相反)。同時(shí)規(guī)定了0.6 mm、1.0 mm和1.7 mm 3個(gè)鋼軌打磨偏差等級(jí)，對于每 1個(gè)等級(jí)，還規(guī)定了偏差范圍(劃分為正公差和負(fù)公差)，測量結(jié)果偏差超出規(guī)定范圍的百分比不得超過要求。

圖2 歐盟/德鐵標(biāo)準(zhǔn)廓形偏差驗(yàn)收方法圖

(3)德國鐵路標(biāo)準(zhǔn)

德國鐵路標(biāo)準(zhǔn) Ril824.8310的鋼軌廓形分析方法與歐盟標(biāo)準(zhǔn)相同(如圖2所示)，廓形比對時(shí)，將實(shí)測廓形與目標(biāo)廓形的Z-14和Y+5位置調(diào)整對齊。其中Z-14 mm位置應(yīng)往外至少70°的切線延展伸出。徑向于鋼軌表面方向上，應(yīng)檢查鋼軌內(nèi)側(cè)Y-25和Y-30之間是否符合表 2中的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)值。鋼軌外側(cè)，軌頭橫向剖面從Y+14開始在公差欄中切線伸出。特征曲線的偏差在Y+14時(shí)最多可超過-0.3 mm，不能出現(xiàn)正偏差。

表2 德鐵鋼軌工作側(cè)廓形偏差要求表

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)規(guī)范對鋼軌廓形偏差的管理與歐盟標(biāo)準(zhǔn)和德鐵標(biāo)準(zhǔn)略有不同。國內(nèi)高速鐵路里程長，運(yùn)用動(dòng)車組型號(hào)較多，為更好地指導(dǎo)工務(wù)部門對鋼軌廓形的管理，規(guī)范對不同等級(jí)廓形偏差的管理相對嚴(yán)格，對鋼軌內(nèi)外側(cè)、正負(fù)偏差均作了明確規(guī)定。在規(guī)定偏差等級(jí)的情況下，歐盟標(biāo)準(zhǔn)對鐵路鋼軌廓形正負(fù)偏差的管理更為靈活。德鐵標(biāo)準(zhǔn)對鋼軌廓形偏差的管理思路與國內(nèi)相同，也對鋼軌內(nèi)外側(cè)偏差作了規(guī)定，但偏差管理限值要求與國內(nèi)不同。

2 鋼軌廓形偏差與輪軌關(guān)系

2.1 鋼軌廓形的不同偏差

高速鐵路現(xiàn)場鋼軌自然磨耗以垂直磨耗為主，鋼軌廓形偏差主要集中表現(xiàn)在鋼軌與車輪輪緣接觸的軌肩內(nèi)側(cè)邊+20～+25 mm位置處[5]。為更加直觀地了解鋼軌工作邊廓形偏差對現(xiàn)場動(dòng)車組運(yùn)用情況的影響，本文以大西高速鐵路鋼軌的運(yùn)用廓形60D為研究對象，定量分析了鋼軌廓形偏差對輪軌匹配和各型動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能的影響，進(jìn)而得到鋼軌偏差允許限值的允許范圍。

以60D鋼軌廓形為基礎(chǔ)，固定軌頂位置和軌距點(diǎn)位置(Z-16)對齊，在鋼軌廓形工作邊0～+30 mm范圍內(nèi)(最大偏差在+25 mm處)，以0.2 mm偏差精度，數(shù)據(jù)點(diǎn)差值擬合構(gòu)造不同偏差量的廓形數(shù)據(jù)，構(gòu)造偏差范圍為 -1～+1 mm。

2.2 現(xiàn)場實(shí)測車輪踏面分析

大西高速鐵路設(shè)計(jì)速度250 km/h，主要運(yùn)用車型為CRH5A、CRH2A和CRH380A型號(hào)動(dòng)車組。為更加全面地對比不同型號(hào)動(dòng)車組對現(xiàn)場鋼軌偏差度的適應(yīng)性，本文選取了大西高速鐵路運(yùn)用動(dòng)車組的新輪和磨耗輪兩種不同狀態(tài)的車輪踏面廓形進(jìn)行分析。其中，CRH5A型動(dòng)車組新輪采用XP55型踏面，CRH2A和CRH380A型動(dòng)車組新輪采用LMA型踏面。對于磨耗輪，為盡可能排除不同踏面磨耗量的影響，選取鏇輪前的實(shí)測踏面。其中，LMA磨耗輪踏面磨耗量為0.813 mm，輪緣磨耗為3.335 mm；XP55磨耗輪踏面磨耗量為1.231 mm，輪緣磨耗為1.539 mm，如圖3、圖4所示。

圖3 LMA磨耗輪磨耗圖

圖4 XP55磨耗輪磨耗圖

2.3 輪軌關(guān)系對比

鋼軌廓形的偏差量直接影響輪軌幾何匹配關(guān)系，輪軌匹配等效錐度是影響車輛動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵因素[6]。本文對不同踏面狀態(tài)車輪與不同偏差的鋼軌輪軌接觸關(guān)系情況進(jìn)行了對比。其中對LMA新輪、LMA磨耗輪、XP55新輪和XP55磨耗輪不同車輪踏面與不同偏差的60D鋼軌廓形匹配時(shí)的等效錐度進(jìn)行了計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同踏面與60D偏差鋼軌匹配的等效錐度圖

從圖5可以看出：(1)LMA新輪和XP55新輪狀態(tài)下，鋼軌偏差對等效錐度的影響不大。只有在正偏差大于0.6 mm以后，LMA和XP55新輪的等效錐度才有所上升，但在正偏差1 mm的范圍內(nèi)也低于0.1；(2)鋼軌偏差對磨耗輪的等效錐度影響較大，尤其是XP55磨耗輪，在正偏差大于0.4 mm后，等效錐度明顯上升，超過了0.35。LMA磨耗踏面的等效錐度在正偏差大于0.6 mm以后也有所上升。

LMA標(biāo)準(zhǔn)車輪、XP55標(biāo)準(zhǔn)輪與+0.4 mm和-0.4 mm偏差的鋼軌廓形及標(biāo)準(zhǔn)60D鋼軌廓形匹配時(shí)的輪軌接觸關(guān)系如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)鋼軌廓形內(nèi)側(cè)負(fù)偏差時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)位置偏向于軌頂部分和踏面外側(cè)，這部分的斜度較小，因此等效錐度也較低。反之，在正偏差情況下，輪軌接觸點(diǎn)位置偏向于軌肩部分和踏面輪緣部分，這部分的斜度大，因此等效錐度明顯變大。鋼軌負(fù)偏差時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)相對比較集中，因此接觸帶寬較小。隨著偏差由負(fù)向正偏差增大，接觸帶寬有增大的趨勢。

圖6 輪軌接觸關(guān)系圖

3 鋼軌廓形偏差與動(dòng)力學(xué)性能

為分析不同鋼軌廓形偏差對動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能的影響，本文建立了CRH5A、CRH2A和CRH380A型動(dòng)車組的非線性數(shù)學(xué)模型，然后對不同動(dòng)車組車的不同磨耗狀態(tài)車輪在-1～1 mm不同偏差鋼軌上運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性、舒適度進(jìn)行分析對比。

3.1 動(dòng)力學(xué)模型

動(dòng)車組是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，不僅有各部件之間的相互作用力和相對運(yùn)動(dòng)，還有輪軌之間的相互作用關(guān)系。本文在多體動(dòng)力學(xué)軟件 Simpack 中建立了實(shí)參數(shù)車輛-軌道多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，變參為不同廓形偏差的鋼軌與不同磨耗狀態(tài)的動(dòng)車組車輪，同時(shí)將實(shí)測線路高低不平順作為軌道譜施加到模型中作為原始激勵(lì)。

3.2 平穩(wěn)性對比分析

動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果表明：

(1)新輪狀態(tài)下，CRH5A型動(dòng)車組在不同偏差鋼軌運(yùn)行時(shí)的橫向平穩(wěn)性差異較小，但磨耗輪轉(zhuǎn)態(tài)下，鋼軌偏差對CRH5A型動(dòng)車組的平穩(wěn)性影響較大。在250 km/h車速下，當(dāng)鋼軌正偏差大于0.4 mm時(shí)，頭車和尾車的橫向平穩(wěn)性超過了2.5的限值，不同鋼軌偏差下CRH5A型動(dòng)車組的平穩(wěn)性對比如圖7所示。

圖7 不同鋼軌偏差下CRH5A型動(dòng)車組的平穩(wěn)性對比圖

(2)新輪狀態(tài)下，隨著鋼軌偏差的增大，CRH2A型動(dòng)車組的橫向平穩(wěn)性有所增大，但在250 km/h速度范圍內(nèi)，其平穩(wěn)性仍保持在2.5限值以下。磨耗輪狀態(tài)下，隨著鋼軌偏差的增大，CRH2A型動(dòng)車組的橫向平穩(wěn)性有所增大，但仍僅當(dāng)偏差大于0.8 mm時(shí)，250 km/h下的橫向平穩(wěn)性才會(huì)超標(biāo)，不同鋼軌偏差下CRH2A型動(dòng)車組的平穩(wěn)性對比如圖8所示。

圖8 不同鋼軌偏差下CRH2A型動(dòng)車組的平穩(wěn)性對比圖

(3)無論是新輪還是磨耗輪狀態(tài)下，隨著鋼軌偏差的增大，CRH380A的橫向平穩(wěn)性均有所增大，但在250 km/h運(yùn)行速度范圍內(nèi)，其平穩(wěn)性均在限值以下，不同鋼軌偏差下CRH380A型動(dòng)車組的平穩(wěn)性對比如圖9所示。

圖9 不同鋼軌偏差下CRH380A型動(dòng)車組的平穩(wěn)性對比圖

由對比分析可知， CRH5A型動(dòng)車組對鋼軌廓形偏差適應(yīng)性最差，CRH2A型動(dòng)車組其次，在-1～+1 mm的鋼軌偏差范圍內(nèi)，CRH380A型動(dòng)車組的橫行平穩(wěn)性指標(biāo)均滿足要求，對鋼軌廓形偏差的適應(yīng)性最強(qiáng)。鋼軌廓形偏差對各型號(hào)動(dòng)車組的垂向平穩(wěn)性的影響均較小。

3.3 橫向加速度對比

為更直觀地分析鋼軌偏差對車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，分別將CRH5A、CRH2A和CRH380A型動(dòng)車組在偏差-0.4 mm、無偏差和偏差+0.2 mm、偏差+0.4 mm的鋼軌上以250 km/h速度運(yùn)行時(shí)的橫向加速度進(jìn)行對比，如圖10所示。

圖10 不同動(dòng)車組新輪及磨耗輪橫向加速度對比圖

由對比結(jié)果可知：

(1)新輪狀態(tài)下，CRH5A型動(dòng)車組在不同偏差鋼軌運(yùn)行時(shí)的橫向加速度差異較小。但磨耗輪狀態(tài)下，鋼軌偏差對CRH5A型動(dòng)車組的加速度影響較大，其橫向加速度幅值明顯變大，呈現(xiàn)諧波振動(dòng)，這是因?yàn)?～6 Hz處存在明顯峰值。在現(xiàn)場主要表現(xiàn)為“抖車”現(xiàn)象。鋼軌正偏差0.2 mm時(shí)，雖然4 Hz附近橫向加速度也存在一定的能量集中，但其平穩(wěn)性并未超過2.5的限值，仍在可接受范圍內(nèi)。

(2)新輪及磨耗輪狀態(tài)下，CRH2A和CRH380A型動(dòng)車組在不同偏差鋼軌上運(yùn)行時(shí)的橫向加速度差異不大。鋼軌偏差對CRH2A和CRH380A型動(dòng)車組的影響較小，雖然其橫向平穩(wěn)性隨著偏差的增大而增大，但在0.4 mm的正偏差以內(nèi)均未超過限值，橫向加速度也未見明顯諧波。

軌道車輛動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)與多種因素有關(guān)，主要包括車輛參數(shù)、輪軌接觸幾何關(guān)系、輪軌接觸界面條件、運(yùn)行速度等[7]。車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)包括一次蛇形和二次蛇形。一次蛇行頻率較低，經(jīng)常發(fā)生在輪軌接觸等效錐度很小時(shí)。由于耦合了車輛懸掛模態(tài)，一次蛇行嚴(yán)重影響車輛乘坐性能，一般對運(yùn)行安全性影響不大；但有時(shí)嚴(yán)重的一次蛇行會(huì)發(fā)生輪緣貼靠，也會(huì)危及行車安全。此時(shí)，需將等效錐度提高到合理范圍，一是要避免鋼軌負(fù)偏差，二是保證車輪踏面接觸區(qū)不要過于平坦。二次蛇行頻率避開了車體懸掛模態(tài)頻率，但若和車體某些彈性振動(dòng)頻率接近，同樣會(huì)引起抖車現(xiàn)象。車輛參數(shù)確定后，影響二次蛇行的主要因素是等效錐度和運(yùn)行速度，因此，發(fā)生二次蛇行后，最直接的辦法是降速或降低等效錐度到合理范圍內(nèi)，此時(shí)要避免鋼軌正偏差，同時(shí)也可對車輪踏面進(jìn)行鏇修。

4 結(jié)論

根據(jù)國內(nèi)外對高速鐵路鋼軌偏差管理的研究，本文分析了大西高速鐵路鋼軌偏差對輪軌接觸以及動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1)高速鐵路鋼軌廓形偏差的管理應(yīng)根據(jù)線路特點(diǎn)、運(yùn)用動(dòng)車組車型綜合考慮，根據(jù)輪軌接觸關(guān)系理論，結(jié)合國內(nèi)偏差管理規(guī)范可實(shí)施偏差限值的個(gè)性化管理。

(2)鋼軌偏差對大西高速鐵路運(yùn)用動(dòng)車組新輪等效錐度的影響較小，對磨耗輪的等效錐度影響較大。尤其是XP55磨耗輪，當(dāng)鋼軌正偏差大于0.4 mm后，等效錐度明顯上升，超過了0.35。LMA磨耗踏面的等效錐度在鋼軌正偏差大于0.6 mm后也有所上升，CRH5型動(dòng)車組對不同偏差范圍60D鋼軌設(shè)計(jì)廓形的適應(yīng)性低于CRH2和CRH380型動(dòng)車組。

(3)對于大西高速鐵路60D鋼軌設(shè)計(jì)廓形，鋼軌工作邊廓形出現(xiàn)正偏差過大易出現(xiàn)輪軌匹配關(guān)系關(guān)系不良、動(dòng)力學(xué)性能下降等問題，鋼軌正偏差增大到0.2 mm后，CRH5型動(dòng)車組最易發(fā)生“抖車”現(xiàn)象?，F(xiàn)場鋼軌內(nèi)側(cè)偏差應(yīng)盡量控制在0或負(fù)偏差范圍內(nèi)。

(4)綜合輪軌關(guān)系、動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能和打磨成本，建議大西高速鐵路在鋼軌打磨時(shí)重點(diǎn)控制鋼軌內(nèi)側(cè)偏差，同時(shí)鋼軌工作邊 +20～+30 mm的偏差超 出-0.4～+0.2 mm范圍時(shí)，應(yīng)適當(dāng)安排鋼軌廓形修理打磨作業(yè)。