鋼軌打磨對重載鐵路小半徑曲線鋼軌波磨的影響

白新榮 劉飛 代向楠 侯銀慶 梁瑞峰

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350；2.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 檢測救援分公司，河北 肅寧 062350；3.中鐵物總運(yùn)維科技有限公司，北京 100073

隨著鐵路運(yùn)輸載重不斷增大，線路和鋼軌問題逐漸凸顯，其中鋼軌波磨一直是鐵路養(yǎng)護(hù)的難題。為從根源上探究鋼軌波磨產(chǎn)生的機(jī)理，抑制鋼軌波磨的產(chǎn)生，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)［1］建立考慮輪軌系統(tǒng)垂向振動、彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動和摩擦功波動理論的鋼軌波磨成因分析模型，分析了我國重載鐵路線路長波磨的成因。文獻(xiàn)［2-3］基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論、輪軌非赫茲滾動接觸理論和輪軌摩擦學(xué)理論建立了較完整的鋼軌波磨計(jì)算模型，分析了多種波磨的成因。由于輪軌系統(tǒng)及其接觸特性的復(fù)雜性，目前尚未能提出一種受到廣泛認(rèn)可的理論，無法從根源上解決鋼軌波磨問題，研究鋼軌波磨產(chǎn)生的影響及有效的治理措施成為了工作重點(diǎn)。文獻(xiàn)［4-6］研究表明鋼軌波磨會導(dǎo)致輪軌作用力急劇增大，從而加劇對軌道系統(tǒng)的破壞，使其壽命縮短。文獻(xiàn)［7-8］采用不同的建模方式分析了鋼軌波磨對輪軌系統(tǒng)振動的影響，提出鋼軌波磨會使車輛關(guān)鍵部件的振動加速度增大。文獻(xiàn)［9］提出鋼軌波磨在一定程度上會影響鋼軌部件及車輛的安全性，降低車輛及軌道部件的使用壽命，也使車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性降低。為了延緩鋼軌波磨的產(chǎn)生，鐵路部門及行業(yè)學(xué)者提出了不同的措施。文獻(xiàn)［10-12］提出了在鋼軌表面進(jìn)行涂油、安裝吸振器等措施，對鋼軌表面摩擦因數(shù)及振動加速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，但成本較高，且不同區(qū)段效果不一致。日本、澳大利亞、德國、法國等提出了鋼軌打磨技術(shù)在波浪形磨耗中的應(yīng)用［13-16］。隨著國內(nèi)鋼軌打磨技術(shù)不斷發(fā)展成熟，鋼軌打磨逐漸成為鋼軌養(yǎng)護(hù)的重要手段［17-20］。

鋼軌打磨極大緩解了鋼軌波磨和疲勞傷損的發(fā)展，有效減少了小半徑曲線因鋼軌波磨和疲勞導(dǎo)致的下道，但也存在一定的局限性。短波長波磨可通過打磨有效消除，而波長超過300 mm 的波磨很難通過打磨徹底消除。本文通過對朔黃鐵路的現(xiàn)場調(diào)研，分析鋼軌打磨前后鋼軌波磨及病害發(fā)展情況。采用SIMPACK動力學(xué)軟件建立C80車輛和軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析打磨前后鋼軌廓形及波磨深度變化對曲線通過能力及動力學(xué)性能的影響，并分析波長200～500 mm時打磨前后廓形變化對波深幅值安全限值的影響，為重載鐵路小半徑曲線鋼軌的經(jīng)濟(jì)性打磨提供理論依據(jù)。

1 個性化廓形設(shè)計(jì)

朔黃鐵路是我國西煤東運(yùn)的重要線路，年通過總質(zhì)量超過4億t。由于山區(qū)小半徑曲線分布密集，其鋼軌波磨和疲勞傷損病害嚴(yán)重。選取朔黃鐵路上行線K18+510 附近半徑400 m 的曲線線路進(jìn)行了跟蹤調(diào)研。該曲線上股緩圓點(diǎn)附近20 m 區(qū)段存在嚴(yán)重波磨，波長約為300 mm，最大波深約為0.8 mm。

根據(jù)采集的鋼軌廓形及車輪踏面進(jìn)行動力學(xué)仿真計(jì)算，然后綜合考慮輪軌接觸關(guān)系最優(yōu)及減小輪軌蠕滑力，設(shè)計(jì)了上下股不同的個性化目標(biāo)廓形。施工時采取上下股非對稱打磨，將上下股打磨到目標(biāo)廓形后再針對鋼軌波磨進(jìn)行打磨，打磨后鋼軌波磨未徹底消除，殘留波深小于0.2 mm。打磨前后上股軌面平直度測量結(jié)果見圖1。

圖1 打磨前后上股軌面平直度

打磨前后鋼軌廓形及與標(biāo)準(zhǔn)75N 鋼軌廓形的對比見圖2?？芍捍蚰デ?，上股鋼軌垂直磨耗、側(cè)面磨耗分別為2.79、3.41 mm，而下股鋼軌垂直磨耗為3.51 mm，且存在明顯的凹形磨耗。

圖2 打磨前后鋼軌廓形對比

打磨前后鋼軌廓形與LM 車輪踏面匹配時的幾何接觸關(guān)系見圖3。其中，綠色曲線表示不同車輪橫向位移下輪軌接觸位置，上方的數(shù)字為車輪橫向位移，mm。由圖3 可知：打磨前上股存在兩點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)為鋼軌側(cè)面和軌頂外側(cè)；下股由于存在凹形磨耗，接觸點(diǎn)分布在軌頂兩側(cè)。打磨后上股接觸點(diǎn)主要分布在軌頂內(nèi)側(cè)及軌距角處，下股接觸點(diǎn)分布在軌頂及內(nèi)側(cè)，接觸點(diǎn)分布更加均勻且無跳躍。

圖3 打磨前后輪軌接觸幾何關(guān)系

2 動力學(xué)建模

2.1 模型的建立

通過曲線路段時，輪軌蠕滑力的變化最能反映打磨前后輪軌接觸關(guān)系的變化。采用SIMPACK 多體動力學(xué)軟件建立多剛體動力學(xué)模型，車輛模型為C80。模型中輪對、軸箱、車輛側(cè)架、搖枕和車體以剛體形式表示，交叉拉桿、彈簧及止擋簡化為等效力元，各剛體采用鉸接形式連接。輪軌垂向力采用Hertz 非線性彈性接觸理論進(jìn)行計(jì)算，輪軌蠕滑力（率）采用Fastsim 理論進(jìn)行計(jì)算［5-6］。

2.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建模型的可靠性，將輪軌橫向力的實(shí)測值與仿真值進(jìn)行對比，見圖4?？芍簩?dǎo)向輪對的最大輪軌橫向力實(shí)測值和仿真值分別為40.3、38.2 kN，誤差約5%；跟隨輪對的最大輪軌橫向力實(shí)測值和仿真值分別為10.07、8.23 kN，誤差約20%。因此，選用導(dǎo)向輪對為分析對象。

圖4 輪軌橫向力的實(shí)測值與仿真值對比

2.3 軌道不平順的設(shè)置

鋼軌波磨是一種軌道縱向不平順，沿鋼軌縱向分布在輪軌接觸表面，在普速及重載鐵路線路上主要以長波形式存在，波長一般為300～1 000 mm，波深約0.3～1.0 mm。將實(shí)測鋼軌波磨與軌道不平順進(jìn)行疊加，位置為靠近緩圓點(diǎn)附近的圓曲線，如圖5所示。

圖5 曲線工況及軌道不平順設(shè)置

3 動力學(xué)性能

引發(fā)鋼軌波磨的因素包括輪軌關(guān)系不良、輪軌力和輪軌蠕滑力過大、軌面摩擦因數(shù)過大、線路幾何尺寸不良、道床剛度不均勻等。為分析鋼軌打磨對波磨的治理效果，將打磨前后的鋼軌廓形及疊加波磨的軌道不平順導(dǎo)入動力學(xué)模型，分析輪軌力、輪軌蠕滑力、振動加速度、磨耗指數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。

3.1 輪軌力和輪軌蠕滑力

由于打磨后曲線上股輪軌力和蠕滑力變化更為明顯，更能反映打磨前后效果，因此取上股鋼軌打磨前后動力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析。打磨前后曲線上股的輪軌力對比見圖6?？芍捍蚰ズ筝嗆墮M向力明顯減小，圓曲線上輪軌橫向力最大值減小18.16 kN，降幅33.79%；波磨位置輪軌橫向力最大值減小22.92 kN，降幅38.77%。

圖6 打磨前后曲線上股輪軌橫向力對比

打磨前后曲線上股輪軌蠕滑力及軌頂、軌側(cè)接觸點(diǎn)位置對比見圖7?？芍?/p>

圖7 打磨前后曲線上股輪軌蠕滑力及接觸點(diǎn)位置對比

1）打磨前軌頂和軌側(cè)接觸點(diǎn)在鋼軌橫斷面上相距約34 mm，較大的滾動半徑差帶來較大的線速度差異，導(dǎo)致縱向蠕滑力方向相反；打磨后這兩個接觸點(diǎn)距離在5 mm 以內(nèi)，形成貼合式接觸，縱向蠕滑力方向一致且幅值相比打磨前最大值減小15.25 kN，降幅61.81%。

2）打磨后軌側(cè)橫向蠕滑力明顯增加，軌頂位置橫向蠕滑力減小，形成貼合式接觸后，軌側(cè)接觸點(diǎn)承擔(dān)了更多的橫向蠕滑力。

3.2 振動加速度

鋼軌波磨會加劇車輛振動，進(jìn)而導(dǎo)致車體零部件的螺栓松動和疲勞傷損萌生。打磨前后車體和側(cè)架振動加速度分別見圖8、圖9?？芍捍蚰ズ筌圀w垂向振動加速度最大值由2.18 m/s2降至0.78 m/s2，降幅為64.22%，車體橫向振動加速度無明顯變化；打磨后，側(cè)架垂向振動加速度最大值由48.89 m/s2降至3.28 m/s2，降幅93.29%，橫向振動加速度最大值由12.47 m/s2降至0.81 m/s2，降幅93.50%。

圖8 打磨前后車體振動加速度

圖9 打磨前后側(cè)架振動加速度

3.3 鋼軌磨耗和曲線通過能力

打磨前后鋼軌磨耗指數(shù)和車輛曲線通過能力對比見圖10?？芍?/p>

圖10 打磨前后鋼軌磨耗指數(shù)及曲線通過能力對比

1）打磨后曲線上股磨耗指數(shù)最大值由1.16 kN 降至0.69 kN，降幅40.52%；曲線下股磨耗指數(shù)最大值由0.19 kN降至0.15 kN，降幅21.05%。

2）打磨后，緩和曲線上股滾動圓半徑差最大值升至3.1 mm，圓曲線上股滾動圓半徑差最大值升至2.5 mm，曲線通過能力明顯提升。

3）打磨后脫軌系數(shù)最大值由0.47降至0.32，降幅31.91%；輪重減載率最大值由0.19 降至0.12，降幅36.84%。

4 波深安全限值

根據(jù)TJ/GW 170—2021《普速鐵路鋼軌打磨驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，針對普速線路波浪形磨耗，打磨列車作業(yè)后采用波磨儀或平直度儀測量波深應(yīng)小于0.2 mm。而在實(shí)際線路中，由于打磨列車打磨量有限，且受打磨列車砂輪直徑影響，在波長大于300 mm 的波磨區(qū)間打磨作業(yè)時，鋼軌打磨對波磨幅值的影響較小。此外，在實(shí)際線路中曲線發(fā)生波磨位置上股廓形一般表現(xiàn)為側(cè)面磨耗，下股為馬鞍形磨耗，廓形打磨中以波磨治理為主，盡可能增加打磨遍數(shù)以減小波磨幅值，打磨后廓形多與目標(biāo)廓形存在較大偏差。因此，分析重載鐵路小半徑曲線廓形及波磨對列車運(yùn)行安全具有重要的指導(dǎo)意義。

將現(xiàn)場實(shí)測鋼軌廓形導(dǎo)入動力學(xué)模型，以GB/T 5599—2019《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》中的脫軌系數(shù)、輪重減載率的第二限度值和輪軌橫向力、輪軸橫向力為評判依據(jù)，計(jì)算得出波長200～500 mm、列車通過曲線時打磨前后的波深安全限值，見圖11。其中車速為60 km/h?？芍?，在同等波長下，打磨后的波深安全限值大于打磨前，平均幅值提升約0.2 mm。這是因?yàn)殇撥壌蚰ジ纳屏溯嗆壗佑|關(guān)系，輪軌蠕滑力和橫向力明顯減小，而同等波長和波深下輪軌垂向力變化不大，列車通過安全性提升明顯。

圖11 波長200～500 mm時打磨前后波深安全限值

5 結(jié)論

1）鋼軌打磨后輪軌橫向力減小33.79%以上，其中波磨嚴(yán)重位置減小38.77%；縱向蠕滑力和軌頂橫向蠕滑力大幅減??；車體垂向振動加速度降幅為64.22%，車輛側(cè)架垂向、橫向振動加速度最大值降幅分別為93.29%、93.50%。

2）鋼軌打磨后圓曲線上股最大滾動圓半徑差增至2.5 mm，車輛曲線通過能力明顯提升；脫軌系數(shù)、輪重減載率降幅分別為31.91%、36.84%，運(yùn)行安全性明顯提升；曲線上下股磨耗指數(shù)降幅分別為40.52%、21.05%，鋼軌磨耗速率顯著下降。

3）鋼軌打磨后曲線輪軌接觸關(guān)系顯著改善，曲線上股兩個接觸點(diǎn)橫向間距由34 mm縮至5 mm以內(nèi)，由兩點(diǎn)接觸（軌頂外側(cè)和軌側(cè)）狀態(tài)變?yōu)橘N合式接觸，曲線上股縱向蠕滑力顯著減小，可有效緩解鋼軌波磨產(chǎn)生和發(fā)展。

4）鋼軌打磨修正了鋼軌廓形，改善了輪軌接觸關(guān)系。在同等波長下，打磨后波深安全限值要大于打磨前的波深安全限值，平均幅值提升約0.2 mm，列車通過安全性提升明顯，為鋼軌廓形打磨技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。