基于輪軌接觸關(guān)系的高速道岔轉(zhuǎn)轍器鋼軌廓形打磨方案

王健

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司線站院，天津 300308

鋼軌在極小的面積內(nèi)要承受車輪劇烈的動(dòng)態(tài)荷載作用，不可避免地會(huì)產(chǎn)生磨耗、疲勞等傷損［1］，若不及時(shí)進(jìn)行維修，傷損產(chǎn)生的缺陷可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，誘發(fā)鋼軌貫通斷裂，嚴(yán)重危害行車安全［2］。鋼軌打磨是一種經(jīng)濟(jì)有效的鋼軌養(yǎng)護(hù)維修手段［3］，通過鋼軌打磨能改善輪軌接觸關(guān)系和受力條件，從而降低輪軌動(dòng)態(tài)相互作用，延長(zhǎng)鋼軌服役壽命。

道岔是使機(jī)車車輛完成轉(zhuǎn)向和跨越的重要鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，狀態(tài)多變，高速道岔鋼軌傷損病害繁多，歷來是高速鐵路線路養(yǎng)護(hù)維修的難點(diǎn)［4］。近年來，借鑒打磨技術(shù)在區(qū)間線路鋼軌上的應(yīng)用成果，有關(guān)道岔鋼軌打磨的研究逐漸增多。李偉等［5］結(jié)合道岔實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，提出了一種適用于道岔區(qū)的鋼軌廓形打磨方案，能有效改善輪軌相互作用特性，降低車輛側(cè)向通過道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。李源杰［6］對(duì)無縫道岔小型機(jī)械廓形打磨和大型機(jī)械打磨的工藝進(jìn)行了總結(jié)，為同類型道岔處理相似病害提供了指導(dǎo)意見。楊逸航等［7-8］研究了高速道岔基本軌的廓形打磨方案，并對(duì)比了鋼軌打磨前后的列車動(dòng)力學(xué)特性，研究了不同打磨方案對(duì)高速列車動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律。任凱［9］研究了普速鐵路道岔區(qū)鋼軌大型機(jī)械和小型機(jī)械相結(jié)合的打磨技術(shù)，并對(duì)其打磨效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。張鵬飛等［10］針對(duì)福州工務(wù)段在杭深客運(yùn)專線部分岔區(qū)采用的鋼軌打磨方案，研究了鋼軌打磨對(duì)高速列車動(dòng)力特性的影響。王繼文［11］按照分區(qū)打磨理念，將道岔鋼軌打磨分為三個(gè)區(qū)域，并提出了尖軌和基本軌、導(dǎo)曲線和轍叉部位的個(gè)性化打磨方法。

不同類型的道岔采用的鋼軌打磨原則也不盡相同。在高速道岔中，高速動(dòng)車組列車比貨車軸重輕、速度快，高速道岔鋼軌損傷的主要原因不在于較高的輪軌接觸應(yīng)力，更多取決于較大的輪軌沖擊作用，因此高速道岔鋼軌打磨的基本原則是降低車輛通過道岔時(shí)的輪軌沖擊作用力，即提高行車平穩(wěn)性。本文以我國(guó)18號(hào)高速道岔轉(zhuǎn)轍器為研究對(duì)象，以車輛運(yùn)行平穩(wěn)性控制為目標(biāo)，研究鋼軌廓形打磨方案，并從道岔的輪軌接觸關(guān)系和車輛-道岔動(dòng)力性能方面對(duì)打磨效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 高速道岔轉(zhuǎn)轍器鋼軌廓形打磨方案

針對(duì)任意形狀的車輪踏面和軌頂輪廓曲線，基于跡線法的基本原理［12］，建立道岔區(qū)輪軌接觸幾何計(jì)算模型，在平面范圍內(nèi)通過最小距離搜索的方法，找到左右輪軌接觸點(diǎn)的位置。選取尖軌頂寬為20.0、35.0、50.0、72.2 mm的18號(hào)高速道岔轉(zhuǎn)轍器鋼軌軌頭廓形斷面，利用輪軌接觸幾何計(jì)算模型，計(jì)算得到LMA車輪與轉(zhuǎn)轍器鋼軌原始廓形的接觸點(diǎn)對(duì)位置分布，見圖1。

高速列車通過道岔轉(zhuǎn)轍器時(shí)，車輪在尖軌與基本軌之間完成轉(zhuǎn)移和過渡。在此過程中，輪軌接觸點(diǎn)位置的突變會(huì)引起車輛與道岔鋼軌劇烈的動(dòng)態(tài)作用，是影響行車平穩(wěn)性的主要激勵(lì)源［4］。由圖1可知，在尖軌頂寬35.0 mm斷面上車輪與基本軌完全接觸，而在尖軌頂寬50.0 mm斷面上車輪與尖軌完全接觸，這說明車輪在尖軌頂寬35.0 mm到50.0 mm范圍內(nèi)完成轉(zhuǎn)移，車輪與基本軌的接觸點(diǎn)位置相對(duì)集中，而車輪與尖軌的接觸點(diǎn)位置則較為分散且靠近軌距角，因而增大了輪軌接觸點(diǎn)位置的跳躍幅度，勢(shì)必會(huì)降低車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。據(jù)此提出一種能夠集中車輪與道岔接觸點(diǎn)位置的鋼軌廓形打磨方案，打磨前后轉(zhuǎn)轍器鋼軌廓形對(duì)比見圖2。

圖1 LMA車輪與轉(zhuǎn)轍器鋼軌原始廓形的接觸點(diǎn)對(duì)

圖2 打磨前后轉(zhuǎn)轍器鋼軌廓形對(duì)比

2 道岔的輪軌接觸關(guān)系

2.1 輪軌接觸不平順

利用建立的道岔區(qū)輪軌接觸幾何計(jì)算模型，對(duì)比分析高速道岔轉(zhuǎn)轍器鋼軌打磨前后的輪軌接觸不平順。計(jì)算時(shí)以車輪和鋼軌在區(qū)間線路（即尖軌尖端橫斷面）上的接觸點(diǎn)為基準(zhǔn)，規(guī)定接觸點(diǎn)橫向以遠(yuǎn)離線路中心線的方向?yàn)檎Q向以向上為正，輪對(duì)橫移方向以輪緣遠(yuǎn)離尖軌為正。沿線路縱向每隔0.4 m計(jì)算一個(gè)斷面的輪軌接觸狀態(tài)，繪制出打磨前后輪對(duì)橫移-9～9 mm時(shí)的橫向、垂向接觸不平順變化曲線，見圖3、圖4，圖中不同顏色線表示不同輪對(duì)橫移量。

圖3 打磨前后轉(zhuǎn)轍器區(qū)橫向接觸不平順變化曲線

圖4 打磨前后轉(zhuǎn)轍器區(qū)垂向接觸不平順變化曲線

由圖3可知，打磨前轉(zhuǎn)轍器區(qū)的橫向接觸不平順最大值為63.055 mm，打磨后降至40.122 mm，降低了36.4%，效果明顯。

由圖4可知，打磨前轉(zhuǎn)轍器區(qū)的垂向接觸不平順最大值為4.878 mm，打磨后降至1.668 mm，降低了65.8%，效果比橫向更為明顯。

2.2 輪軌等效錐度

同一輪對(duì)的左右車輪滾動(dòng)圓半徑差越大，左右車輪滾動(dòng)時(shí)的走行距離差就越大。根據(jù)左右車輪的滾動(dòng)圓半徑差定義輪軌等效錐度，反映車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。等效錐度越小，車輛運(yùn)行平穩(wěn)性越好。在道岔中，由于左右鋼軌的不對(duì)稱性，理想狀況下輪對(duì)橫移量yw=0時(shí)左右車輪的實(shí)際滾動(dòng)圓半徑并不等于其名義滾動(dòng)圓半徑，故道岔區(qū)的輪軌等效錐度λ定義為

式中：rR、rL分別為輪對(duì)處于不同橫移量時(shí)左右車輪的實(shí)際滾動(dòng)圓半徑值；rR0和rL0分別為輪對(duì)處于對(duì)中位置時(shí)（即yw=0）左右車輪的實(shí)際滾動(dòng)圓半徑值。

當(dāng)yw=9 mm后，輪緣開始貼靠鋼軌內(nèi)側(cè)工作邊，此時(shí)輪軌等效錐度達(dá)到較大數(shù)值，更能直觀反映車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。因此，以yw=-9、9 mm為例，利用道岔區(qū)輪軌接觸幾何計(jì)算模型計(jì)算得到打磨前后輪軌等效錐度，見圖5。

圖5 打磨前后的輪軌等效錐度對(duì)比

由圖5可知，打磨后輪軌等效錐度沿尖軌長(zhǎng)度方向有所減小。特別是輪對(duì)橫移量為9 mm時(shí)，在距尖軌尖端5～8 m區(qū)域，打磨后有一個(gè)類似消除峰值的作用，大大減小了輪軌等效錐度，有利于提升車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。

3 車輛-道岔動(dòng)力性能

在SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件平臺(tái)上建立車輛與道岔軌道系統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，包括兩個(gè)相互作用的模型，即根據(jù)CRH2型車輛參數(shù)建立的車輛模型和考慮空間變截面特性的道岔軌道模型，車輛模型與道岔模型之間通過輪軌接觸模型進(jìn)行連接。輪軌接觸模型中，使用赫茲接觸理論來計(jì)算輪軌法向力，并且使用Kalker簡(jiǎn)化理論解決輪軌切向接觸問題。上述模型的正確性已在文獻(xiàn)［13］中得到驗(yàn)證。

3.1 動(dòng)態(tài)輪軌力

基于所建模型，模擬CRH2型動(dòng)車組以350 km/h直向進(jìn)岔的過程。以車輛第一輪對(duì)與鋼軌的相互作用為例，提取鋼軌打磨前后道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)直向里軌側(cè)的動(dòng)態(tài)輪軌力計(jì)算結(jié)果，見圖6。

圖6 打磨前后道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)直向里軌側(cè)動(dòng)態(tài)輪軌力

由圖6可知：打磨后道岔直向里軌側(cè)的輪軌橫向力明顯減小，輪軌橫向力最大值由打磨前的8.33 kN降至5.04 kN，降低了39.5%；打磨后道岔直向里軌側(cè)的輪軌垂向力稍有減小，鋼軌打磨對(duì)動(dòng)態(tài)輪軌垂向力的影響較小。

3.2 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性

基于所建模型，提取鋼軌打磨前后車體橫向和垂向振動(dòng)加速度計(jì)算結(jié)果，見圖7。

圖7 打磨前后車體振動(dòng)加速度

由圖7可知：打磨后車體橫向振動(dòng)加速度明顯減小，車體橫向加速度最大值由打磨前的0.27 m/s2降至0.25 m/s2，降低了7.4%；鋼軌打磨對(duì)車體垂向振動(dòng)加速度的影響較小。

3.3 車輛運(yùn)行安全性

基于所建模型，提取鋼軌打磨前后脫軌系數(shù)和減載率計(jì)算結(jié)果，見圖8。

圖8 打磨前后車體運(yùn)行安全性參數(shù)

由圖8可知，打磨后脫軌系數(shù)明顯減小，脫軌系數(shù)最大值由打磨前的0.12降至0.07，降低了41.7%；鋼軌打磨對(duì)輪對(duì)減載率的影響較小。

4 結(jié)論

本文基于跡線方法建立車輪與道岔鋼軌的輪軌接觸幾何計(jì)算模型，分析車輛通過道岔轉(zhuǎn)轍器時(shí)的輪軌接觸特性，發(fā)現(xiàn)輪軌接觸位置不集中和突變是降低車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的主要因素，據(jù)此提出了一種能夠集中車輪與道岔接觸點(diǎn)位置的鋼軌廓形打磨方案，并對(duì)廓形打磨方案的靜態(tài)輪軌接觸關(guān)系和車輛動(dòng)力性能進(jìn)行了研究。結(jié)論如下：

1）廓形打磨能夠有效降低道岔區(qū)輪軌接觸不平順，打磨后轉(zhuǎn)轍器區(qū)的橫向、垂向接觸不平順最大值分別降低36.4%、65.8%，效果明顯。廓形打磨對(duì)等效錐度分布有削峰作用，有利于提升車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性。

2）轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌廓形打磨使得道岔直向里軌側(cè)的輪軌橫向力明顯減小，對(duì)動(dòng)態(tài)輪軌垂向力影響較?。皇沟密圀w橫向加速度明顯減小，對(duì)車體垂向加速度影響較??；使得脫軌系數(shù)明顯減小，對(duì)減載率影響較小。

本文以集中接觸點(diǎn)來優(yōu)化尖軌的廓形，必然會(huì)導(dǎo)致接觸區(qū)域減小，從而增大輪軌接觸應(yīng)力，影響鋼軌的傷損性能。由于本文將車輛運(yùn)行平穩(wěn)性作為優(yōu)化目標(biāo)，未考慮鋼軌傷損性能的變化，這一點(diǎn)將在未來的研究中加以完善，并將引入接觸應(yīng)力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)高速道岔鋼軌廓形進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。