面向大數(shù)據(jù)分析的道岔軌件磨耗統(tǒng)計方法

葛晶 王猛 王鐘苑 劉高巖

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司，北京 100081

根據(jù)2022 年我國18 個鐵路局道岔統(tǒng)計數(shù)據(jù)，道岔鋪設(shè)數(shù)量約20.8 萬組。結(jié)合道岔型號按道岔全長計算，國內(nèi)道岔鋪設(shè)里程約0.72 萬km，占線路總里程的5.2%。根據(jù)現(xiàn)場養(yǎng)護維修情況，道岔區(qū)的養(yǎng)護維修工作量約占工務(wù)全部工作量的50%?？梢?，道岔區(qū)軌件的使用狀態(tài)和壽命直接決定著養(yǎng)護維修的工作量［1-2］。目前道岔軌件磨耗情況分析主要沿用區(qū)間線路常用的鋼軌垂直磨耗和側(cè)面磨耗［3］，該分析指標用于評價道岔軌件時不能全面反映磨耗情況，有局限性。因此，本文提出了一種軌頭磨耗統(tǒng)計的新方法。

1 道岔軌件磨耗特點

1.1 軌件結(jié)構(gòu)的特殊性

道岔由轉(zhuǎn)轍器、導(dǎo)曲線和轍叉三個區(qū)域組成。為了實現(xiàn)引導(dǎo)列車沿不同方向前進的功能，轉(zhuǎn)轍器與轍叉區(qū)域使用的軌件結(jié)構(gòu)多為非標準斷面鋼軌或由標準斷面鋼軌加工而成。轉(zhuǎn)轍器區(qū)域的主要軌件結(jié)構(gòu)包含直基本軌、曲基本軌、直尖軌和曲尖軌，其中基本軌一般由標準斷面鋼軌刨切彎折而成，尖軌由非對稱斷面的AT 鋼軌刨切彎折而成。轍叉區(qū)域為可動心軌轍叉時，其主要軌件包含長心軌、短心軌、叉跟軌等，其中部分長心軌采用非對稱斷面的TY 鋼軌，短心軌和叉跟軌一般采用標準斷面鋼軌，這些軌件均經(jīng)過刨切彎折加工而成。轍叉區(qū)域為固定型轍叉時，其主要軌件包含心軌、翼軌等聯(lián)結(jié)而成的組裝結(jié)構(gòu)，由于存在有害區(qū)域，其軌件傷損及磨耗情況嚴重。此外，我國同一型號道岔可能采用不同的道岔線型［4］，設(shè)計出不同道岔圖紙，道岔軌件結(jié)構(gòu)與尺寸也有明顯區(qū)別［5］。

1.2 軌件磨耗的影響因素

輪軌磨耗的主要影響因素為輪軌接觸應(yīng)力、輪軌接觸幾何關(guān)系、材質(zhì)硬度［6-9］。區(qū)間線路除接頭位置、橋隧路基等過渡段外，同一區(qū)間內(nèi)各影響因素相差不大。但是對于道岔區(qū)，各因素會隨著道岔平面線形、軌件結(jié)構(gòu)設(shè)計、軌下基礎(chǔ)狀態(tài)、部件材質(zhì)、制造圖紙等不同而有明顯不同。

1.3 既有軌件磨耗分析方法

目前，鐵路道岔維修規(guī)范依據(jù)道岔軌件不同分別規(guī)定了鋼軌件的垂直磨耗、側(cè)面磨耗及總磨耗的允許限度，垂直磨耗和側(cè)面磨耗是按照磨耗測量位置定義的，總磨耗為垂直磨耗與側(cè)面磨耗的和的一半。測量得到的垂直磨耗和側(cè)面磨耗結(jié)果僅反映軌頭某點的情況，具有片面性。隨著計算機檢測技術(shù)發(fā)展，軌頭廓形檢測已經(jīng)成為常規(guī)的檢測手段，若僅從垂直磨耗和側(cè)面磨耗角度提取出單點信息，則其他反映輪軌接觸幾何關(guān)系的軌頭廓形數(shù)據(jù)成了無用信息，不利于軌件磨耗情況的統(tǒng)計。

2 徑向磨耗的定義及計算

鋼軌廓形檢測分為接觸式測量和非接觸式測量兩類。常見的測量系統(tǒng)如MINIPROF輪軌輪廓測量系統(tǒng)和瑞士OPTIMESS 奧特邁斯數(shù)字激光測試系統(tǒng)，可以采集到整個鋼軌軌頭坐標，逐漸成為鋼軌廓形檢測的發(fā)展方向。

2.1 徑向磨耗的定義

鋼軌輪廓檢測手段的進步，意味著可以提取出一些新指標。鋼軌磨耗一般參照Archard 模型［10］進行計算，即W=ksP/H。其中：W為磨耗體積，m3；k為磨耗系數(shù)；s為滑動距離，m；P為法向力，N；H為材料硬度，N/m2。由計算式可知，磨耗體積與法向力正相關(guān)。因此，本文提出與法向力相關(guān)的徑向磨耗的概念。

徑向磨耗，即計算沿著鋼軌軌頭設(shè)計廓形表面輪廓的法向磨耗。分別以尖軌基本軌和轍叉為例說明徑向磨耗的計算方法。建立尖軌基本軌和轍叉徑向磨耗的坐標系，見圖1。其中，尖軌基本軌徑向磨耗坐標系中以尖軌軌距測量點為坐標原點，轍叉徑向磨耗坐標系中以直向行車方向上心軌軌距測量點為坐標原點；沿鋼軌截面的軌頭設(shè)計廓形徑向為x軸，法向為y軸；徑向磨耗為鋼軌設(shè)計廓形與實測輪廓沿y軸的距離，即圖中陰影部分。

圖1 徑向磨耗坐標系（單位：mm）

2.2 徑向磨耗的計算及徑向磨耗圖

徑向磨耗計算應(yīng)在已知軌件初始廓形的基礎(chǔ)上開展。以曲尖軌與直基本軌、轍叉的廓形為例，計算其徑向磨耗，并將計算結(jié)果繪制成徑向磨耗二維圖，直觀反映鋼軌磨耗大小，并準確定位磨耗位置。

2.2.1 曲尖軌與直基本軌

根據(jù)圖1（a）計算曲尖軌與直基本軌的徑向磨耗，結(jié)果見圖2?？芍涸撥夘^寬25 mm 的曲尖軌最大磨耗不足4 mm；最大磨耗發(fā)生的位置貼近坐標原點，表明磨耗表現(xiàn)形式主要是側(cè)面磨耗；徑向磨耗出現(xiàn)負值是因為鋼軌軌頭發(fā)生了金屬塑性流動，須要進行打磨；曲線與橫坐標之間的面積即為磨耗面積。

圖2 曲尖軌與直基本軌徑向磨耗

道岔曲尖軌的磨耗情況與使用條件密切相關(guān)，列車逆向過岔的曲尖軌磨耗斷面主要集中在尖軌軌頭寬20 mm 斷面之后的位置，而列車順向過岔的曲尖軌磨耗斷面主要集中在尖軌尖端。計算兩種工況下曲尖軌不同斷面的徑向磨耗，見圖3?？芍毫熊嚹嫦蜻^岔工況下，曲尖軌軌頭寬35 mm 斷面徑向磨耗最大；列車順向過岔工況下，曲尖軌軌頭寬5 mm 斷面徑向磨耗最大；這兩個斷面磨耗面積相差不大。此外，依據(jù)各斷面位置，線性插值得到曲尖軌徑向磨耗體積，即是列車過曲尖軌的磨耗體積；軌件磨耗體積與列車作用于軌道的能量息息相關(guān)。

圖3 列車順向和逆向過岔工況下曲尖軌不同斷面徑向磨耗

2.2.2 轍叉心軌與翼軌輪軌力過渡區(qū)域

根據(jù)圖1（b）計算轍叉心軌與翼軌的徑向磨耗，結(jié)果見圖4?？芍涸撧H叉右翼軌最大徑向磨耗約為9.0 mm，其位置偏離翼軌工作邊，表明磨耗表現(xiàn)形式主要是垂直磨耗；心軌最大徑向磨耗約為4.5 mm，其位置偏離心軌工作邊，表明磨耗表現(xiàn)形式主要是垂直磨耗；左翼軌最大徑向磨耗約為4.0 mm，位于翼軌工作邊，表明磨耗表現(xiàn)形式主要是側(cè)面磨耗；右翼軌磨耗面積明顯大于心軌，從輪軌磨耗的影響因素方面進行分析，由于兩組軌件材質(zhì)相同，因此翼軌承受的輪軌接觸應(yīng)力較大。

圖4 轍叉徑向磨耗

綜上，徑向磨耗圖能直觀表現(xiàn)磨耗情況，為利用廓形測試數(shù)據(jù)分析軌件使用情況提供分析手段。

3 應(yīng)用舉例

3.1 曲尖軌

曲尖軌在使用過程中不斷被車輪磨耗，承載能力被削弱，最終形成掉塊，影響行車安全。采用有限元靜力學(xué)方法計算磨耗曲尖軌的最大等效應(yīng)力，分析其承載能力。圖5 為某下道曲尖軌，其連續(xù)掉塊長度為300 mm，深度為3～ 5 mm。

圖5 下道曲尖軌及其磨耗后測試廓形

輪軌間壓力、列車行進方向、輪軌間摩擦因數(shù)、接觸廓形等都直接決定了軌件的磨耗形狀。各參數(shù)受線路養(yǎng)護維修狀態(tài)、車體和軌道彈性、行車速度、磨耗車輪型面、輪軌潤滑狀態(tài)等條件影響，甚至下雨等天氣變化也會改變軌件磨耗后的形態(tài)。因此，預(yù)測軌件的磨耗是個極其復(fù)雜的過程。

從工程應(yīng)用實際出發(fā)，可根據(jù)不同線路下道曲尖軌的磨耗廓形測試結(jié)果來進行軌件磨耗趨勢的預(yù)測。采集某一線路多根下道曲尖軌多個位置斷面的磨耗廓形數(shù)據(jù)，并將接觸車輪的曲尖軌按照軌件工作邊重合進行繪制，見圖6?？芍?，不同的下道曲尖軌各位置的工作邊因磨耗而形成的廓形基本相同（黑虛線）。由此可大致推斷出曲尖軌下道前的尖軌軌頭磨耗廓形。

圖6 曲尖軌多斷面磨耗廓形比對（單位：mm）

根據(jù)廓形趨勢預(yù)測結(jié)果，可繪制曲尖軌磨耗到某一限值時的徑向磨耗圖。以軌頭寬5 mm 斷面為例，若該斷面?zhèn)让婺ズ?.5 mm 時曲尖軌須要下道，那么分別繪制曲尖軌磨耗到限值和現(xiàn)場實測廓形的徑向磨耗圖，見圖7。圖7可直觀反映在役曲尖軌某斷面的磨耗情況，判斷磨耗是否超過限值。此外，徑向磨耗曲線與橫坐標之間的面積也表明了尖軌磨耗導(dǎo)致的材料損失。積累大量的尖軌下道數(shù)據(jù)后，即可實現(xiàn)依據(jù)尖軌以往的磨耗速率，大致推斷出在役曲尖軌磨耗到限值而須要下道的時間。

圖7 曲尖軌5 mm斷面徑向磨耗圖

3.2 直尖軌

在實際使用中，由于直尖軌與車輪之間的摩擦、養(yǎng)路機械打磨而改變其軌頂廓形，廓形改變導(dǎo)致輪軌接觸點位置發(fā)生轉(zhuǎn)移。以直尖軌頂寬40 mm 斷面為例，將兩組道岔直尖軌的實測廓形進行對比。通過動力學(xué)分析，比較其輪軌接觸點對分布情況，見圖8?？芍豪?的直尖軌對應(yīng)輪軌接觸點分布較為分散；廓形2 的直尖軌對應(yīng)輪軌接觸點分布比較集中，輪軌接觸點基本都位于直尖軌靠近非工作邊的軌頂位置。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研情況可知，當輪軌接觸點位置更靠近直尖軌非工作邊時易形成裂紋［11］，影響行車安全。使用過程中應(yīng)盡量避免直尖軌出現(xiàn)廓形2所示接觸情況。

圖8 直尖軌頂寬40 mm斷面輪軌接觸點對分布

繪制直尖軌廓形1 和廓形2 的徑向磨耗圖，見圖9?？芍豪? 的整個軌頭均有磨耗；廓形2 的磨耗主要發(fā)生在軌頭圓弧位置處，軌頂磨耗較少，導(dǎo)致輪軌接觸點更靠近非工作邊。在道岔實際應(yīng)用過程中，直尖軌若出現(xiàn)與廓形2類似的徑向磨耗圖時，可通過打磨直尖軌軌頂，避免接觸狀態(tài)不良導(dǎo)致的裂紋。

圖9 直尖軌徑向磨耗圖

4 結(jié)語

本文提出了一種計算道岔軌件磨耗的新指標：徑向磨耗，即計算沿著鋼軌軌頭設(shè)計廓形表面輪廓法向方向上的磨耗。

徑向磨耗能更全面地反映某一截面軌頭各個位置點的磨耗情況，解決軌件磨耗測試結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)用情況無法直觀建立聯(lián)系的問題。例如，通過曲尖軌的徑向磨耗圖，結(jié)合尖軌以往的磨耗速率，可大致推斷出在役曲尖軌的下道時間；直尖軌的徑向磨耗圖與動力學(xué)分析研究結(jié)果相結(jié)合，可指導(dǎo)現(xiàn)場打磨，避免問題廓形的出現(xiàn)。繪制徑向磨耗圖評價軌件使用情況，將以往由個別專家通過數(shù)據(jù)分析才能得到的軌件使用情況，通過徑向磨耗圖直觀地反映出來，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場養(yǎng)護維修。