軌道幾何狀態(tài)對(duì)高鐵鋼軌型面磨耗區(qū)段輪軌匹配特性的影響

楊愛紅，高 雅，王永華，金 明，張家海

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所,北京 100081; 2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部,上海 200071; 3.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司惠州工務(wù)段,廣東惠州 516023)

引言

輪軌匹配作為鐵路車輛與軌道間的聯(lián)結(jié)紐帶,特別是在高速行車條件下,良好的輪軌匹配特性是保持列車安全平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵因素[1-3]。隨著列車運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加,輪軌型面、軌道幾何狀態(tài)等參量逐漸發(fā)生變化,使得輪軌匹配關(guān)系出現(xiàn)問題[4-6],直接影響輪軌系統(tǒng)相互作用,繼而影響動(dòng)車組行車性能。因此,研究運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的輪軌接觸幾何狀態(tài),對(duì)合理預(yù)測(cè)和改善不良的輪軌匹配關(guān)系具有重要意義。

由于輪軌型面磨耗導(dǎo)致輪軌接觸幾何產(chǎn)生較大離散性[7-10],越來越多的人開始關(guān)注輪軌匹配問題,對(duì)此學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。GAN等[11]提出了輪軌接觸帶寬及其變化率作為高速鐵路輪軌接觸關(guān)系的評(píng)價(jià)指標(biāo);王平等[12]結(jié)合跡線法和有限元理論分析了輪軌磨耗對(duì)道岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系的影響;孫麗霞等[13]結(jié)合等效錐度、Polach指標(biāo)、輪軌接觸帶寬及其變化率等指標(biāo)對(duì)高速鐵路新輪新軌和磨耗輪軌型面非線性接觸關(guān)系進(jìn)行了綜合分析;陳嶸等[14]結(jié)合跡線法和三維非赫茲滾動(dòng)接觸理論,分析了不同軌道參數(shù)對(duì)道岔區(qū)輪軌接觸特性的影響;司道林等[15]通過動(dòng)車組曲線通過能力分析了輪軌接觸面積、輪徑差對(duì)輪軌匹配特性的影響;徐凱等[16]通過仿真分析及跟蹤測(cè)量分析了鋼軌型面打磨后輪軌接觸特性及磨耗發(fā)展情況;肖乾等[17]分析了輪軌型面磨耗對(duì)輪軌接觸特性及軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響。

本文結(jié)合輪軌動(dòng)力學(xué)模型和非Hertz滾動(dòng)接觸模型,對(duì)某高速鐵路高速通過直線區(qū)段的輪軌型面的磨耗情況及其匹配特性進(jìn)行分析,研究軌道幾何狀態(tài)對(duì)磨耗鋼軌型面輪軌接觸特性的影響,以期為鋼軌養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)參考。

1 模型建立

1.1 車軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

車軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型由車輛模型和軌道模型組成[18],如圖1所示。其中車輛模型根據(jù)多剛體動(dòng)力學(xué)理論建立,車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)均考慮橫移、沉浮、側(cè)滾、點(diǎn)頭和搖頭自由度,整車考慮35個(gè)自由度。軌道模型采用有砟軌道,由鋼軌、軌枕、道床和聯(lián)結(jié)部件幾部分組成,其中鋼軌簡(jiǎn)化為Euler梁,考慮橫向、垂向和扭轉(zhuǎn)自由度。軌枕簡(jiǎn)化為剛體,考慮橫向、垂向和扭轉(zhuǎn)自由度。道床簡(jiǎn)化為等效質(zhì)量塊,考慮垂向自由度。車輛模型參照CRH2型動(dòng)車組參數(shù),軌道模型參數(shù)見表1,車輛運(yùn)行速度為250 km/h。

表1 軌道模型參數(shù)

圖1 車輛-軌道耦合模型

1.2 輪軌匹配特性計(jì)算模型

1.2.1 輪軌空間接觸模型

為了求解輪軌接觸幾何關(guān)系,建立輪軌空間接觸計(jì)算模型[19],如圖2所示。將任意形狀輪軌型面離散為一系列空間曲面點(diǎn),再將車輪型面潛在接觸點(diǎn)投影到鋼軌型面所在的平面,通過尋找輪軌間的最小空間法向間隙確定輪軌接觸點(diǎn)。

圖2 輪軌空間接觸模型

1.2.2 非Hertz滾動(dòng)接觸模型

根據(jù)基于虛擬滲透的非Hertz接觸理論[20],通過輪軌型面和兩者間的相對(duì)壓入量來定義輪軌間的虛擬滲透區(qū)域,當(dāng)虛擬滲透區(qū)域足夠接近真實(shí)接觸區(qū)域時(shí)則能夠確定接觸斑形狀,如圖3所示。根據(jù)彈性半空間假設(shè),輪軌間的相對(duì)壓入量可以表達(dá)為

圖3 輪軌接觸區(qū)域示意

(1)

將車輪考慮為一個(gè)旋轉(zhuǎn)體,假設(shè)法向壓力沿車輪滾動(dòng)方向呈半橢圓分布,則接觸斑上的法向壓力分布具有以下形式

(2)

式中,p0為最大接觸應(yīng)力。

2 輪軌型面分析

為分析高速鐵路鋼軌型面磨耗情況,對(duì)某運(yùn)營(yíng)速度250 km/h高鐵直線區(qū)段每間隔10 m選取1個(gè)測(cè)點(diǎn),共測(cè)量得到7組鋼軌型面,如圖4(a)和圖4 (b)所示,其中橫坐標(biāo)正方向一側(cè)為左股鋼軌工作邊,橫坐標(biāo)反方向一側(cè)為右股鋼軌工作邊。該區(qū)段鋪設(shè)CHN60鋼軌,軌底坡為1/20。圖4(c)和圖4 (d)給出了與軌底坡為1/20的CHN60型面相比實(shí)測(cè)鋼軌型面的磨耗情況。通過對(duì)比可以看出,左右鋼軌磨耗主要分布在軌頂中心外側(cè)(橫坐標(biāo)-25～-5 mm)和軌距角(橫坐標(biāo)25～35 mm)處,右軌軌頂垂磨大于左軌,左右軌最大垂磨均出現(xiàn)在軌距角處,最大垂磨量約為1 mm。從圖5給出的鋼軌型面測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖片也可以看出,測(cè)試區(qū)段左右鋼軌光帶不居中,同一測(cè)點(diǎn)左右鋼軌光帶寬度不一致,左股鋼軌光帶寬度大于右股鋼軌光帶寬度。

圖4 鋼軌型面

圖5 鋼軌測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

為考慮車輪型面磨耗的影響,隨機(jī)選取某服役里程6萬(wàn)km的動(dòng)車組車輪進(jìn)行測(cè)試。圖6給出了對(duì)測(cè)試車輪型面進(jìn)行均值處理后的結(jié)果,并以此作為磨耗車輪型面進(jìn)行后續(xù)分析。通過與LMA型面對(duì)比可以看出,車輪型面磨耗主要位于輪緣處,輪緣厚度明顯減小,左右車輪型面磨耗差異不明顯。

圖6 測(cè)試車輪型面

3 軌道幾何狀態(tài)對(duì)輪軌匹配特性影響

3.1 輪軌接觸幾何分析

圖7給出了輪對(duì)橫移量為±10 mm時(shí),磨耗輪軌型面匹配時(shí)的輪軌接觸接觸點(diǎn)分布圖像,編號(hào)1～7分別對(duì)應(yīng)7組測(cè)試鋼軌型面。由圖7可知,左右磨耗型面的接觸點(diǎn)分布情況產(chǎn)生較大差異,對(duì)稱性較差,7組測(cè)試鋼軌型面接觸點(diǎn)分布情況相差不大。與圖8給出的CHN60&LMA型面匹配相比,磨耗型面的接觸點(diǎn)在軌頂面上分布較為分散,輪軌接觸點(diǎn)不再分布在鋼軌軌距角處,向軌頂中心處移動(dòng)。

圖9給出了CHN60&LMA型面及磨耗輪軌型面匹配時(shí),等效錐度隨輪對(duì)橫移量變化圖像。由圖9可知,與CHN60&LMA型面匹配相比,輪軌磨耗導(dǎo)致輪對(duì)小橫移量時(shí)的等效錐度較大,大橫移量時(shí)的等效錐度較小,且在計(jì)算橫移量范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)輪緣接觸。

圖9 等效錐度圖像

3.2 輪軌滾動(dòng)接觸特性分析

將鋼軌型面測(cè)試區(qū)段的軌道不平順作為激勵(lì)輸入,如圖10所示,結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型分析軌道幾何狀態(tài)對(duì)磨耗前后輪軌滾動(dòng)接觸特性的影響。圖11給出了磨耗輪軌型面和CHN60&LMA型面匹配時(shí)一位輪對(duì)橫移量和輪軌法向力。通過對(duì)比可以看出,磨耗型面輪對(duì)橫移量幅值為7 mm,CHN60&LMA型面輪對(duì)橫移量幅值為4 mm,磨耗型面輪對(duì)橫移量幅值大于CHN60&LMA型面,且輪對(duì)偏向一側(cè)不對(duì)中。磨耗型面和CHN60&LMA型面左右股輪軌法向力差異不明顯。

圖10 實(shí)測(cè)軌道不平順

圖11 輪軌動(dòng)力響應(yīng)

圖12給出了7組磨耗型面和CHN60&LMA型面一位輪對(duì)左右股接觸斑面積和最大接觸應(yīng)力圖像。由圖12可知,7組磨耗鋼軌型面輪軌滾動(dòng)接觸特性差異較小,但左右股鋼軌接觸斑面積和最大接觸應(yīng)力明顯不同。其中左股鋼軌接觸斑面積最小值為70 mm2,最大值為120 mm2;右股鋼軌接觸斑面積最小值為65 mm2,最大值為105 mm2。左股鋼軌最大接觸應(yīng)力最小值為250 MPa,最大值為2 650 MPa;右股鋼軌最大接觸應(yīng)力最小值為450 MPa,最大值為2 720 MPa。磨耗鋼軌型面左股鋼軌接觸斑面積大于右股鋼軌,左股鋼軌最大接觸應(yīng)力小于右股鋼軌。CHN60&LMA型面左右股鋼軌接觸斑面積和最大接觸應(yīng)力差異較小,其中接觸斑面積最小值為120 mm2,最大值為170 mm2;最大接觸應(yīng)力最小值為400 MPa,最大值為1 650 MPa。

圖12 輪軌滾動(dòng)接觸圖像

圖13給出了與CHN60&LMA型面相比,磨耗型面接觸斑面積減小量和最大接觸應(yīng)力增加量的累計(jì)分布圖像?？梢钥闯?左股鋼軌接觸斑面積減小量的50%分位數(shù)約為30 mm2,90%分位數(shù)約為70 mm2,95%分位數(shù)約為90 mm2;右股鋼軌接觸斑面積減小量的50%分位數(shù)約為45 mm2,90%分位數(shù)約為80 mm2,95%分位數(shù)約為90 mm2。左股鋼軌最大接觸應(yīng)力增加量的50%分位數(shù)約為250 MPa,90%分位數(shù)約為500 MPa,95%分位數(shù)約為800 MPa;右股鋼軌最大接觸應(yīng)力增加量的50%分位數(shù)約為450 MPa,90%分位數(shù)約為750 MPa,95%分位數(shù)約為900 MPa。由此可見,與采用CHN60&LMA型面相比,采用磨耗鋼軌型面輪對(duì)對(duì)中能力相對(duì)較差,接觸斑面積明顯減小,最大接觸應(yīng)力顯著增加,輪軌匹配狀態(tài)較差。

圖13 累計(jì)分布圖像

4 結(jié)語(yǔ)

(1)實(shí)測(cè)鋼軌型面磨耗主要出現(xiàn)在軌頂面和軌距角處,左股鋼軌光帶寬度大于右股鋼軌,右股鋼軌軌頂垂磨大于左股鋼軌,左右股鋼軌型面對(duì)稱性較差。

(2)實(shí)測(cè)鋼軌型面磨耗導(dǎo)致輪軌接觸點(diǎn)分布較為分散,且較CHN60&LMA型面在輪對(duì)橫移量較小時(shí),等效錐度偏大,在輪對(duì)橫移量較大時(shí),等效錐度偏小。

(3)疊加軌道幾何不平順作用下,同一斷面兩股鋼軌處的輪軌滾動(dòng)接觸行為差異顯著,左股鋼軌接觸斑面積大于右股鋼軌,左股鋼軌最大接觸應(yīng)力小于右股鋼軌,仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況一致。

(4)考慮軌道幾何狀態(tài)影響時(shí),采用磨耗鋼軌型面輪對(duì)的對(duì)中能力較差,與采用CHN60型面相比運(yùn)行時(shí)輪軌橫移量幅值增加,接觸斑面積顯著減小,最大接觸應(yīng)力顯著增加,左右股鋼軌接觸斑面積減小量的95%分位數(shù)約為90 mm2,最大接觸應(yīng)力增加量的95%分位數(shù)約為800 MPa和900 MPa,輪軌接觸狀態(tài)不良。

(5)應(yīng)及時(shí)開展直線段左右股鋼軌光帶差異較大、鋼軌廓形對(duì)稱性較差區(qū)段鋼軌打磨工作,以改善鋼軌服役狀態(tài),保障輪軌良好匹配。