鋼軌快速打磨車動(dòng)力學(xué)仿真研究

摘要：為研究鋼軌快速打磨車服役時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能，建立了考慮打磨小車與大車、磨石與鋼軌之間相互作用的鋼軌快速打磨車模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了該車在直線和曲線上運(yùn)行時(shí)不同作業(yè)狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)性能。研究表明：鋼軌快速打磨車的大車在自運(yùn)行、非工作和工作狀態(tài)下的臨界速度分別為178 km/h、176 km/h、169 km/h，打磨小車在非工作和工作狀態(tài)下的臨界速度分別為145 km/h、119 km/h，均能滿足80 km/h及以上的速度要求。在不同半徑的曲線軌道上運(yùn)行時(shí)，大車和打磨小車的曲線通過(guò)性能均隨曲線半徑的增大而提高，且均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在不同欠超高量的曲線軌道上運(yùn)行時(shí)，欠超高量越小，打磨小車在作業(yè)狀態(tài)和非作業(yè)狀態(tài)下的曲線通過(guò)性能越好，作業(yè)狀態(tài)受欠超高量的影響相較非作業(yè)狀態(tài)較小，且打磨小車的曲線通過(guò)安全性在所研究的超高范圍內(nèi)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：鋼軌快速打磨車；車輛動(dòng)力學(xué)；臨界速度；運(yùn)行安全性

中圖分類號(hào)：U270 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.04.005

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 04-0027-07

Dynamic Simulation on High-Speed Rail Grinding Vehicle

WANG Zhenyu1，ZHANG Youshi2，YAO Xiaohui2，DONG Long2，WANG Hengyu1

（ 1. State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

2. Sichuan SWJTU Railway Development Co.， Ltd.， Chengdu 610041， China ）

Abstract：In order to study the dynamic performance of the high-speed rail grinding vehicle in service， this paper establishes a model of it， considering the interactions between the grinding sub-vehicle and main vehicle， as well as between the grinding stones and rails. A dynamic simulation analysis is conducted to obtain the dynamic performance of the vehicle under different operational conditions on straight and curved tracks. The research findings indicate that the critical speeds of the main vehicle in self-propelled， non-operational， and operational states are 178 km/h， 176 km/h， and 169 km/h respectively. The grinding sub-vehicle's critical speeds in non-operational and operational states are 145 km/h and 119 km/h respectively， satisfying the speed requirements of 80 km/h or above. When operating on curved tracks with different radii， the curve passing performance of both the main vehicle and the sub-vehicle improves with increasing curve radius， and both meet the standard requirements. When operating on curved tracks with different cant deficiencies， the curve passing performance of the grinding sub-vehicle in both operational and non-operational states is better when the cant deficiency is smaller. The impact of cant deficiency on operational state is relatively smaller than that in the non-operational state. The curve passing safety of the grinding sub-vehicle within the range of the cant deficiencies in this study meets the standard requirements.

Key words：high-speed rail grinding vehicle；vehicle dynamics；critical speed；operational security

鐵路具有運(yùn)量大、行駛速度快、安全性高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等特性[1]，在中國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)中的地位越來(lái)越高，已逐漸發(fā)展成為中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈[2]。在鐵路鋼軌的使用過(guò)程中，車輪與鋼軌之間長(zhǎng)期的相互作用極易使鋼軌表層產(chǎn)生各類病害和問(wèn)題[3]，如波磨、裂紋、擦傷、肥邊等[4]。而對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨能有效消除鋼軌表面損傷和缺陷、改善輪軌接觸關(guān)系[5]、延長(zhǎng)鋼軌使用壽命、保障列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[6]。隨著鐵路養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)打磨手段對(duì)鋼軌進(jìn)行養(yǎng)護(hù)已成為世界各地鐵路管理部門的共識(shí)，并取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益[7]。

鋼軌快速打磨車是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種用于預(yù)防性打磨和預(yù)打磨的新型打磨裝備[8-9]。其磨石切削鋼軌的方式與傳統(tǒng)式打磨有較大區(qū)別，鋼軌快速打磨車的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)打磨車也有所不同，因此在進(jìn)行打磨作業(yè)時(shí)，磨石及整車的運(yùn)動(dòng)、受力均與傳統(tǒng)打磨有較大差異。然而針對(duì)鋼軌快速打磨作業(yè)時(shí)動(dòng)力學(xué)性能的研究在國(guó)內(nèi)外都較為稀少，且均未考慮大車與小車、磨石與鋼軌之間的相互作用帶來(lái)的影響。因此，本文通過(guò)建立考慮打磨小車與大車、磨石與鋼軌之間相互作用的鋼軌快速打磨車模型并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，然后結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，對(duì)鋼軌快速打磨車的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，為安全、高質(zhì)、高效的鋼軌快速打磨作業(yè)提供理論依據(jù)。

1 鋼軌快速打磨車動(dòng)力學(xué)建模

鋼軌快速打磨車作業(yè)原理如圖1所示。通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝有打磨小車的快速打磨車在鋼軌上以較高速度運(yùn)行，使得裝備在打磨小車上的打磨磨石與鋼軌之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和切削力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的快速打磨[10]。這種打磨方式的作業(yè)速度更快，可達(dá)60～80 km/h，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的3～16 km/h打磨速度，極大提高了作業(yè)效率，使得打磨作業(yè)時(shí)間安排更為靈活，能夠更好地適應(yīng)我國(guó)鐵路大里程的日常維護(hù)工作，具有巨大的工程應(yīng)用前景[11]。

1.1 整車動(dòng)力學(xué)建模

鋼軌快速打磨車整車模型如圖2所示，主要由一臺(tái)大車和一個(gè)打磨小車組成。大車由一個(gè)車體和兩個(gè)轉(zhuǎn)向架組成，兩個(gè)轉(zhuǎn)向架分別位于車體前后端；打磨小車位于整車縱向中心并

通過(guò)牽引拉桿及整體下壓機(jī)構(gòu)與大車車體相連接，其中，整體下壓機(jī)構(gòu)提供鋼軌打磨時(shí)的小車整體下壓力，而牽引拉桿提供打磨小車的牽引走行力。

鋼軌快速打磨車有三種作業(yè)狀態(tài)，分別為自運(yùn)行狀態(tài)、非作業(yè)狀態(tài)及作業(yè)狀態(tài)。在自運(yùn)行狀態(tài)下，打磨小車處于被提起狀態(tài)；在非作業(yè)狀態(tài)下，打磨小車放下并承受來(lái)自四根油缸的下壓力，但此時(shí)磨石支撐梁是提起狀態(tài)，磨石與鋼軌不接觸；在作業(yè)狀態(tài)下，打磨小車放下并承受來(lái)自整體下壓機(jī)構(gòu)的下壓力，打磨支撐梁放下并承受來(lái)自磨石下壓機(jī)構(gòu)的下壓力，磨石與鋼軌接觸，并在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)鋼軌產(chǎn)生磨削作用。

考慮到鋼軌快速打磨車多體系統(tǒng)復(fù)雜的自身結(jié)構(gòu)特性，為突出研究?jī)?nèi)容、減少影響較小的因素干擾，按照以下原則進(jìn)行假設(shè)或簡(jiǎn)化：

（1）打磨車模型中的結(jié)構(gòu)件，例如車體、軸箱、輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、小車構(gòu)架、打磨支撐梁等作為剛體處理；

（2）車輛系統(tǒng)中的彈簧、減振器、液壓缸等力學(xué)元件，均考慮為無(wú)質(zhì)量的彈簧阻尼系統(tǒng)；

（3）考慮軸箱彈簧、牽引拉桿、止擋等部件的非線性剛度特征。

所建立的作業(yè)狀態(tài)下的鋼軌快速打磨整車的動(dòng)力學(xué)模型如圖3所示。

1.2 打磨小車動(dòng)力學(xué)建模

鋼軌快速打磨小車主要由打磨小車構(gòu)架、輪對(duì)、一系定位裝置、牽引拉桿、打磨小車下壓機(jī)構(gòu)、磨石下壓機(jī)構(gòu)、磨石支撐梁以及磨石等結(jié)構(gòu)組成。打磨小車結(jié)構(gòu)及垂向動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。

為使打磨小車具有一定的曲線通過(guò)能力，設(shè)計(jì)一系定位裝置時(shí)對(duì)橫向及縱向設(shè)置了一定的間隙。間隙范圍內(nèi)，一系剛度不變，而當(dāng)位移量達(dá)到一定值時(shí)，一系定位剛度將快速增大，一系縱向剛度曲線如圖5所示。對(duì)牽引拉桿同樣采取了非線性化處理，如圖6所示。對(duì)液壓缸進(jìn)行剛度換算，并將其模擬成彈簧阻尼結(jié)構(gòu)。打磨小車動(dòng)力學(xué)建模主要參數(shù)如表1所示。

將磨石考慮成一個(gè)圓柱體，不考慮磨石及鋼軌材料的損失，將其導(dǎo)入至多體動(dòng)力學(xué)軟件中，得到磨石與鋼軌之間的接觸模型，如圖7所示。磨石與鋼軌法向接觸理論采用赫茲接觸，切向力采用FASTSIM方法進(jìn)行計(jì)算。

2 鋼軌快速打磨車動(dòng)力學(xué)性能研究

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)鋼軌快速打磨車動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究和評(píng)定是研究鐵路車輛動(dòng)力學(xué)的常用方法。此快速鋼軌打磨車屬于工務(wù)養(yǎng)路機(jī)械范疇，適用GB/T 17426－1998標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定。本文以臨界速度、脫軌系數(shù)和輪軸橫向力為主要研究?jī)?nèi)容。

（1）臨界速度

讓鋼軌打磨車以一定速度通過(guò)有激勵(lì)的線路后在平直線路上運(yùn)行，若輪對(duì)橫移量處于收斂和發(fā)散的中間態(tài)，則定義該通過(guò)速度為快速鋼軌打磨車的臨界速度。

（2）脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)用于鑒定打磨車車輪輪緣在橫向力作用下是否會(huì)因逐漸爬上軌頭而脫軌，其公式定義及標(biāo)準(zhǔn)要求為：

（1）

式中： 為爬軌側(cè)車輪作用域鋼軌上的垂向力； 為爬軌側(cè)車輪作用域鋼軌上的橫向力。

（3）輪軸橫向力

輪軸橫向力的允許限度采用標(biāo)準(zhǔn)為：

H≤ " " " " " " （2）

式中：H為輪軸橫向力； 、 分別為兩側(cè)車輪的靜載荷。

在該模型中，根據(jù)靜平衡計(jì)算得到的車輪靜載荷可得：打磨小車輪對(duì)的輪軸橫向力應(yīng)滿足H≤33.48 kN；大車輪對(duì)的輪軸橫向力應(yīng)滿足H≤41.15 kN。

2.2 直線運(yùn)行穩(wěn)定性

由于該鋼軌快速打磨車的大車和小車均采用傳統(tǒng)鐵路輪對(duì)，因此，當(dāng)行駛在直線軌道上時(shí)，其大車和打磨小車輪對(duì)均容易產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，從而影響其運(yùn)行穩(wěn)定性。輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)與車輛的臨界速度密切相關(guān)，因此，本文從臨界速度出發(fā)，研究鋼軌快速打磨車在直線軌道上運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

讓鋼軌打磨車在自運(yùn)行狀態(tài)下以一定速度通過(guò)有激勵(lì)的線路后在平直線路上運(yùn)行，得到大車輪對(duì)橫移量隨時(shí)間的變化曲線，如圖8所示。可以看出，當(dāng)速度為178 km/h時(shí)，大車輪對(duì)橫移量處于發(fā)散狀態(tài)；當(dāng)速度為179 km/h時(shí)，其橫移量隨時(shí)間收斂。這說(shuō)明在自運(yùn)行狀態(tài)下，鋼軌快速打磨車的大車臨界速度為178 km/h。

采用同樣的方法對(duì)非工作狀態(tài)、工作狀態(tài)下的鋼軌快速打磨車的大車和小車的臨界速度進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如圖9所示。可以看出，在自運(yùn)行、非工作、工作狀態(tài)下，大車臨界速度區(qū)別不大，分別為178 km/h、176 km/h、169 km/h，這說(shuō)明打磨小車與大車之間的相互作用、磨石與鋼軌之間的相互作用會(huì)使得大車的蛇形運(yùn)行穩(wěn)定性降低，但影響很小。而打磨小車在非工作和工作狀態(tài)下的臨界速度分別為145 km/h和119 km/h，這說(shuō)明打磨小車能夠滿足80 km/h及以上的作業(yè)和運(yùn)行要求。

2.3 曲線通過(guò)安全性

研究鋼軌快速打磨車以不同工作狀態(tài)通過(guò)曲線時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能，是保障鋼軌快速打磨車在曲線段鋼軌安全運(yùn)行和工作的前提。

2.3.1 半徑對(duì)曲線通過(guò)性能的影響

不同曲線半徑下鋼軌快速打磨車大車的曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能如圖10所示。可以看出，隨著曲線半徑的增大，三種工作狀態(tài)的脫軌系數(shù)和輪軸橫向力均越來(lái)越小，即鋼軌快速打磨車大車的曲線通過(guò)安全性隨曲線半徑的增大而提高，且自運(yùn)行狀態(tài)下的曲線通過(guò)安全性好于非作業(yè)狀態(tài)、好于作業(yè)狀態(tài)，這說(shuō)明，打磨小車與大車之間的相互作用對(duì)大車的影響大于磨石與鋼軌之間相互作用帶來(lái)的影響。三種狀態(tài)下，大車的脫軌系數(shù)和輪軸橫向力最大值分別為0.25和28.86 kN，均遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)[12]規(guī)定的限值。

不同曲線半徑下鋼軌快速打磨小車的曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)性能如圖11所示?？梢钥闯?，隨著曲線半徑的增大，三種工作狀態(tài)的脫軌系數(shù)和輪軸橫向力均越來(lái)越小，即鋼軌快速打磨小車的曲線通過(guò)安全性隨曲線半徑的增大而變好，且非作業(yè)狀態(tài)下的曲線通過(guò)安全性好于作業(yè)狀態(tài)。兩種狀態(tài)下，小車的脫軌系數(shù)和輪軸橫向力最大值分別為0.35和15.89 kN，均遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)[12]規(guī)定的限值。

2.3.2 超高對(duì)曲線通過(guò)性能的影響

對(duì)于一些地鐵線路上的小半徑曲線，由于線路鋪設(shè)環(huán)境以及特殊用途的安排，有些線路的超高量會(huì)設(shè)置得相對(duì)較小，甚至為0，而鋼軌快速打磨車的作業(yè)速度較高，因此有必要研究不同欠超高情況下的打磨車動(dòng)力學(xué)性能。

鋼軌快速打磨車的大車在三種狀態(tài)下，曲線欠超高量對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能的影響如圖12所示，設(shè)置曲線半徑為200 m，曲線欠超高量為20～180 mm。可以看出，三種狀態(tài)下打磨小車的脫軌系數(shù)均隨欠超高量的增大而增大，且自運(yùn)行狀態(tài)下的曲線通過(guò)安全性好于非作業(yè)狀態(tài)好于作業(yè)狀態(tài)。

鋼軌快速打磨小車在作業(yè)狀態(tài)和非作業(yè)狀態(tài)下，曲線欠超高量對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能的影響如圖13所示?？梢钥闯觯瑑煞N狀態(tài)下打磨小車的脫軌系數(shù)均隨欠超高量的增大而增大，且當(dāng)欠超高量由20 mm增大到180 mm時(shí)，作業(yè)狀態(tài)下打磨小車的脫軌系數(shù)從0.220提高到0.262，增加了19.1%，非作業(yè)狀態(tài)下打磨小車的脫軌系數(shù)從0.208提高到0.256，增加了23.1%，這說(shuō)明作業(yè)狀態(tài)的脫軌系數(shù)受欠超高量的影響較小。打磨小車的輪軸橫向力隨欠超高量的增大而增大，且當(dāng)欠超高量由20 mm增大到180 mm時(shí)，作業(yè)狀態(tài)下打磨小車輪軸橫向力從6.7 kN提高到11.7 kN，增加了74.5%，非作業(yè)狀態(tài)下打磨小車輪軸橫向力從5.5 kN提高到12.5 kN，增加了128.1%，這說(shuō)明作業(yè)狀態(tài)的輪軸橫向力受欠超高量的影響較小。

兩種狀態(tài)下打磨小車的脫軌系數(shù)和輪軸橫向力最大值分別為0.25和12.5 kN，均遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)[12]規(guī)定的限值，這說(shuō)明在欠超高量為20～

180 mm時(shí)，作業(yè)狀態(tài)和非作業(yè)狀態(tài)下的打磨小車均有較好的安全性。

3 結(jié)論

本文首先建立了考慮打磨小車與大車、磨石與鋼軌之間相互作用的鋼軌快速打磨車模型，然后基于該模型對(duì)鋼軌快速打磨車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了分析，得到鋼軌快速打磨車在直線和曲線上運(yùn)行時(shí)不同作業(yè)狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：

（1）鋼軌快速打磨車的大車在自運(yùn)行、非工作、工作狀態(tài)下，臨界速度分別為178 km/h、176 km/h、169 km/h；打磨小車在非工作、工作狀態(tài)下，臨界速度分別為145 km/h、119 km/h，均滿足80 km/h及以上的作業(yè)和運(yùn)行速度要求。

（2）在不同半徑曲線軌道上運(yùn)行時(shí)，大車和小車在不同作業(yè)狀態(tài)下的安全性均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。大車和小車的曲線通過(guò)安全性均隨曲線半徑的增大而提高，且打磨小車與大車之間的相互作用對(duì)大車的曲線通過(guò)安全性的影響大于磨石與鋼軌之間接觸帶來(lái)的影響。

（3）在不同欠超高量的曲線軌道上運(yùn)行時(shí)，打磨小車在作業(yè)和非作業(yè)狀態(tài)下的安全性均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且欠超高量越小，打磨小車在作業(yè)狀態(tài)和非作業(yè)狀態(tài)下的曲線通過(guò)安全性越好。

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