司道林，王繼軍，孟 宏

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.南車(chē)二七車(chē)輛有限公司 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部，北京 100072)

0 引言

由于車(chē)輪踏面與鋼軌頂面主要接觸區(qū)域具有一定錐度，為使鋼軌軸心受力，減小附加橫向彎矩，鋼軌應(yīng)有一個(gè)向內(nèi)的傾斜度，此即形成軌底坡。鋼軌軌底坡的合理設(shè)置，可使輪軌接觸集中于軌頂中部，提高鋼軌的橫向穩(wěn)定能力，減輕軌頭不均勻磨耗，同時(shí)也有利于減小軌頭塑性變形，延長(zhǎng)使用壽命。

世界各國(guó)鋼軌軌底坡的取值不盡相同，歐洲大部分國(guó)家、澳大利亞、東南亞、香港等國(guó)家和地區(qū)按 UIC標(biāo)準(zhǔn)采用1/20的軌底坡，這是因?yàn)樗麄兊能?chē)輪大多采用了1/20的錐型踏面或接近1/20的磨耗型踏面，日本、美國(guó)等國(guó)采用了1/40軌底坡，也有個(gè)別國(guó)家(瑞典)采用1/30軌底坡［1］，我國(guó)鐵路自1965年起，直線地段的軌底坡標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一由原來(lái)的1/20改為1/40，據(jù)文獻(xiàn)［1-2］介紹，主要是由于①當(dāng)時(shí)的軌道結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)較低，采用鉤頭道釘扣壓鋼軌，經(jīng)過(guò)一段時(shí)期的運(yùn)營(yíng)后，鋼軌動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)較普遍，使鋼軌內(nèi)扣道釘浮起，實(shí)際軌底坡變小，接近1/40;②車(chē)輪踏面經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的磨耗后，原1/20踏面錐度接近1/40。分析其形成原因，文獻(xiàn)［1-2］作者均建議將軌底坡改回1/20;文獻(xiàn)［3-4］建議采用1/20軌底坡。曲線地段軌底坡的設(shè)置應(yīng)與超高對(duì)應(yīng)，不僅能改善車(chē)輛的曲線通過(guò)性能［5-7］，而且對(duì)減緩曲線區(qū)段外軌的側(cè)磨起到積極作用［8-9］。由此可見(jiàn)，軌底坡的取值不僅取決于輪軌型面，而且與線路條件密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)效果的分析，得出合理軌底坡取值。

隨著我國(guó)重載鐵路的不斷發(fā)展，某些運(yùn)煤干線采用了75 kg/m重型鋼軌，而且曲線地段鋼軌出現(xiàn)嚴(yán)重側(cè)磨，鑒于以上軌底坡調(diào)整對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀況的改善，本文將著重分析75 kg/m鋼軌與LM踏面車(chē)輪匹配時(shí)，軌底坡的取值對(duì)輪軌接觸參數(shù)以及車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響。

1 重載貨車(chē)模型

本文采用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件SIMPACK，建立了我國(guó)重載貨車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，模型中合理考慮了楔塊的運(yùn)動(dòng)自由度，楔塊摩擦副產(chǎn)生的摩擦力取決于法向正壓力(如圖1(a)所示)，充分反應(yīng)楔塊主、副摩擦面的摩擦減振功能，以及抗菱形變形中所起的作用。三大件式貨車(chē)轉(zhuǎn)向架軸箱采用導(dǎo)框或橡膠墊定位，搖枕和側(cè)架之間采用螺旋簧連接(如圖1(b)所示)，從而減小二系橫向剛度，車(chē)體與搖枕之間采用彈性雙作用常接觸旁承，提高車(chē)輛的回轉(zhuǎn)摩擦力矩和車(chē)體的抗側(cè)滾能力，每節(jié)貨車(chē)均由車(chē)體和兩臺(tái)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)相同的二軸轉(zhuǎn)向架組成(表1中給出了各剛體的自由度)。所建立模型已通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證［10］。

圖1 動(dòng)力學(xué)模型

表1 模型自由度的選取

2 75 kg/m鋼軌斷面屬性

鋼軌是鐵路軌道的重要組成部件，承受車(chē)輪載荷并引導(dǎo)列車(chē)的車(chē)輪運(yùn)行。鋼軌頭部是直接接觸車(chē)輪的部分，應(yīng)具有抵抗壓潰和耐磨的能力，故軌頭應(yīng)大而厚，其外形應(yīng)與車(chē)輪踏面相適應(yīng)。隨著重載鐵路的不斷發(fā)展，我國(guó)運(yùn)煤干線鋪設(shè)了75 kg/m重型鋼軌，與60 kg/m軌相比，機(jī)械性能均有所提高(技術(shù)參數(shù)如表2所列［10］)。軌頂圓弧半徑由300 mm增為500 mm(詳細(xì)尺寸見(jiàn)文獻(xiàn)［11］)，有利于增大接觸面積，提高軌頂?shù)某休d能力，與此同時(shí)，鋼軌頂面錐度亦有所減小。

3 靜態(tài)接觸參數(shù)分析

鋼軌軌底坡的改變將直接影響輪軌接觸點(diǎn)的分布，繼而改變接觸角差、輪徑差，并影響到輪對(duì)重力剛度［7］。圖2給出了1/40、1/20兩種軌底坡情況下，輪對(duì)橫移幅值為10 mm范圍內(nèi)輪軌接觸點(diǎn)分布情況，從中可以看出，1/40軌底坡下輪軌接觸點(diǎn)集中分布在鋼軌中軸線以?xún)?nèi)，1/20軌底坡下的接觸點(diǎn)分布在鋼軌中軸線兩側(cè)，且更為均勻。

表2 鋼軌技術(shù)參數(shù)

圖2 接觸點(diǎn)分布

圖3描述了兩種軌底坡條件下輪徑差和接觸角差，從中可以看出，對(duì)輪徑差而言，輪對(duì)橫移量在0～4 mm內(nèi)，1/20軌底坡對(duì)應(yīng)的輪徑差和接觸角差大于1/40軌底坡，輪徑差尤為顯著，再由式(1)［12］中輪對(duì)重力剛度的表達(dá)式可知，由于軌底坡的增大，同一輪對(duì)橫移量下輪對(duì)重力剛度得以提高，不僅改善了輪對(duì)恢復(fù)對(duì)中能力，還能在一定程度上平衡曲線通過(guò)時(shí)的離心力，對(duì)減緩曲線上鋼軌磨耗起到積極作用［7］。在輪對(duì)橫移量接近10 mm時(shí)，曲線發(fā)生突變，出現(xiàn)輪緣接觸;不難發(fā)現(xiàn)，1/40軌底坡時(shí)的輪軌接觸較1/20軌底坡更易發(fā)生輪緣接觸。

圖3 接觸幾何參數(shù)

式中，Kgy為輪對(duì)重力剛度，W為輪重，y為輪對(duì)橫移量，δR、δL分別為右輪、左輪輪軌接觸角，φ為輪對(duì)側(cè)滾角。

4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

軌底坡的取值影響到輪軌接觸點(diǎn)的位置，改變輪軌接觸參數(shù)，使得輪軌動(dòng)態(tài)接觸行為發(fā)生變化，車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)隨之發(fā)生改變。文獻(xiàn)［8-9］中作者從試驗(yàn)的角度闡述了軌底坡對(duì)車(chē)輛曲線性能的影響，本文采用動(dòng)態(tài)仿真的方法，以C70貨車(chē)時(shí)速55 km通過(guò)600 m曲線半徑(超高為60 mm)為例(車(chē)輛以勻速通過(guò)曲線)，對(duì)兩種軌底坡工況下的輪對(duì)橫移量、沖角、輪軌力等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，以此對(duì)重載鐵路鋼軌軌底坡取值對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。為著重反映軌底坡的影響，未設(shè)置軌道不平順。

圖4給出了車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)導(dǎo)向輪的動(dòng)力響應(yīng)。從圖4(a)可以看出，當(dāng)軌底坡由1/40改為1/20后，圓曲線上輪對(duì)橫移量由7.3 mm變?yōu)?.5 mm，據(jù)文獻(xiàn)［7］的結(jié)論，輪對(duì)橫移量的減小由輪對(duì)重力剛度增大所致，輪對(duì)沖角、輪軌橫向力的減小亦和輪對(duì)重力剛度的增大有關(guān)，并均有所減小，提高了輪對(duì)蠕滑導(dǎo)向的能力;可見(jiàn)，軌底坡的增大對(duì)減小曲線鋼軌的磨耗起到積極作用。與此同時(shí)，輪軌接觸斑面積有所增大(如圖4(d)所示)，降低了接觸應(yīng)力，減少了輪軌接觸疲勞損傷。

圖4 車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)重載鐵路的具體特點(diǎn)，對(duì)鋼軌軌底坡的取值進(jìn)行探討。采用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立貨車(chē)模型，分析了75 kg/m—LM踏面接觸副的靜態(tài)接觸幾何關(guān)系以及動(dòng)態(tài)曲線通過(guò)性能，得出結(jié)論如下:

1)當(dāng)75 kg/m與LM踏面匹配時(shí)，1/40軌底坡下輪軌接觸點(diǎn)集中分布在鋼軌中軸線以?xún)?nèi)，較1/20軌底坡更易發(fā)生輪緣接觸，1/20軌底坡下的接觸點(diǎn)分布在鋼軌中軸線兩側(cè)，且更為均勻。

2)輪對(duì)橫移量在 ＜4 mm時(shí)，1/20軌底坡對(duì)應(yīng)的輪徑差和接觸角差＞1/40軌底坡，輪徑差尤為顯著，增大了輪對(duì)重力剛度，提高了輪對(duì)的對(duì)中能力。

3)采用1/20軌底坡可獲得良好的曲線通過(guò)性能，有利于減緩曲線鋼軌磨耗;并增大了輪軌接觸斑面積，提高了輪軌的承載能力，并有益于延長(zhǎng)輪軌使用壽命。

綜合以上分析，建議我國(guó)重載鐵路采用1/20軌底坡，在改善輪軌接觸條件基礎(chǔ)上，不僅獲得良好的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，并可取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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