周 駿，劉林芽，毛順茂

(1.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，江西南昌 330013;2.南昌軌道交通有限公司，江西南昌 330038)

鋼軌打磨技術(shù)是在外力作用下通過(guò)磨削清除表面金屬的工藝。目前鋼軌打磨技術(shù)已成為世界范圍內(nèi)重載、高速鐵路的一種普遍應(yīng)用的線路養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)。鋼軌打磨的目的在于消除鋼軌的波形磨耗和控制鋼軌的接觸疲勞，防止鋼軌因接觸疲勞而產(chǎn)生片狀剝落、開裂等病害。鋼軌打磨可分為校正性打磨、保養(yǎng)性打磨和預(yù)防性打磨。與前兩種打磨方法相比，預(yù)防性打磨能夠大幅度地提高鋼軌壽命和改善輪軌動(dòng)力相互作用。隨著打磨設(shè)備和技術(shù)的不斷改進(jìn)，以及優(yōu)質(zhì)鋼材和先進(jìn)潤(rùn)滑技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)打磨已經(jīng)基本上能夠消除鋼軌的波形磨耗，有效地控制剝落現(xiàn)象，大幅度提高鋼軌壽命及列車運(yùn)行的穩(wěn)定性［1-3］。

1 鋼軌廓形研究

引起鐵路軌道系統(tǒng)晃車的原因很多，也相當(dāng)復(fù)雜。當(dāng)車輛通過(guò)時(shí)會(huì)引起車輛—軌道的耦合振動(dòng)，輪軌系統(tǒng)激勵(lì)是由車輛和軌道相互作用造成的。除了車輛蛇行運(yùn)動(dòng)、車輪擦傷、車輪踏面幾何不圓順及車輪偏心等因素外，軌道的不平順也是車軌橋振動(dòng)的重要激勵(lì)源。而水平加速度超限是引起晃車的主要表現(xiàn)形式，故以水平加速度為分析對(duì)象來(lái)尋求理想的鋼軌廓形，為高速鐵路的養(yǎng)護(hù)維修提供依據(jù)［4］。利用軌檢車數(shù)據(jù)分析各月份各里程車輛水平加速度的幅值，并與現(xiàn)行規(guī)范比較，得到其對(duì)應(yīng)的各種鋼軌廓形。滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)且水平加速度最小的廓形為目標(biāo)廓形，超出規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的廓形則需要進(jìn)行打磨處理。對(duì)得到的目標(biāo)廓形處的TQI和垂向加速度進(jìn)行分析，若目標(biāo)廓形處的TQI和垂向加速度均滿足規(guī)范要求則可認(rèn)定該鋼軌廓形滿足最佳廓形的要求。

1.1 曲線段加速度分析

對(duì)武廣線2010年1月—2011年6月的軌檢車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用MATLAB軟件編程讀取原始的軌檢車數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)月份各里程的車輛水平加速度，來(lái)確定各月份各里程對(duì)應(yīng)的車輛狀態(tài)。分析結(jié)果表明:DK1231區(qū)段各月份對(duì)應(yīng)的水平加速度幅值最小，其水平加速度、垂直加速度幅值如圖1所示。從圖1可以明顯看出，車輛的水平加速度均小于規(guī)范規(guī)定的0.06g，車輛的垂向加速度值均小于規(guī)范要求的0.1g，故該區(qū)段的鋼軌廓形即為理想的廓形。其他里程對(duì)應(yīng)的廓形為水平加速度一級(jí)超限廓形。僅有部分里程的個(gè)別月份超限等級(jí)為二級(jí)(0.09g)，不足以說(shuō)明這極個(gè)別里程對(duì)應(yīng)的廓形為二級(jí)超限廓形。其中里程DK1232處水平加速度一級(jí)超限次數(shù)比其他地方多，說(shuō)明此處的鋼軌廓形不是理想廓形。

1.2 目標(biāo)廓形處的TQI分析

TQI是反映軌道質(zhì)量狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)特征值，用來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)段軌道質(zhì)量狀態(tài)，是衡量軌道區(qū)段平均質(zhì)量的綜合指標(biāo)［5］。

目前，我國(guó)主要采用局部超限扣分法和TQI數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)軌道質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。局部超限扣分法不能夠掌握線路質(zhì)量的整體均衡情況，一般情況下只對(duì)臨時(shí)補(bǔ)修有指導(dǎo)作用。利用TQI數(shù)據(jù)可對(duì)軌道質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，能綜合評(píng)價(jià)線路整體質(zhì)量，合理編制區(qū)段線路的綜合維修計(jì)劃，指導(dǎo)整修和大機(jī)作業(yè)，提高軌道狀態(tài)維修的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性、合理性［6-7］。

目標(biāo)廓形區(qū)段(DK1231)的TQI數(shù)據(jù)如圖2所示。TQI值表示的是對(duì)平均值的離散程度，因此其數(shù)值越小表示平順程度越好，反之不平順程度越大［7］。從TQI的平均值可以看出該目標(biāo)廓形處測(cè)量的軌道質(zhì)量指數(shù)均滿足規(guī)范要求(表1)。

圖2 武廣下行DK1231區(qū)段各月份對(duì)應(yīng)的TQI

表1 350 km/h線路軌道質(zhì)量指數(shù)管理值

1.3 確定曲線地段鋼軌打磨廓形

根據(jù)上述的水平加速度分析可知在DK1231區(qū)段1 km內(nèi)的水平加速度值最小，廓形為目標(biāo)廓形，且目標(biāo)廓形同時(shí)滿足TQI值和垂向加速度規(guī)范要求，所以此廓形可以確定為最佳廓形。由于磨耗的不同，所以得到的廓形圖是一個(gè)集合而不是唯一的斷面，見圖3。

圖3 下行線DK1231區(qū)段1 km內(nèi)的鋼軌最優(yōu)廓形(右軌)

從圖3可以看出此廓形集合包含5個(gè)鋼軌廓形，由此可以確定最佳鋼軌型面的上下限，只要鋼軌廓形處在上下限內(nèi)就是理想的鋼軌廓形，其水平加速度不會(huì)超限，并且可以得到廓形集合的平均廓形，如圖4所示。

圖4 平均磨耗廓形示意

因?yàn)楂@得的廓形是一個(gè)集合而不是唯一的斷面，所以本文選取廓形集合的平均廓形輸入到應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立的車輛軌道動(dòng)力學(xué)模型中，仿真計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)CN60鋼軌廓形和平均磨耗廓形對(duì)車輛系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)［8］。

2 車輛軌道動(dòng)力學(xué)模型

2.1 車輛模型

選取CRH2-300型高速動(dòng)車組為研究對(duì)象，利用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件建立高速車輛動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)于CRH2-300動(dòng)力學(xué)模型而言，列車模型為車體—構(gòu)架—輪對(duì)組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)軸箱與構(gòu)架聯(lián)結(jié)。模型中，轉(zhuǎn)向架由軸箱懸掛和中央懸掛兩部分組成。軸箱懸掛包括垂向、橫向和縱向三個(gè)方向的剛度以及垂向阻尼，并且考慮每軸箱兩組彈簧縱向和垂向距離差異;中央懸掛為空氣彈簧，其懸掛參數(shù)主要包括垂向、橫向和縱向三個(gè)方向的剛度和阻尼。另外，模型還包含有抗蛇行阻尼器、橫向止擋和抗側(cè)滾扭桿。

2.2 軌道激擾

SIMPACK軟件主要提供兩種軌道激勵(lì)(Track Excitations)，及相對(duì)于Track和相對(duì)于rail兩種不平順。此外SIMPACK還提供了好幾種預(yù)先定義好的軌道功率譜密度(PSD)。功率譜密度主要包括ORE176，也就是德國(guó)高干擾譜(DB high)和低干擾譜(DB low)。鑒于德國(guó)低干擾軌道譜適用于高速鐵路車輛的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，本文的軌道隨機(jī)激擾采用德國(guó)低干擾軌道譜。通過(guò)頻譜轉(zhuǎn)換，建立軌道隨機(jī)激擾在時(shí)域內(nèi)的不平順形式，并加入到 SIMPACK模型的軌道設(shè)置中［8］。

3 數(shù)值計(jì)算和結(jié)果分析

采用的車輛模型參數(shù)主要參考我國(guó)高速列車中的CRH2型車，模型計(jì)算中采用的車輛軸重為10.5 t，車輪踏面為L(zhǎng)Ma，輪對(duì)背側(cè)距為1 353 mm，車輪半徑為430 mm，軌距為1 435 mm。曲線半徑為3 000 m，前直線長(zhǎng)為200 m，緩和曲線長(zhǎng)300 m，軌道超高為75 mm，曲線長(zhǎng)為3 000 m，曲線總長(zhǎng)為4 000 m。以列車前轉(zhuǎn)向架的第一輪對(duì)為研究對(duì)象進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。

以CN60型面和磨耗型面為鋼軌型面，在180，200，220和240 km/h的速度下，計(jì)算得到列車通過(guò)半徑為3 000 m的曲線時(shí)每個(gè)車輪的脫軌系數(shù)、輪軌橫向力、輪重減載率、磨耗指數(shù)、輪軌垂向力和最大赫茲應(yīng)力幅值隨速度的變化，見表2。其中脫軌系數(shù)、輪軌橫向力隨速度的變化曲線如圖5所示。

表2 車輛曲線通過(guò)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)平均值

圖5 仿真計(jì)算的脫軌系數(shù)、輪軌橫向力隨速度的變化曲線

從表2及圖5可以看出，2種型面產(chǎn)生的6項(xiàng)指標(biāo)均在安全限值范圍之內(nèi)，而且都隨速度的增大而增大。在脫軌系數(shù)方面，磨耗型面優(yōu)于CN60型面;輪軌橫向力方面，CN60型面較大;輪重減載率方面，磨耗型面性能較好;磨耗指數(shù)方面，由于是大半徑曲線，磨耗指數(shù)均偏小，對(duì)列車通過(guò)性能影響不大;輪軌垂向力方面，兩種型面產(chǎn)生的垂向力在速度增大時(shí)變化較小，且相互之間差別不大;最大接觸應(yīng)力方面，CN60型面形成的最大接觸應(yīng)力明顯較磨耗型面大。綜上分析可以得出磨耗型面的曲線通過(guò)能力優(yōu)于CN60型面。

4 結(jié)論

本文探討如何利用軌道質(zhì)量指數(shù)獲得較優(yōu)的鋼軌打磨型面，并以武廣高鐵的軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下:

1)軌道質(zhì)量指數(shù)能準(zhǔn)確地反映出軌道質(zhì)量狀態(tài)，能夠作為對(duì)軌道不平順狀態(tài)進(jìn)行宏觀管理和質(zhì)量控制的依據(jù)，能夠用于指導(dǎo)線路打磨維修作業(yè)。線路打磨有助于使輪軌磨耗程度趨于平穩(wěn)，有效降低輪軌磨耗、減少車輛晃車現(xiàn)象。

2)根據(jù)軌道質(zhì)量指數(shù)從實(shí)測(cè)的磨耗型面軌頭外形中選擇鋼軌打磨廓形，只需進(jìn)行輕度鋼軌打磨即可，大大減少了鋼軌打磨的金屬打磨量，從而可以高效率、高質(zhì)量、低成本地消除線路病害。

3)利用SIMPACK軟件進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，分析不同鋼軌廓形下車輛曲線通過(guò)性能，結(jié)果表明獲得的鋼軌打磨廓形可以有效提高車輛運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，從而提高了車輛的曲線通過(guò)能力。

4)曲線段列車受力狀態(tài)復(fù)雜，是各種線路病害的多發(fā)路段，考慮鋼軌磨耗及列車通過(guò)性能來(lái)選擇和管理輪軌外形是很有必要的。應(yīng)使用具有代表性的輪軌外形。

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