張訓全，張軍(大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連116028)*

鋼軌打磨對地鐵車輛動力學性能的影響

張訓全，張軍
(大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連116028)*

通過現(xiàn)場測試沈陽地鐵某區(qū)間打磨作業(yè)現(xiàn)場打磨前后鋼軌型面數(shù)據(jù)，將鋼軌型面數(shù)據(jù)導入到SIMPACK軟件中，還搜集到了國內(nèi)關(guān)于打磨車作業(yè)標準中關(guān)于打磨后鋼軌型面的數(shù)據(jù).并且建立了車輛－軌道動力學模型，分別計算了打磨前后不同鋼軌型面下車輛平穩(wěn)性、輪對橫移量、磨耗功率，結(jié)果表明:鋼軌打磨可以提升車輛運行的平穩(wěn)性，降低車輪磨耗功率，從而降低輪軌磨耗，延長鋼軌使用壽命.

鋼軌打磨;車輛動力學;鋼軌型面

0 引言

鐵路作為國家重要基礎(chǔ)設(shè)施以及運輸網(wǎng)絡(luò)的大動脈，在綜合交通體系中已經(jīng)成為主干地位.不僅如此，近幾年我國地下鐵路運輸系統(tǒng)、城市軌道交通系統(tǒng)也得到了迅猛的發(fā)展.但是鐵路客貨運量的不斷激增對線路質(zhì)量的考驗日益嚴峻，長時間反復(fù)超負荷的輪軌滾動接觸造成鋼軌的破壞嚴重，出現(xiàn)各種各樣的鋼軌損傷［1］.鋼軌打磨技術(shù)對打磨效率、打磨方案、行車組織等方面的要求比較高，前期研發(fā)成本大，盡管面臨諸多困難，然而世界各國仍然致力于鋼軌打磨技術(shù)的研究.以瑞士SPENO international為典型的諸多國外企業(yè)［2］，已能較為成熟的對鋼軌打磨車輛等綜合軌道養(yǎng)護設(shè)備，進行產(chǎn)品設(shè)計與批量生產(chǎn).Harsco Track Technologies( HTT)公司研制了裝有48個打磨頭和96個打磨頭的PGM-48鋼軌打磨列車［3］.澳大利亞在1978年采用曲線非對稱打磨的方式對其管內(nèi)的鋼軌進行打磨，采用這種非對稱打磨方式提高了機車車輛的曲線通過性能［4］.周清躍［5］等提出了適用于不同車輪型面的鋼軌預(yù)打磨深度理論設(shè)計值以及適用于LMA和S1002G車輪踏面的鋼軌預(yù)打磨軌頭廓形.建議我國高速鐵路的鋼軌打磨周期為30～50 Mt通過總重打磨1次.馬躍偉［6］等從鋼軌滾動接觸疲勞的角度，利用輪軌三維有限元模型計算得到相應(yīng)的接觸應(yīng)力的概率分布，從而得到較優(yōu)的鋼軌打磨廓形.金學松［7］等論述了鋼軌打磨技術(shù)與輪軌接觸疲勞、磨耗、噪聲、潤滑之間的關(guān)系和相互作用模型，提出了綜合了鋼軌打磨設(shè)備的折舊費用的鋼軌維修成本的經(jīng)濟學模型.雷曉燕［8］總結(jié)了鋼軌打磨的各種方法，認為將鋼軌打磨按照要達到的目的分為“外形打磨”和“表面打磨”.劉學毅［9］、CHEN［10］等分別用車輛穩(wěn)態(tài)曲線通過理論和Simpack軟件對非對稱預(yù)防性打磨進行了數(shù)值模擬計算，在理論上說明了鋼軌打磨可以降低鋼軌磨損的效果.

本文通過不同打磨方案下的鋼軌與車輪接觸，運用動力學分析方法，研究對不同打磨方案下對機車車輛動力學性能的影響因素，從多個角度分析并找出打磨后車輛動力學性能指標相對較好打磨方案.為鐵路軌道及列車設(shè)計參數(shù)提供理論依據(jù).

1 現(xiàn)場實測及鋼軌型面分析

1.1鋼軌型面數(shù)據(jù)采集

通過輪軌型面測量儀來獲得線路上的鋼軌型面和車輛車輪型面數(shù)據(jù).測試的線路數(shù)據(jù)均來源沈陽地鐵某區(qū)間.測試的數(shù)據(jù)包含了打磨作業(yè)全過程.在打磨開始前，首先測試了磨耗后的鋼軌數(shù)據(jù)，然后在打磨車進行打磨時，打磨車每完成一次打磨，就對剛剛打磨完成的鋼軌進行測試，直至打磨作業(yè)結(jié)束.圖1所示為打磨后的鋼軌照片.

圖1 打磨完成后鋼軌

1.2鋼軌型面分析

由圖2可以看出，打磨后的鋼軌廓形由圓曲線變成了若干直線段模擬出的多邊形輪廓，這些直線段是由于打磨過程中，打磨車的打磨砂輪在鋼軌的各個部位擺至不同的角度對鋼軌進行打磨，每個砂輪打磨一次，就產(chǎn)生一條直線段.通過打磨砂輪在軌道上方不同角度，多遍的打磨就形成了由多邊形連結(jié)起來的打磨后鋼軌廓形.在軌頂半徑為R300的部分，打磨后的鋼軌很好的打磨出了半徑為R300的弧線.在軌頂兩側(cè)，發(fā)現(xiàn)打磨前測量的數(shù)據(jù)和標準60 kg/m鋼軌廓形有很大的差異，輕微的出現(xiàn)了塑性流動.但是在打磨后，在軌角附近，打磨后鋼軌的廓形跟標準60 kg/m鋼軌有極好的相似程度.這說明鋼軌打磨在消除鋼軌缺陷，改善輪軌間接觸狀態(tài)起到了積極的作用.

圖2 打磨前后鋼軌型面對比

2 車輛軌道動力學模型的建立

利用SIMPACK軟件以國內(nèi)某車輛為基礎(chǔ)建立車輛動力學模型并進行車輛的多體系統(tǒng)動力學仿真計算.用簡單的動力學模型對鋼軌打磨前后車輛系統(tǒng)的動力學性能進行計算和分析，如車輛的平穩(wěn)性、穩(wěn)定性、曲線通過性能和各類作用力進行評價.

建立車輛模型(圖3所示)時，對車輛系統(tǒng)動力學性能影響較大的因素則盡可能按照實際情況進行建模，而對一些對計算精度影響較小的因素進行相應(yīng)的簡化.把軸箱、基礎(chǔ)制動裝置、驅(qū)動裝置的重量整合到構(gòu)架上，一系、二系懸掛裝置簡化成彈簧和減震器的布置方式［10］，輪對、構(gòu)架、車體的剛度比懸掛系統(tǒng)的剛度要小.

圖3 車輛軌道動力學模型

建立的車輛軌道系統(tǒng)動力學模型中直線段選取線路長度為2 000 m，鋼軌型面分別選取了標準60 kg/m鋼軌型面、打磨現(xiàn)場測試的磨耗后的鋼軌型面、打磨現(xiàn)場測試的磨耗后的鋼軌型面、打磨后的鋼軌型面和搜集到的國家標準中關(guān)于打磨作業(yè)后鋼軌型面標準，如圖4所示.曲線段采用直線－緩和曲線－圓曲線－緩和曲線－直線的線路布置，鋼軌的型面選擇了標準60 kg/m鋼軌標準型面、磨耗后鋼軌型面和現(xiàn)場測試的打磨后曲線段鋼軌型面.軌道選擇的是美國5級軌道譜.圖中所示為將車輛和軌道的各項參數(shù)輸入到程序中的操作界面.

圖4 打磨方案2

3 計算結(jié)果分析

3.1平穩(wěn)性分析

圖5( a)列出了標準車輪與標準鋼軌的橫向振動加速度隨時間變化的曲線，圖5( b)是磨耗后軌與標準鋼軌的振動加速度曲線，圖5( c)、5( d)是兩種打磨方案打磨后的振動加速度曲線.

圖5 振動加速度隨時間變化的曲線

將打磨前后4種鋼軌型面對應(yīng)的平穩(wěn)性指標繪制成柱形圖，如圖6所示.通過對比圖中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，只有打磨方案1和打磨方案2達到了優(yōu)秀的等級，這兩種工況都是打磨后的工況，而其余工況都只達到了良好的水平.這說明鋼軌打磨可以有效的改善車輛橫向平穩(wěn)性系數(shù).相比橫向平穩(wěn)性指標，車輛的垂向平穩(wěn)行指標打磨前后變化不大，無論是磨耗后未經(jīng)打磨的鋼軌還是打磨后的鋼軌，車輛的垂向平穩(wěn)性指標都達到了國家標準中優(yōu)秀的水平.

圖6 平穩(wěn)性指標

3.2 橫移量

圖7( a)為標準輪和標準軌匹配時車輛前轉(zhuǎn)向架前輪的橫移量隨時間變化的曲線，7( b)為前轉(zhuǎn)向架后輪的橫移量，7( c)為后轉(zhuǎn)向架前輪的橫移量，7( d)為后轉(zhuǎn)向架后輪的橫移量隨時間變化的曲線.

圖7 橫移量隨時間變化的曲線

可以看出，橫移量最大的輪對始終出現(xiàn)在沿車輛行駛方向最前面的輪對［11］.在同一車輛中橫移量最大的輪對出現(xiàn)在前轉(zhuǎn)向架前輪.通過對打磨前后4種鋼軌型面每個輪對的橫移量計算發(fā)現(xiàn)，不僅是最大橫移量出現(xiàn)在前轉(zhuǎn)向架前輪，而且每個轉(zhuǎn)向架的前輪對的橫移量均大于后輪對的橫移量.這是由于車輛車輪踏面存在等效錐度和輪對滾動圓半徑差所造成的，倘若后輪的橫移量大于前輪，則車輛的前輪就喪失導向能力，造成車輛的蛇形失穩(wěn).

通過圖8還可以發(fā)現(xiàn)，無論哪種鋼軌型面，前轉(zhuǎn)向架前輪的最大橫移量均在標準軌工況和磨耗后的鋼軌工況之間，故可以推測，鋼軌打磨可以使輪對橫移量減小，使輪軌接觸斑更靠近軌頂，改善輪軌接觸狀態(tài)，使鋼軌性能竭盡可能的回到標準型面軌的狀態(tài).

圖8 橫移量最大值

3.3磨耗功率

分別計算了4種鋼軌型面下每個車輪的磨耗功率，由于車輛在運行時前轉(zhuǎn)向架前輪起到導向作用，故其磨耗功率大于車輛上的其他車輪.將標準輪和標準鋼軌匹配時的前轉(zhuǎn)向架的磨耗功率隨時間變化的曲線繪制成圖9.圖中1－R表示沿著車輛運行的方向第一位輪對右輪，按照這樣的方式命名.

通過對比打磨前后4種鋼軌型面下每個車輪的磨耗功率可以發(fā)現(xiàn)，在每個鋼軌型面前轉(zhuǎn)向架上的車輪磨耗功率均大于后轉(zhuǎn)向架上車輪的磨耗功率，后轉(zhuǎn)向架的磨耗功率大小僅是前轉(zhuǎn)向架磨耗功率大小的40%左右.

圖9 磨耗功率隨時間變化的曲線

將打磨前后4種鋼軌型面的磨耗功率最大值制成柱形圖，如圖10所示.

圖10 磨耗功率最大值

可以發(fā)現(xiàn)4種鋼軌型面下前后轉(zhuǎn)向架磨耗功率的變化趨勢大致相同.對于前轉(zhuǎn)向架而言，標準車輪和標準鋼軌匹配時車輪的磨耗功率最大，是打磨方案1的2.3倍.這是由于在標準車輪和標準鋼軌匹配時，車輪的磨耗速度是最快的，經(jīng)過車輪與鋼軌間的接觸，車輪和鋼軌均發(fā)生磨耗，磨耗速度逐漸降低［12］.從標準輪軌匹配時的工況到磨耗后鋼軌與標準車輪匹配工況正是經(jīng)歷了這樣磨耗速率逐漸變慢的過程.從圖中發(fā)現(xiàn)，打磨方案1和打磨方案2的磨耗功率均遠小于標準車輪和標準鋼軌匹配的情況，這說明通過對鋼軌的打磨可以有效的降低車輛的磨耗功率，減慢車輪的磨耗速率，從而延長車輪的鏇修期.

4 結(jié)論

通過對打磨前后不同打磨方案下不同鋼軌型面的車輛動力學性能進行計算和分析可得出如下結(jié)論:

( 1)磨耗后且未經(jīng)過打磨的鋼軌在直線段和曲線段輪對的橫移量都是最大.通過對鋼軌的打磨可以有效的降低輪對的橫移量，使輪對橫移量最大值接近標準輪軌的水平;

( 2)磨耗功率最小值出現(xiàn)在磨耗后鋼軌和標準車輪匹配時的情況，通過鋼軌打磨可以使打磨后的鋼軌和車輪匹配時的磨耗功率最大值接近磨耗后的工況.故從降低車輪磨耗功率的角度來考慮，對新鋪設(shè)的鋼軌進行預(yù)打磨可以有效的降低車輪磨耗功率;

( 3)通過對比計算打磨前后不同鋼軌型面下車輛的平穩(wěn)性指標可以發(fā)現(xiàn)鋼軌打磨可以降低車輛的平穩(wěn)性指標.

［1］金學松，劉啟躍.輪軌摩擦學［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］WOLFGANG SCHOECH.Rolling contact fatigue mitigation by grinding［J］.Wear，2002( 253) : 308-316.

［3］ZAREMBSKI A M.On the benefit of rail maintenance grinding［R］.AREA Bulletin，1998.

［4］STEPHEN MARICH.Rail grinding strategies adopted in Australia［J］.Rail engineering international，2005( 1) : 4-6.

［5］周清躍，田常海，張銀花，等.高速鐵路鋼軌打磨關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.中國鐵道科學，2012，33( 2) : 66-69.

［6］馬躍偉，任明法，胡廣輝，等.高速鐵路鋼軌預(yù)打磨型面優(yōu)化分析［J］.機械工程學報，2012，48( 8) : 90-97.

［7］金學松，杜星，郭俊，等.鋼軌打磨技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.西南交通大學學報，2010，45( 2) : 1-10.

［8］雷曉燕.鋼軌打磨原理及其應(yīng)用［J］.鐵道工程學報，2000，65( 1) : 28-33.

［9］劉學毅.不對稱打磨技術(shù)減緩鋼軌側(cè)磨效果初探［J］.中國鐵路，1993( 10) : 12-14.

［10］CHEN PENG，GAO LIANG，HAO JIANFANG.Dynamics Simulation on Asymmetrical RailGrinding in Railwan Curve［J］.ICTE，2007( 4) : 2346-2352.

［11］周亮節(jié).鋼軌打磨型面研究［D］.成都:西南交通大學，2010.

［12］王大奎.基于磨耗后輪軌型面匹配的機車動力學性能分析［D］.大連:大連交通大學，2013.

Infunence on Dynamic Performance of Rail Grinding

ZHANG Xunquan，ZHANG Jun
( School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

Through the test of grinding operation in Shenyang metro，the rail profile data before and after the rail grinding are obtained，and the data are input into the SIMPACK software with standard data after the grinding surface of rail profile.The vehicle-track dynamic model is established under different rail profiles before and after grinding，and the vehicle stability，lateral displacement，and frictional power are calculated.The results show that the rail grinding can improve the stability of the vehicle and reduce the whel wear wheel power.

rail grinding; vehicle dynamics; rail profile

A

1673-9590( 2016) 01-0031-05

2015-04-02

張訓全( 1988－)，男，碩士研究生;

張軍( 1972－)，男，教授，博士，主要從事輪軌關(guān)系的研究

E-mail: zhangxunquan@163.com.