王 志 軍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司肅寧分公司，河北 肅寧 062350)

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重載鐵路小半徑曲線鋼軌磨耗規(guī)律及減磨措施

王 志 軍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司肅寧分公司，河北 肅寧 062350)

采用多體動力學(xué)仿真軟件，分析了不同軸重貨車在不同半徑下對各動力學(xué)指標(biāo)的影響差異，重點研究了在幾種小半徑曲線條件下，超高對鋼軌磨耗的影響規(guī)律及相應(yīng)的減磨措施，結(jié)果表明：軸重大的貨車對鐵路曲線線路會產(chǎn)生更大的鋼軌磨耗，并且對曲線線路參數(shù)設(shè)置的要求更高。

重載鐵路，鋼軌磨耗，曲線線路，動力學(xué)仿真，軸重

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各國地區(qū)間貿(mào)易活動的日益增加，貨物運(yùn)輸能力的提升已經(jīng)變得尤為重要。相比其他運(yùn)輸方式，重載鐵路運(yùn)輸以運(yùn)量大、成本低的特點在世界各地迅速發(fā)展起來。我國從25 t軸重的貨車在大秦線投入運(yùn)營以來，一直對重載鐵路運(yùn)輸相關(guān)設(shè)備不斷研究，在2013年8月16日，中國北車齊齊哈爾軌道交通裝備公司向澳大利亞公司交付了當(dāng)今世界上軸重最大、載重最高的鐵路貨車(40 t軸重不銹鋼礦石車)。遺憾的是，雖然世界最大軸重的鐵路貨車已由國內(nèi)研制生產(chǎn)，但受中國既有重載鐵路線路的制約，40 t軸重貨車無法投入使用。朔黃鐵路已經(jīng)進(jìn)行了30 t軸重的C96型貨車試驗研究。在大力發(fā)展重載鐵路的同時，隨著列車軸重的增大、車輛編組的加長和行車速度的提升，車輪和鋼軌破壞的現(xiàn)象時常發(fā)生，然而絕大多數(shù)的輪軌磨耗都發(fā)生在線路的曲線段。因此在滿足大軸重貨車通過曲線平穩(wěn)性和安全性的要求同時，有效的控制鋼軌磨耗也必然是曲線參數(shù)設(shè)置的一個重要把握因素。

鋼軌磨耗分為垂直磨耗、側(cè)面磨耗和波浪型磨耗，垂直磨耗在直線段和曲線段上都普遍存在，側(cè)磨和波磨多發(fā)生在曲線段線路上[1]。由于曲線段上的磨耗較為突出，所以國內(nèi)眾多學(xué)者大多在磨耗較嚴(yán)重的曲線段線路上，采用相關(guān)方法，從側(cè)磨方面出發(fā)，研究了相應(yīng)減磨措施。例如通過對某段線路波磨情況的調(diào)查，總結(jié)了相關(guān)波磨規(guī)律，并提出減少鋼軌接頭、增強(qiáng)軌道彈性、減少軌道不平順、打磨和交換鋼軌均可有效降低磨耗[2]；通過對現(xiàn)場磨耗地段的實際測量，分析了運(yùn)量和曲線半徑等因素與鋼軌磨耗的關(guān)系，闡述了鋼軌涂油、提高軌道圓順性和調(diào)整大修換軌周期等減磨措施[3]；通過對鋼軌側(cè)面磨耗成因的分析，從機(jī)車車輛、線路幾何參數(shù)和輪軌潤滑等方面提出了減磨措施[4]；結(jié)合鋼軌波磨成因理論，從線路結(jié)構(gòu)、走行結(jié)構(gòu)和運(yùn)營等方面，提出提高鋼軌材質(zhì)強(qiáng)度、增大輪對軸剛度、增大一系懸掛阻尼和控制涂油潤滑等減磨方法[5]；通過分析重車線鋼軌磨耗的原因，提出正確測設(shè)曲線位置和增設(shè)防止磨耗護(hù)輪軌等方法控制曲線鋼軌的不正常磨耗[6]；通過磨損機(jī)理和曲線段試驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，分析鋼軌側(cè)磨原因，提出養(yǎng)護(hù)維修保證良好軌道狀態(tài)和合理設(shè)置軌道參數(shù)等減磨方法[7]；通過對重載鐵路線路鋼軌磨耗的實際情況，結(jié)合鋼軌磨耗成因提出鋼軌和車輪的材料優(yōu)化、合理周期打磨鋼軌和車輪保持共形型面、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及加強(qiáng)線路地面觀測等控制磨耗的方法[8]；將現(xiàn)狀調(diào)查和抗磨損試驗相結(jié)合，通過對試驗段的結(jié)果分析，提出合理噴脂減磨方法[9]；運(yùn)用SIMPACK等仿真軟件，對車輛速度、曲線半徑、超高、軌底坡以及鋼軌摩擦系數(shù)等影響因素進(jìn)行仿真計算和分析，提出通過優(yōu)化相應(yīng)參數(shù)從而降低磨耗的方法[10，11]。本文從減緩重載鐵路曲線線路鋼軌磨耗的角度出發(fā)，首先將25 t軸重貨車和30 t軸重貨車在不同的曲線半徑條件下進(jìn)行仿真對比，分析不同軸重貨車對脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力以及磨耗功率等動力學(xué)指標(biāo)的影響差異。近幾年隨著仿真分析方法的不斷發(fā)展和普及，大多學(xué)者[10,11]多從線路設(shè)計和養(yǎng)護(hù)維修的角度出發(fā)，主要研究了曲線段的線路參數(shù)和軌道參數(shù)對鋼軌磨耗的影響，并總結(jié)出了相應(yīng)的減磨措施。因此本文將30 t軸重貨車模型在500 m，600 m，700 m和800 m這幾種小半徑曲線進(jìn)行仿真對比分析，較全面地總結(jié)出相應(yīng)半徑下降低曲線鋼軌磨耗的具體參數(shù)設(shè)置方法。

1 重載鐵路車輛——軌道動力學(xué)仿真模型

本文采用多體動力學(xué)仿真分析軟件建立25 t軸重貨車車輛和30 t軸重貨車車輛模型，其模型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，具體參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)。本文車輛車輪踏面選用中國標(biāo)準(zhǔn)LM磨耗型，鋼軌型面選取重載鐵路的75 kg/m標(biāo)準(zhǔn)斷面軌。

2 輪軌磨耗評定方法

為研究各種參數(shù)設(shè)置對曲線上鋼軌磨耗程度的影響，就需要有一種合理的輪軌磨耗評定方法。在對線路進(jìn)行仿真時，統(tǒng)一的速度條件下，均使用磨耗功率作為輪軌磨耗評定指標(biāo)。輪軌橫向力是車輪輪緣與鋼軌相互作用而產(chǎn)生的橫向力，當(dāng)列車通過曲線產(chǎn)生過大的輪軌橫向力會對鋼軌側(cè)面造成嚴(yán)重的磨耗，可能使車輪爬越鋼軌造成脫軌事故。在評價鋼軌磨耗之前，脫軌系數(shù)和輪重減載率指標(biāo)均不能超過規(guī)定限值(脫軌系數(shù)小于1，輪重減載率小于0.6)。因此把以上指標(biāo)作為評價磨耗的輔助指標(biāo)，即在滿足行車安全性的條件下研究各種參數(shù)設(shè)置對曲線磨耗的影響。

3 不同軸重貨車下曲線半徑對鋼軌磨耗的影響分析

在相同的速度v取70 km/h，均衡超高下，線路設(shè)計參數(shù)見表1。

在表1的參數(shù)條件下進(jìn)行仿真，將仿真得到的各指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制出其對應(yīng)的變化規(guī)律曲線，如圖2所示。

從仿真得到的圖表可以發(fā)現(xiàn)，25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的各項動力學(xué)指標(biāo)均呈下降趨勢。當(dāng)半徑從400 m增至800 m時，25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的脫軌系數(shù)分別降低了41%和37%；25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的輪重減載率分別降低了43%和47%；25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的輪軌橫向力分別降低了42%和37%；25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的磨耗功率分別降低了70%和69%。25 t軸重車輛的大部分指標(biāo)的下降幅度大于30 t軸重車輛當(dāng)半徑增至800 m之后，各項指標(biāo)仍在下降，但較800 m之前的下降幅度較小。

表1 不同曲線半徑對應(yīng)的線路參數(shù)

通過上述分析可知，25 t軸重車輛和30 t軸重車輛通過曲線時，隨著半徑的減小，對鋼軌的磨耗越來越大，行車安全性也相應(yīng)降低，尤其是當(dāng)半徑小于800 m時，對鋼軌的磨耗影響較為顯著。同時發(fā)現(xiàn)，在同等半徑下，30 t軸重車輛的磨耗功率均大于25 t軸重車輛的磨耗功率，這說明軸重大的車輛對鐵路曲線會產(chǎn)生更大的鋼軌磨耗；半徑在400 m～800 m范圍內(nèi)變化時，30 t軸重車輛比25 t軸重車輛各動力學(xué)指標(biāo)的下降幅度要小，這說明軸重大的車輛在磨耗方面對曲線半徑的敏感程度更強(qiáng)，即在大軸重車輛線路的設(shè)計階段應(yīng)該考慮設(shè)置更大的最小曲線半徑。

4 重載鐵路曲線超高對鋼軌磨耗的影響分析

針對30 t軸重貨車，在相同的速度v取70 km/h下，圓曲線長度s取350 m，曲線前直線段長度p取50 m，緩和曲線長度l取80 m，半徑R分別取500 m，600 m，700 m，800 m，分別在不同的超高下進(jìn)行仿真，把仿真得到的各指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制出其對應(yīng)的變化規(guī)律曲線，如圖3～圖6所示。

從圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在不同半徑下，脫軌系數(shù)和輪軌橫向力隨超高的增加都呈現(xiàn)較為明顯的減小趨勢；圖4表明在不同半徑下，輪重減載率隨超高的增加都有增大的趨勢，尤其是超高設(shè)置值大于均衡超高時，增加幅度較為明顯；從圖6可以發(fā)現(xiàn)，磨耗功率隨超高的變大有一定的增加趨勢。

通過以上分析知道設(shè)置一定的欠超高可以減緩曲線鋼軌磨耗，但欠超高的設(shè)置值不能過大，否則脫軌系數(shù)和輪軌橫向力會急劇上升影響行車安全。因此當(dāng)車體通過曲線時，設(shè)置一定的欠超高可降低鋼軌磨耗，所以針對不同線路欠超高大小數(shù)值的把握也是在各個參數(shù)設(shè)置中極其重要的一點。

從圖6也可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)置一定過超高也能減少曲線上的鋼軌磨耗，但相比而言，欠超高的效果更加明顯，因為過大的過超高反而會增大曲線磨耗，并且輪重減載率急劇上升，降低車體通過曲線的性能。

5 結(jié)語

1)在多種重載鐵路曲線線路參數(shù)條件一致的情況下，30 t軸重貨車車輛所產(chǎn)生的磨耗功率均大于25 t軸重貨車車輛，因此說明軸重大的貨車車輛對鐵路曲線會產(chǎn)生更大的鋼軌磨耗。

2)半徑在400 m～800 m范圍內(nèi)變化時，30 t軸重車輛比25 t軸重車輛各動力學(xué)指標(biāo)的下降幅度要小，這說明軸重大的車輛在磨耗方面對曲線半徑的敏感程度更強(qiáng)，即在鐵路線路設(shè)計階段，軸重大的車輛對曲線線路參數(shù)設(shè)置的要求更高。

3)當(dāng)25 t軸重和30 t軸重貨車車輛通過不同半徑的曲線時，半徑越小，對曲線鋼軌造成的磨耗越大，行車安全性也相應(yīng)降低，尤其當(dāng)半徑小于800 m時，對鋼軌的磨耗影響較為顯著。

4)曲線上設(shè)置一定的欠超高有利于提升行車平穩(wěn)性和減緩曲線鋼軌磨耗，但是過大的欠超高會使輪軌橫向力急劇增加，帶來相反的作用；曲線上設(shè)置一定的過超高也會減緩曲線鋼軌磨耗，但效果不如欠超高明顯。

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Small radius curve rail abrasion law and abrasion reducing measures of heavy-load railway

Wang Zhijun

(SuningBranchCompany,Shuo-HuangRailwayDevelopmentCo.,Ltd,Suning062350,China)

Applying multi-body dynamics simulation software, the paper analyzes the influential difference of different axle load under different radius upon dynamics indicators, and mainly studies the influential law of super-height upon rail abrasion and corresponding abrasion reducing measures under several small radius curve conditions. Results show that: the carriage with heavier axle load not only leads to worse rail abrasion of railway curve route, but also has higher demand for curve route parameter setting.

heavy-load railway, rail abrasion, curve route, dynamics simulation, axle load

1009-6825(2016)05-0162-03

2015-12-07

王志軍(1979- )，男，助理工程師

U213.4

A