高 盟

(海峽(福建)交通工程設(shè)計(jì)有限公司,福建 福州 350000)

?

重載鐵路圓曲線參數(shù)對(duì)鋼軌磨耗的影響分析

高 盟

(海峽(福建)交通工程設(shè)計(jì)有限公司,福建 福州 350000)

基于多體動(dòng)力學(xué)軟件UM，建立了車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析了圓曲線參數(shù)對(duì)鋼軌磨耗的影響，同時(shí)對(duì)不同行車速度下的鋼軌磨耗進(jìn)行了仿真分析，為今后鐵路選線設(shè)計(jì)提供參考。

重載鐵路，圓曲線參數(shù)，鋼軌磨耗，動(dòng)力學(xué)模型

隨著列車運(yùn)行速度和軸重的不斷提高，重載線路輪軌磨耗問(wèn)題逐漸加重。磨耗過(guò)大的車輪或鋼軌如不及時(shí)維修或更換，會(huì)造成列車脫軌等重大事故。通過(guò)利用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)輪軌磨耗進(jìn)行仿真計(jì)算可以獲得輪軌磨耗規(guī)律，進(jìn)而可以進(jìn)行磨耗預(yù)測(cè)以指導(dǎo)工務(wù)部門對(duì)鋼軌進(jìn)行有針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)維修。本文研究了圓曲線參數(shù)及行車速度對(duì)鋼軌磨耗的影響，一些規(guī)律在選線時(shí)可提供參考。

1 UM車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型

本文基于多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型。本節(jié)以C70為車輛原型,車輛模型如圖1所示。整車模型的部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 30 t車輛模型參數(shù)

參數(shù)數(shù)值車體的質(zhì)量(含載重)/t109.8車體的側(cè)滾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m21.428×105車體的點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m21.726×106車體的搖頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m21.746×106側(cè)架的質(zhì)量/kg497側(cè)架的側(cè)滾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m2190側(cè)架的點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m2176側(cè)架的搖頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m2176輪對(duì)的質(zhì)量/kg1277輪對(duì)的側(cè)滾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m2740輪對(duì)的點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m2130輪對(duì)的搖頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m2740搖枕的質(zhì)量/kg745搖枕的側(cè)滾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m2244搖枕的點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m220搖枕的搖頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·m2244車輪的滾動(dòng)半徑/m0.46軸距/m1.83車輛定距/m8.7輪軌橫向跨徑/m1.493車體中心高度/m0.88轉(zhuǎn)向架一側(cè)彈簧橫向剛度/N·m-14.41×106轉(zhuǎn)向架一側(cè)彈簧垂向剛度/N·m-15.32×106

UM Loco中的軌道被簡(jiǎn)化成無(wú)質(zhì)量的粘彈性的力元模型，具有橫向和垂向的阻尼和剛度以及繞軸的扭轉(zhuǎn)剛度。阻尼和剛度參數(shù)可以由曲線的編輯器設(shè)置[1]。軌道模型建模中采用75 kg/m標(biāo)準(zhǔn)斷面新軌，軌道模型動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖2所示[2]。

軌道不平順?lè)矫?，?shí)際線路不平順?lè)枪潭ú蛔兊?，線路的不平順在眾多因素影響下具有較強(qiáng)的隨機(jī)性。到目前為止，能夠完善反映我國(guó)重載鐵路軌道隨機(jī)不平順的軌道譜還未建立。研究表明，目前國(guó)內(nèi)主要干線中運(yùn)行重載列車的軌道譜介于美國(guó)四級(jí)和五級(jí)軌道譜之間，且近于美國(guó)五級(jí)軌道譜[3,4]?；诖?，本節(jié)采用美國(guó)五級(jí)軌道譜來(lái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析。五級(jí)譜如圖3所示。

2 UM中輪軌磨耗評(píng)定方法

鋼軌磨耗程度需要有一種合理的輪軌磨耗評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。針對(duì)鋼軌磨耗評(píng)定問(wèn)題國(guó)內(nèi)外還未有統(tǒng)一的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，輪軌磨耗與輪軌間的橫向力、橫向的蠕滑力以及輪對(duì)沖角等參數(shù)因素關(guān)系密切。從不同的研究方面出發(fā)，國(guó)內(nèi)外主要有以下幾種輪軌磨耗評(píng)定指標(biāo)[5,6]：Heumann磨耗指數(shù)W1，加拿大磨耗因子W2，踏面磨耗指標(biāo)W3，Elkins磨耗指數(shù)W4，磨耗功率W5。

UM軟件對(duì)計(jì)算后期的數(shù)據(jù)提取計(jì)算，并對(duì)各輪對(duì)的磨耗功率進(jìn)行匯總計(jì)算，所以本文在同一速度的條件下對(duì)線路進(jìn)行仿真分析，選取磨耗功率作為此次UM的輪軌磨耗的評(píng)定指標(biāo)。

3 不同圓曲線半徑下仿真結(jié)果

車輛速度取為80 km/h，超高取均衡超高，緩和曲線長(zhǎng)度為60 m，圓曲線長(zhǎng)度為400 m，曲線前直線長(zhǎng)度為10 m，不同曲線半徑下線路參數(shù)見(jiàn)表2。

按照表2設(shè)置線路參數(shù)，將仿真獲得的各指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖4所示。

表2 不同曲線半徑下線路參數(shù)

由圖4可知，隨著圓曲線半徑的增大，輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率及鋼軌磨耗功率均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。半徑從400 m增大到800 m，輪軌橫向力降低了9.4%，輪重減載率降低了47.4%，半徑增大到800 m之后兩指標(biāo)均有下降的趨勢(shì)，但下降速度降低了。圓曲線半徑由400 m增大到600 m，鋼軌平均磨耗功率下降了17.4%，600 m之后，鋼軌平均磨耗功率下降速度逐漸降低。

4 不同圓曲線長(zhǎng)度下仿真結(jié)果

車輛速度取為80 km/h，圓曲線半徑取為800 m，超高取為70 mm，緩和曲線長(zhǎng)度為60 m，曲線前直線長(zhǎng)度為10 m，圓曲線長(zhǎng)度分別取為100 m,200 m,300 m,400 m,500 m和600 m，不同曲線長(zhǎng)度下各指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，并將鋼軌的平均磨耗功率繪制成折線圖如圖5所示。

表3 不同曲線長(zhǎng)度下各指標(biāo)結(jié)果

由表3可知，曲線長(zhǎng)度的變化不會(huì)引起輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)的改變，圖5則顯示出鋼軌磨耗功率在不同曲線長(zhǎng)度工況下是隨機(jī)變化的，并且變化幅度很小。

5 不同行車速度下仿真結(jié)果

圓曲線半徑取800 m，圓曲線長(zhǎng)度取400 m，超高取70 mm，緩長(zhǎng)取60 m，曲線前直線長(zhǎng)度為10 m，行車速度分別取為50 km/h,60 km/h,70 km/h,80 km/h,90 km/h,100 km/h，不同行車速度下各指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，并將鋼軌的平均磨耗功率繪制成折線圖如圖6所示。

表4 不同行車速度下各指標(biāo)結(jié)果

由表4和圖6可知，隨著行車速度的增大，輪軌橫向力、輪重減載率、鋼軌磨耗功率有增大的趨勢(shì)，鋼軌磨耗功率在速度90 km/h之后上升幅度降低；脫軌系數(shù)整體上呈增大趨勢(shì)，但在100 km/h時(shí)發(fā)生了下降突變。

6 結(jié)語(yǔ)

利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件UM建立了車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，以磨耗功率為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)鋼軌磨耗進(jìn)行評(píng)定，分析了重載鐵路曲線半徑、長(zhǎng)度以及曲線上行車速度對(duì)鋼軌磨耗的影響，獲得以下結(jié)論：

1)隨著圓曲線半徑的增大，輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率及鋼軌磨耗功率均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因此在工程條件允許的前提下應(yīng)盡量增大曲線半徑。若受到工程條件的制約較大，考慮到600 m之后鋼軌平均磨耗功率下降速度逐漸降低這一結(jié)論，因此在設(shè)計(jì)速度為80 km/h的前提下，建議將600 m的曲線半徑作為曲線半徑下限的臨界點(diǎn)。

2)隨著圓曲線長(zhǎng)度的增大，輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)幾乎沒(méi)有變化，鋼軌磨耗功率變化幅度不大且無(wú)確切規(guī)律。因此，圓曲線長(zhǎng)度這一參數(shù)對(duì)曲線上鋼軌磨耗影響較小，選線設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足規(guī)范要求的前提下，可不考慮圓曲線長(zhǎng)度的影響。

3)隨著行車速度的增大，輪軌橫向力、輪重減載率、鋼軌磨耗功率有增大的趨勢(shì)，鋼軌磨耗功率在速度90 km/h之后上升幅度降低。

[1] 李向國(guó).高速鐵路線路參數(shù)分析及其行車動(dòng)力特性研究[D].成都：西南交通大學(xué),2011.

[2] 李浩宇.重載鐵路線路參數(shù)分析及其行車動(dòng)力特性研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué),2014.

[3] 林鳳濤.高速列車車輪磨耗及型面優(yōu)化研究[D].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2014.

[4] 廖進(jìn)星.CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道路基的力學(xué)特性分析[J].高速鐵路技術(shù)，2013(2):9-14.

[5] 杜 偉.重載鐵路曲線段輪軌磨耗影響因素分析[D].成都：西南交通大學(xué),2012.

[6] 陳 希.重載鐵路曲線參數(shù)對(duì)鋼軌磨耗的影響分析[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué),2015.

The influence analysis on the heavy rail curve parameters to rail wear

Gao Meng

(Strait(Fujian)TrafficEngineeringDesignLimitedCompany,Fuzhou350000,China)

Based on the multi-body dynamics software UM, this paper established the vehicle-track coupling dynamics model, analyzed the influence of circular curve parameters to rail wear, and made simulation analysis on the rail wear under different running speed, provided reference for future railway lines selection design.

heavy rail, round curve parameter, rail wear, dynamics model

1009-6825(2017)17-0135-03

2017-03-13

高 盟(1989- )，男，碩士，助理工程師

U213.2

A