侯茂銳， 王衛(wèi)東， 常崇義， 李 蘭(1. 中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發(fā)展中心， 北京 100081；2. 中國鐵道科學研究院 高速輪軌關系實驗室， 北京 100081)

隨著京滬、京廣、滬昆等高速鐵路和大量城際鐵路的開通運營，我國高速鐵路運營里程不斷增加，到2016年底，我國高速鐵路運營里程已達2.2萬km以上,服役運用的動車組2 500余組。高速動車組作為主要的載運工具，保證和維護其安全運營顯得十分重要。為此需要修建動車運用所、動車組存車場，以進行動車組的運用整備、日常養(yǎng)護維修等工作。而隨著城市規(guī)模的快速發(fā)展，動車運用所的選址變得異常困難，又因其規(guī)模通常較大，所以其位置受地形條件限制因素很多，導致小半徑曲線較多。全國已經(jīng)建成投入使用的動車所有37個，另有14個正在施工過程中，幾乎每個動車所都設有半徑等于或小于300 m的一般曲線或岔后曲線[1]。

鋼軌側磨是曲線上鋼軌的主要損傷類型，尤其對于小半徑曲線，鋼軌側磨已成為曲線鋼軌更換的決定性因素[2]。同時，小半徑曲線也加劇了車輪輪緣磨耗，使得車輪鏇修量增大。因此，減緩曲線上鋼軌的側磨，延長鋼軌使用壽命，降低維修費用，保證行車安全，是工務工作的一項重要內容。文獻[3-6]分析了軌底坡、軌距、超高養(yǎng)護維修等因素對鋼軌側磨的影響，并提出了減緩鋼軌側磨的預防措施。文獻[7]研究了直線鋼軌出現(xiàn)的交替?zhèn)饶ガF(xiàn)象，認為主要由于輪對的蛇行運動導致。文獻[8]研究了鋼軌摩擦控制技術在重載鐵路的應用情況，發(fā)現(xiàn)在半徑300 m的曲線上應用軌側磨耗摩擦控制技術可使車輪輪緣磨耗和鋼軌軌距角磨耗減小約40%。文獻[9]在滾動實驗臺上進行了輪軌摩擦系數(shù)調整實驗，未經(jīng)潤滑的鋼軌軌頂表面磨耗嚴重且疲勞裂紋發(fā)展迅速，經(jīng)過潤滑后鋼軌磨耗較未經(jīng)過潤滑時減小約1/2。文獻[10]在日本新干線選擇了半徑400 m和半徑900 m的2條曲線開展了為期2年的鋼軌磨耗現(xiàn)場實驗，分析鋼軌側磨后輪軌橫向力、沖角及鋼軌變形的變化。文獻[11]基于對我國多條高速鐵路鋼軌磨耗的長期觀測，認為直線段鋼軌磨耗很小，進出站的小半徑曲線鋼軌側面磨耗嚴重，已影響到鋼軌使用壽命。

以往研究很少關注動車所內小半徑曲線鋼軌的磨耗情況，本文作者在某動車所開展了為期一年半的鋼軌磨耗跟蹤測試，對比分析了2條曲線的鋼軌磨耗情況。同時在多體動力學軟件中建立了CRH5型動車組的動力學仿真模型，計算分析了曲線半徑、軌距加寬、超高和輪軌摩擦系數(shù)對鋼軌磨耗的影響，提出了減緩鋼軌磨耗的技術措施。

1 鋼軌磨耗跟蹤測試

為了獲取動車所內小半徑曲線的鋼軌磨耗情況，在某動車所選擇了2條曲線進行鋼軌磨耗的跟蹤測試，這2條曲線分別為連接動車所Ⅰ場和Ⅱ場的環(huán)Ⅰ線和環(huán)Ⅱ線，曲線半徑分別為275 m和280 m，鋼軌類型為50 kg/m鋼軌，其斷面尺寸見圖1。該曲線上列車為雙向行駛，環(huán)Ⅱ線每天通過的列車數(shù)量較環(huán)Ⅰ線少。曲線具體參數(shù)見表1。

由圖1可知，50 kg/m鋼軌軌頂部分主要由3段圓弧組成，相較于60 kg/m鋼軌軌頂部分的5段圓弧，50 kg/m鋼軌軌頂缺少半徑80 mm的2段圓弧。

表1 曲線參數(shù)

在半徑275 m的環(huán)Ⅰ線上分別選擇3個測點進行跟蹤測試，其分別為：測點1、測點2、測點3。其中測點3靠近曲線段端部。測點示意圖見圖2。

使用MiniProf鋼軌廓形測量儀對鋼軌廓形進行測試，并計算鋼軌的垂直磨耗和側面磨耗，其中鋼軌垂直磨耗指在鋼軌頂面寬1/3處(距標準工作邊)測量的磨耗量，鋼軌側面磨耗指在鋼軌踏面(按標準斷面)下16 mm處測量的磨耗量。

環(huán)Ⅰ線3個測點的鋼軌磨耗量見表2和圖3。由表2可知曲線外股鋼軌側磨嚴重，最大側磨量為測點3，其值達到12.69 mm；測點1的側磨量最小，為8.05 mm；由于曲線鋼軌曲率的不均勻以及直線過渡的緣故，使得3個測點之間的側磨量相差較大，位于曲線中部的測點側磨量相對較小，位于曲線端部的測點3側磨量最大。測點1、測點2、測點3的鋼軌垂磨量也依次增大，測點2的垂磨量較測點1增大約70%，測點3垂磨量較測點2亦增大約70%；測點3垂磨量最大，其值為2.46，但相比鋼軌側磨量，鋼軌垂磨量較小。

表2 環(huán)Ⅰ線3個測點的鋼軌磨耗量

環(huán)Ⅰ線測點3和環(huán)Ⅱ線測點對應鋼軌磨耗速率分別見表3、表4。

表3 環(huán)Ⅰ線測點3鋼軌磨耗速率

表4 環(huán)Ⅱ線測點鋼軌磨耗速率

對于半徑275 m的環(huán)Ⅰ線，2015年6月?lián)Q軌，換軌后按照文獻[15]要求軌距加寬調整為5 mm，至2016年9月26日，該曲線通過總質量約8.3 Mt，外股最大側磨量達到12.69 mm，最大垂磨量為2.46 mm。隨著通過總質量的增大，磨耗速率略有增大，最大垂磨速率為0.30 mm/Mt，最大側磨速率為1.53 mm/Mt。

對于半徑280 m的環(huán)Ⅱ線，2014年6月?lián)Q軌，軌距加寬為15 mm，至2016年9月26日，該曲線通過總質量約9.03 Mt，外股最大側磨量為5.53 mm，最大垂磨量為0.9 mm。最大垂磨速率為0.10 mm/Mt，最大側磨速率為0.61 mm/Mt。

由圖5可知，環(huán)Ⅱ線的鋼軌垂直磨耗速率和側磨磨耗速率較環(huán)Ⅰ線減小約60%。由于環(huán)Ⅰ線的軌距加寬為5 mm，環(huán)Ⅱ線的軌距加寬為15 mm，可見，軌距加寬15 mm可以有效減小鋼軌磨耗量。

2 分析方法

2.1 車輛動力學模型建立

建立CRH5型動車組拖車動力學模型，模型中采用兩系懸掛，考慮輪軌接觸幾何關系的非線性、橫向止擋的非線性、抗蛇行減振器以及部分減振器的非線性特性，由Kalker非線性蠕滑理論計算輪軌蠕滑力。

動力學仿真模型由1個車體、2個構架、4個輪對和8個軸箱組成，共50個自由度。車輛動力學仿真模型見圖6，首先將建立的轉向架模型作為子系統(tǒng)，然后通過子系統(tǒng)建模技術組裝建立整車動力學仿真模型。拖車空車的動力學關鍵參數(shù),見表5。

表5 車輛動力學關鍵參數(shù)

2.2 磨耗指數(shù)的確定

車輪在鋼軌上運行時一般情況下輪軌之間為一點接觸，即車輪踏面與鋼軌頂面相接觸。根據(jù)車輛動力學理論，轉向架以低速通過小半徑曲線時，通常是前輪對貼靠外軌，后輪對貼靠內軌，因此當輪對通過曲線時，導向車輪往往會發(fā)生車輪輪緣與鋼軌軌距角處貼靠，形成2點接觸。2點接觸形成2個接觸斑：1個為鋼軌頂面的接觸斑，另1個為鋼軌軌頭側面的接觸斑。由于輪軌之間存在沖角，鋼軌側面接觸斑位置超前于鋼軌頂面接觸斑。一般情況下，沖角越大，則2個接觸斑的距離越大，輪緣接觸點的蠕滑率和蠕滑力也越大，造成劇烈的輪緣磨耗和鋼軌側磨，且極端情況下鋼軌頂面與車輪踏面的接觸點會脫開，造成輪緣的一點接觸，容易引發(fā)爬軌脫軌。

輪軌磨耗的本質，是車輪與鋼軌間在接觸斑處的相對摩擦，因此摩擦程度與它們之間的相對滑動和摩擦力有關，即與蠕滑率和蠕滑力有關。各國研究人員提出了近10種輪軌磨耗模型及評價輪軌磨耗劇烈程度的磨耗指數(shù)[12]，大多數(shù)磨耗指數(shù)均與沖角相關，其中有2個磨耗指數(shù)應用較廣泛，1個為由德國研究人員提出的Heumann磨耗指數(shù)，當摩擦系數(shù)為常量時，Heumann磨耗指數(shù)可簡化為Vogel磨耗指數(shù)[13]；另1個為由英國Derby研究中心提出的Elkins磨耗指數(shù)。根據(jù)文獻[14]的研究結果，Vogel磨耗指數(shù)的變化規(guī)律與實驗規(guī)律一致。由于本文研究輪軌摩擦系數(shù)對鋼軌側磨的影響，摩擦系數(shù)不是常量，因此，本文使用Vogel磨耗指數(shù)簡化前的Heumann磨耗指數(shù)評價鋼軌側磨的劇烈程度。

Heumann磨耗指數(shù)為輪緣導向力與沖角的乘積,具體為

WI=μ·F·α

( 1 )

式中：μ為輪軌摩擦系數(shù)；F為輪緣導向力；α為沖角。

3 計算結果分析

按照文獻[15]中有關規(guī)定，動車組一般情況下不得通過半徑小于250 m的曲線，通過曲線半徑為250 m曲線時，限速15 km/h[14]。并且對曲線軌距加寬進行了調整，見表6。本節(jié)計算的車輛速度為15 km/h。

表6 曲線軌距加寬值

3.1 曲線半徑影響

曲線半徑分別250、300、350 m，曲線超高均設置為15 mm，輪軌摩擦系數(shù)均為0.4，半徑250 m曲線的軌距加寬設置為5 mm。3組曲線半徑對應的鋼軌磨耗指數(shù)見圖7。由圖7可知，隨著曲線半徑的增大，鋼軌磨耗指數(shù)明顯減小。半徑300 m曲線的磨耗指數(shù)較半徑250 m曲線減小約65%；半徑350 m曲線的磨耗指數(shù)較半徑300 m曲線減小約70%。曲線半徑增大對減小鋼軌側磨有顯著作用，動車所的線路設計時，在現(xiàn)場條件允許的條件下應盡可能增大曲線半徑。

3.2 軌距加寬影響

半徑250 m曲線，曲線超高設置為15 mm時，輪軌摩擦系數(shù)為0.4，軌距加寬分別為5、15 mm的鋼軌磨耗指數(shù)變化見圖8。由圖8可知，軌距加寬為5 mm的磨耗指數(shù)為29.7；加寬為15 mm的磨耗指數(shù)為23.72。軌距加寬為15 mm的磨耗指數(shù)較軌距加寬為5 mm的磨耗指數(shù)減小約20%。

機車車輛進入曲線軌道時，仍然存在保持其原有行駛方向的慣性，只是受到外軌的引導作用才沿曲線軌道行駛。為使機車車輛順利通過曲線而不致被楔住或擠開軌道，減小輪軌間的橫向作用力，曲線軌距要適當加寬。對于半徑250 m曲線，文獻[15]將軌距加寬由原先的15 mm縮小到現(xiàn)在的5 mm。而對于動車所內的小半徑曲線，由于動車組運行速度較低，且沒有搭載乘客，較大的軌距加寬有利于減小輪軌橫向力，降低鋼軌側磨量。因此，對于動車所內半徑250 m曲線，建議軌距加寬依然設置為15 mm。

3.3 輪軌摩擦系數(shù)影響

半徑250 m曲線，曲線超高設置為15 mm、軌距加寬設置為5 mm時，軌側摩擦系數(shù)分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的鋼軌磨耗指數(shù),見圖9。軌頂摩擦系數(shù)為0.4保持不變，計算時模擬采取軌側潤滑后，工作邊軌距角處的摩擦系數(shù)變化。由圖9可知，軌側摩擦系數(shù)分別為0.5、0.4、0.3、0.2、0.1時的磨耗指數(shù)分別為32.12、30.31、26.58、19.86、10.51。軌側摩擦系數(shù)為0.4時的磨耗指數(shù)較摩擦系數(shù)0.5時的磨耗指數(shù)減小約6%；軌側摩擦系數(shù)為0.3時的磨耗指數(shù)較摩擦系數(shù)0.4時的磨耗指數(shù)減小約12%；軌側摩擦系數(shù)為0.2時的磨耗指數(shù)較摩擦系數(shù)0.3時的磨耗指數(shù)減小約25%；軌側摩擦系數(shù)為0.1時的磨耗指數(shù)較摩擦系數(shù)0.2時的磨耗指數(shù)減小約50%。

由此可見，如果采取軌側潤滑措施，將軌側摩擦系數(shù)由0.5降低到0.1～0.2，則鋼軌側磨將減小40%～70%。

4 結論與建議

(1) 在某動車所的環(huán)Ⅰ線和環(huán)Ⅱ線開展了為期一年半的鋼軌磨耗跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)鋼軌側磨嚴重且磨耗不均勻，環(huán)Ⅰ線鋼軌測試的3個位置中最小鋼軌側磨為8.05 mm，最大鋼軌側磨達到12.69 mm，鋼軌使用壽命大約一年半。環(huán)Ⅰ線軌距加寬為5 mm，鋼軌側磨速率為1.53 mm/Mt；環(huán)Ⅱ線軌距加寬為15 mm，鋼軌側磨速率為0.61 mm/Mt，環(huán)Ⅱ線的鋼軌側磨磨耗速率較環(huán)Ⅰ線減小約60%。

(2) 曲線半徑對減小鋼軌側磨有顯著作用。半徑300 m曲線的磨耗指數(shù)較半徑250 m曲線磨耗指數(shù)減小約65%，半徑350 m曲線的磨耗指數(shù)較半徑300 m曲線磨耗指數(shù)減小約70%。動車所的線路設計時，在現(xiàn)場條件允許的條件下應盡可能減少使用半徑250 m曲線。

(3) 動車組在動車所內一般空載且運行速度較低，適當增大軌距可以減小鋼軌側磨。對于半徑250 m的曲線，軌距加寬15 mm的鋼軌磨耗指數(shù)較軌距加寬5 mm鋼軌磨耗指數(shù)減小約20%。因此，對于動車所內的半徑小于300 m的曲線，建議軌距加寬設置為15 mm。

(4) 對于小半徑曲線，采取鋼軌軌側潤滑措施將軌側摩擦系數(shù)由0.5降低到0.1～0.2，則鋼軌側磨將減小40%～70%，顯著降低鋼軌側磨同時改善車輪輪緣磨耗，提升小半徑曲線鋼軌使用壽命。

參考文獻：

[1] 馮仲偉,侯茂銳.動車運用所及動走線小半徑曲線列車運行安全性實驗研究[R].北京:中國鐵道科學研究院,2016.

[2] 金學松,劉啟躍. 輪軌摩擦學[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[3] 鐘智豐. 重載鐵路小半徑曲線鋼軌磨耗研究[D].北京：北京交通大學,2014.

[4] 沈剛,張定賢. 軌底坡對曲線鋼軌側磨影響的研究[J]. 鐵道學報,1994,16(3):95-99.

SHEN Gang, ZHANG Dingxian. Research on Readjusting Rail Inclinations for Reducing Rail Side-cutting[J].Journal of the China Railway Society,1994,16(3):95-99.

[5] 孫國瑛,劉學毅,萬復光. 小半徑曲線上的鋼軌磨耗[J]. 西南交通大學學報,1994,29(1):65-70.

SUN Guoying, LIU Xueyi, WAN Fuguang. Rail Wear in Small Radius Curves[J].Journal of Southweat Jiaotong University,1994,29(1):65-70.

[6] 陳鵬, 高亮, 郝建芳. 鐵路曲線上輪軌磨耗影響參數(shù)的仿真研究[J].中國鐵道科學,2007,28(5):19-23.

CHEN Peng, GAO Liang, HAO Jianfang. Simulation Study on Parameters Influencing Wheel/Rail Wear in Railway Curve[J].China Railway Science,2007,28(5):19-23.

[7] 練松良. 直線軌道鋼軌交替?zhèn)饶コ梢蚍治鯷J].中國鐵道科學,2001,22(2):107-112.

LIAN Songliang. Analyses of the Cause of Alternating Side Wear of Rail on Tangent[J].China Railway Science,2001,22(2):107-112.

[8] 李亨利,李芾. 輪軌摩擦控制對重載貨車輪軌磨耗的影響[J].中國鐵道科學,2016,37(5):94-101.

LI Hengli, LI Fu. Influence of Friction Control on Weel-rail Wear of Heavy Haul Freight Car[J].China Railway Science,2016,37(5):94-101.

[9] EADIE D, ELVIDGE D, OLDKNOW K, et al. The Effects of Top of Rail Friction Modifier on Wear and Rolling Contact Fatigue: Fullscale Rail-wheel Test Rig Evaluation, Analysis and Modelling[J], Wear,2008, 265:1222-1230.

[10] ISHIDA M,MITSUNOBU T, AOKI F. Influence of Gauge Face Worn Profile and Lubrication on Vehicle-Track Interaction[J]. QR of RTRI,2002,43(3):137-142.

[11] 劉豐收. 高速鐵路鋼軌磨耗的跟蹤研究[J]. 鐵道建筑,2016(11):120-123.

LIU Fengshou. Tracing Research on Rail Wear in High Speed Railway[J]. Railway Engineering,2016(11):120-123.

[12] LEWIS R,OLOFSSON U. Wheel-rail Interface Handbook[M]. BocaRaton: CRC, 2009.

[13] 孫琦,王午生,壽采和,等. 曲線鋼軌側面磨耗研究[J].鐵道學報,1990,13(6):64-72.

SUN Qi, WANG Wusheng, SHOU Caihe, et al. Study on Side Wear of Rails on Curve[J]. Journal of the China Railway Society, 1990,13(6):64-72.

[14] 趙國堂,曾樹谷. 曲線半徑與過、欠超高對鋼軌側磨的影響[J].中國鐵道科學,1995,16(3):90-96.

ZHAO Guotang, ZENG Shugu. Effect of Curve Radius and off-balance Superelevation on Side Wear of High Rail on Curved Track [J].China Railway Science,1995,16(3):90-96.

[15] 中國鐵路總公司.鐵總科技[2014]172號 鐵路技術管理規(guī)程[S]. 北京:中國鐵道出版社,2014.