王軍平

(中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司，北京 100036)

2012年大秦(大同—秦皇島)重載鐵路引入了鋼軌廓形打磨的理念，并在實(shí)際運(yùn)用中取得了成功，因此中國(guó)鐵路物資股份有限公司向全路推廣廓形打磨技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，2014年又提出了個(gè)性化鋼軌廓形打磨設(shè)計(jì)方法和個(gè)性化鋼軌廓形打磨技術(shù)。目前鋼軌廓形打磨的理念和效果已得到了路局工務(wù)部門(mén)的普遍認(rèn)可。鋼軌廓形打磨可以有效治理和控制鋼軌表面病害，改善車(chē)輛和軌道動(dòng)力學(xué)性能，改善車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的水平、垂向加速度和舒適度指標(biāo)，控制曲線上輪軌滾動(dòng)摩擦阻力并減小鋼軌磨耗[1-3]。本文基于某高鐵線路應(yīng)用實(shí)例，就個(gè)性化鋼軌廓形打磨技術(shù)在高鐵線路上的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 個(gè)性化鋼軌廓形打磨技術(shù)簡(jiǎn)介

個(gè)性化鋼軌廓形打磨技術(shù)根據(jù)需要打磨線路及主要運(yùn)行車(chē)輛實(shí)際情況，從改善輪軌接觸動(dòng)力學(xué)性能入手設(shè)計(jì)打磨目標(biāo)廓形，并結(jié)合打磨車(chē)特性制定針對(duì)性打磨模式，對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行修正，從而改善輪軌接觸關(guān)系，達(dá)到有效控制鋼軌病害的產(chǎn)生和發(fā)展，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，提高列車(chē)運(yùn)行的安全性和舒適性的目的[4-6]。

傳統(tǒng)打磨方式中，往往只注重鋼軌表面病害的消除，而對(duì)打磨目標(biāo)廓形的控制無(wú)明確界定，因此常導(dǎo)致打磨后鋼軌表面病害得到了控制，但在短時(shí)間內(nèi)病害會(huì)復(fù)現(xiàn)或出現(xiàn)新的病害，即打磨中治標(biāo)而不治本[7]。隨著對(duì)打磨技術(shù)的深入研究，逐漸對(duì)打磨目標(biāo)廓形產(chǎn)生了要求，但大多局限于采用固定的廓形作為目標(biāo)廓形，例如我國(guó)高鐵采用固定設(shè)計(jì)廓形或60N作為打磨目標(biāo)廓形[8]。固定鋼軌廓形通常在設(shè)計(jì)和仿真時(shí)以新鋼軌與新車(chē)輪接觸關(guān)系的優(yōu)化為主要依據(jù)[9]，而實(shí)際情況下，隨著運(yùn)行里程的增加，車(chē)輪會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨耗，其廓形會(huì)出現(xiàn)一定改變，此時(shí)輪軌接觸關(guān)系會(huì)隨之變化，因此會(huì)出現(xiàn)新輪新軌時(shí)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，但運(yùn)量增加后逐漸不穩(wěn)定的現(xiàn)象[10]?？梢?jiàn)，有必要依據(jù)運(yùn)行車(chē)輛情況和實(shí)際磨耗車(chē)輪廓形狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)鋼軌打磨目標(biāo)廓形，個(gè)性化鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)方法便應(yīng)運(yùn)而生。

個(gè)性化鋼軌打磨目標(biāo)廓形設(shè)計(jì)方法是指建立實(shí)際運(yùn)行型號(hào)的實(shí)參數(shù)車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，以實(shí)際線路資料為軌道參數(shù)，車(chē)輪廓形采用實(shí)際測(cè)量得到的不同磨耗狀態(tài)的車(chē)輪廓形(包括新車(chē)輪廓形)，采用批量處理的方式對(duì)每個(gè)車(chē)輪與鋼軌的輪軌接觸關(guān)系進(jìn)行仿真計(jì)算，最終比選設(shè)計(jì)得到能夠最大限度滿(mǎn)足該線路上實(shí)測(cè)車(chē)輪廓形的鋼軌目標(biāo)廓形。由于實(shí)際磨耗狀態(tài)的車(chē)輪廓形采用抽樣方法進(jìn)行采集，采集得到的廓形能夠較好地代表不同磨耗狀態(tài)的車(chē)輪廓形，因此采用此方法設(shè)計(jì)得到的鋼軌打磨目標(biāo)廓形能夠較好地提升輪軌接觸關(guān)系，并且不會(huì)在短期內(nèi)隨著車(chē)輪廓形的磨耗而產(chǎn)生大幅波動(dòng)。

2 高鐵線路應(yīng)用實(shí)例

本文以某高鐵線路為例，對(duì)個(gè)性化鋼軌廓形打磨技術(shù)在高鐵上的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。打磨前該線路部分區(qū)段存在抖車(chē)和晃車(chē)等問(wèn)題，同時(shí)出現(xiàn)加速度超限報(bào)警，例如在該線路2 km范圍內(nèi)2015年5—7月間共出現(xiàn)橫向加速度超標(biāo)報(bào)警22次，同時(shí)伴隨明顯抖車(chē)現(xiàn)象。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)線路部分位置處鋼軌表面狀態(tài)如圖1所示。可知,線路部分區(qū)段鋼軌的輪軌接觸光帶寬度偏寬，約為40～50 mm，遠(yuǎn)大于鐵總運(yùn)[2014]357號(hào) 《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》規(guī)定的20～30 mm，且部分位置處鋼軌表面存在較為明顯的疲勞病害。

圖1 打磨前部分位置處鋼軌表面狀態(tài)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)鋼軌表面還存在一定的軌面不平順問(wèn)題，鋼軌廓形也存在較大差異，如圖2(a)所示;當(dāng)設(shè)置軌頂打磨量為0.2 mm時(shí)的打磨量偏差曲線如圖2(b)所示?？芍?，在相同線路上，鋼軌廓形依然存在較大的差異，打磨時(shí)需要根據(jù)各區(qū)段實(shí)際鋼軌廓形進(jìn)行針對(duì)性打磨方案設(shè)計(jì)，從而保證打磨后可將不同區(qū)段鋼軌廓形均修正至設(shè)計(jì)廓形。同時(shí)還需消除軌頂不平順帶來(lái)的平穩(wěn)性問(wèn)題，即打磨時(shí)在軌頂增加了0.1～0.2 mm的磨削量。

該線路打磨前后鋼軌廓形如圖3所示。

圖2 打磨前部分里程處廓形和打磨量差異

圖3 打磨前后鋼軌廓形

3 動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

采用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件SIMPACK建立主要運(yùn)行車(chē)輛中某型車(chē)的實(shí)參數(shù)車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型。模型中各零部件按剛體設(shè)置，懸掛和減振系統(tǒng)采用帶有剛度和阻尼的力元簡(jiǎn)化代替。模型中輪軌摩擦系數(shù)按0.35設(shè)置，車(chē)輪廓形采用新車(chē)輪踏面廓形，左右車(chē)輪相同。鋼軌廓形采用圖3所示打磨前后的廓形，分析中直線線路不平順等級(jí)譜設(shè)置為AAR6，通過(guò)速度設(shè)置為AAR6上允許的最大安全速度。

模型包含4個(gè)輪對(duì)，每個(gè)輪對(duì)有橫移、點(diǎn)頭、搖頭3個(gè)自由度；2個(gè)構(gòu)架，每個(gè)構(gòu)架有橫移、點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾、浮沉5個(gè)自由度；1個(gè)車(chē)體，有橫移、點(diǎn)頭、搖頭、側(cè)滾、浮沉5個(gè)自由度。因此模型共有27個(gè)剛體自由度(不包括抗側(cè)滾扭桿等)。

4 車(chē)輛運(yùn)行性能分析

采用上述模型對(duì)車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性和平穩(wěn)性進(jìn)行分析，以導(dǎo)向輪對(duì)橫移量、脫軌系數(shù)和車(chē)體舒適度指標(biāo)作為穩(wěn)定性、安全性和平穩(wěn)性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其他相關(guān)指標(biāo)趨勢(shì)類(lèi)似，因此不再贅述。

4.1 穩(wěn)定性

圖4所示為打磨前后導(dǎo)向輪對(duì)橫移量和分布情況(計(jì)算分布情況時(shí)按絕對(duì)值計(jì)算)，可知，打磨前輪對(duì)橫移量幅值和分布情況遠(yuǎn)大于打磨后。由圖4(b)可知，打磨前輪對(duì)橫移量最大值約6 mm，橫移量>4 mm的情況占30%左右，橫移量>2 mm的情況占80%左右；打磨后輪對(duì)橫移量最大值約5 mm，橫移量>4 mm的情況占5%左右，橫移量>2 mm的情況只占30%左右。由于打磨前鋼軌廓形存在左右股不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，因此打磨前輪對(duì)始終保持一定的橫移量運(yùn)行;打磨后左右股鋼軌廓形差異得到了較好的控制，因此輪對(duì)橫移量也有了一定的改善?？梢?jiàn)通過(guò)個(gè)性化廓形打磨，有效改善了輪軌接觸時(shí)輪對(duì)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖4 打磨前后導(dǎo)向輪對(duì)橫移量和分布情況

4.2 安全性

圖5所示為打磨前后導(dǎo)向輪對(duì)脫軌系數(shù)和分布情況(計(jì)算分布情況時(shí)按絕對(duì)值計(jì)算)，可知，打磨前脫軌系數(shù)幅值和分布情況遠(yuǎn)大于打磨后。由圖5(b)可知，打磨前脫軌系數(shù)最大值約0.8，脫軌系數(shù)>0.55達(dá)到了50%左右；打磨后脫軌系數(shù)最大值約0.53左右，0.55以上的占比為0。可見(jiàn)，雖然打磨前在一定的線路激擾情況下脫軌系數(shù)滿(mǎn)足安全性要求，但其值遠(yuǎn)大于打磨后的情況，因此通過(guò)個(gè)性化廓形打磨，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的安全性指標(biāo)也得到了有效改善。

圖5 左輪打磨前后導(dǎo)向輪對(duì)脫軌系數(shù)和分布情況

4.3 平穩(wěn)性

圖6所示為打磨前后車(chē)體平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比，可知，打磨后車(chē)體橫向、垂向舒適度均有所減小，但減小幅度不大。由于在分析中打磨前后采用了相同的AAR6線路譜，未將打磨去除的表面不平順考慮在內(nèi)，因此打磨前后平穩(wěn)性指標(biāo)變化幅度不大。但在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，由于存在打磨前表面不平順的影響，打磨后軌檢加速度指標(biāo)有較好的改善，詳見(jiàn)第5節(jié)。

圖6 打磨前后車(chē)體平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)比

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

打磨過(guò)程中對(duì)鋼軌廓形打磨質(zhì)量指數(shù)GQI(Grinding Quality Index，簡(jiǎn)稱(chēng)GQI)指標(biāo)進(jìn)行了跟蹤分析，相同位置處打磨前后GQI指標(biāo)如表1所示?？芍蚰ズ笞蠊善骄鵊QI指標(biāo)從65.48提升至93.28，右股平均GQI指標(biāo)從68.04提升至94.05，打磨后左右股整體GQI指標(biāo)提升了40%左右。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)打磨后左右股平均GQI指標(biāo)差值從打磨前的2.56降至0.77?？梢?jiàn)打磨后鋼軌廓形質(zhì)量得到明顯改善，同時(shí)左右股廓形質(zhì)量差異情況也得到了一定消除。

該區(qū)段打磨前2015年5—7月間共出現(xiàn)橫向加速度超標(biāo)報(bào)警22次，同時(shí)伴隨明顯抖車(chē)現(xiàn)象。但2015年7月份打磨后加速度報(bào)警現(xiàn)象未再次出現(xiàn)，同時(shí)抖車(chē)現(xiàn)象基本消除。由圖7打磨前后動(dòng)檢車(chē)加速度波形可見(jiàn)，打磨后鋼軌橫向、垂向振動(dòng)加速度波形得到了有效改善，橫向振動(dòng)加速度幅值減小率約70%左右。

表1 打磨前后GQI指標(biāo)變化情況

圖7 打磨前后加速度波形

圖8為打磨后鋼軌表面狀態(tài)，可知打磨后表面狀態(tài)得到了較好的改善。與圖1相比，通過(guò)打磨基本解決了表面疲勞傷損等問(wèn)題。

圖8 打磨后鋼軌表面狀態(tài)

6 結(jié)論

1)個(gè)性化鋼軌廓形打磨技術(shù)中，打磨目標(biāo)廓形綜合考慮實(shí)際運(yùn)行線路情況、車(chē)輛情況和磨耗狀態(tài)的車(chē)輪廓形進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有較好的針對(duì)性。

2)在相同線路上，實(shí)際鋼軌廓形依然存在較大差異，軌頭不同位置處的打磨量不盡相同，因此打磨時(shí)同樣需要對(duì)打磨方案進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以保證打磨效果。

3)通過(guò)仿真分析可知，打磨后車(chē)輛運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性和平穩(wěn)性指標(biāo)均得到了一定的提升，在線路譜上的波形分布情況得到了有效改善。

4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，打磨后鋼軌GQI指標(biāo)、線路軌檢指標(biāo)和鋼軌表面狀態(tài)都得到了有效改善，與仿真分析結(jié)果相吻合?？梢?jiàn)，個(gè)性化鋼軌廓形打磨技術(shù)對(duì)解決高速鐵路鋼軌病害和改善車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)有較好的效果，值得推廣。

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