龔繼軍，崔容義，王軍平，劉恭韜

(中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031)

高速鐵路鋼軌擦傷嚴(yán)重影響軌道的平順性，造成輪軌沖擊力急劇增大。鋼軌擦傷不僅會(huì)使軌下基礎(chǔ)承受較大沖擊荷載，造成其結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致鋼軌折斷；同時(shí)也會(huì)將沖擊載荷反作用給車輛各部件，使其產(chǎn)生疲勞裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致車輛部件發(fā)生疲勞斷裂。車輛系統(tǒng)、軌道狀態(tài)、輪軌匹配、駕駛操作、環(huán)境因素等均是造成鋼軌擦傷的誘因。鋼軌擦傷后，若無(wú)法通過打磨等方法進(jìn)行處理，工務(wù)部門只能更換鋼軌，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，各個(gè)鐵路局管轄范圍內(nèi)的高速鐵路已經(jīng)發(fā)生多次因鋼軌擦傷致使鋼軌下道的事件。

高平順性的軌道狀態(tài)是高速列車平穩(wěn)、安全運(yùn)行的根本保證，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)中針對(duì)鋼軌擦傷的預(yù)防和及時(shí)處理是我國(guó)高速鐵路急需解決的重要問題。目前，針對(duì)車輪踏面擦傷[1-3]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量基礎(chǔ)性的研究工作，但對(duì)于鋼軌擦傷的產(chǎn)生機(jī)理[4-5]及鋼軌擦傷對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能的影響的研究相對(duì)較少，大部分研究主要還是針對(duì)車輪擦傷以后對(duì)車輛部件使用壽命和鋼軌疲勞傷損發(fā)展的影響[6-10]。

為了研究鋼軌擦傷對(duì)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能的影響，本文以一城際高速鐵路存在鋼軌擦傷的區(qū)段為研究對(duì)象，對(duì)擦傷鋼軌的表面狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量，簡(jiǎn)要分析了鋼軌擦傷產(chǎn)生的機(jī)理，并通過建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，分析了無(wú)擦傷模型以及擦傷模型的動(dòng)力學(xué)性能特點(diǎn)。

1 工程概況

該城際鐵路旅客列車設(shè)計(jì)速度為160～250 km/h，年通過總質(zhì)量約50 Mt，全線鋪設(shè)60 kg/m的U75VG鋼軌，客貨共線。該線路開通半年以后部分直線和曲線鋼軌表面存在擦傷現(xiàn)象。

1.1 問題調(diào)查

首先對(duì)鋼軌表面狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，采用深度計(jì)和平板尺測(cè)量擦傷區(qū)域的深度和形狀，并對(duì)擦傷鋼軌表面的傷損情況進(jìn)行宏觀分析。測(cè)試結(jié)果表明：上股擦傷區(qū)域大致為橢圓形，其大小約為直徑20 mm，深度0.984 mm；下股鋼軌軌頭擦傷區(qū)域呈長(zhǎng)條形，其大小約為長(zhǎng)度60 mm，深度1.038 mm；上下股擦傷深度均較深。鋼軌踏面?zhèn)麚p的表面狀態(tài)如圖1、圖2所示。部分岔區(qū)也存在類似擦傷。

圖1 曲線上股鋼軌踏面?zhèn)麚p狀態(tài)

圖2 曲線下股鋼軌踏面?zhèn)麚p狀態(tài)

1.2 產(chǎn)生機(jī)理

一般來說，普速鐵路鋼軌的擦傷通常發(fā)生在列車啟動(dòng)和制動(dòng)階段，車站如果存在上、下坡道也會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的擦傷情況，而在平直地段幾乎不會(huì)發(fā)生擦傷情況?？拓浌簿€并有動(dòng)車組運(yùn)行的線路一般也是由普速客貨車造成鋼軌的擦傷。高速鐵路鋼軌的擦傷多數(shù)不是由動(dòng)車組造成的，而是在高速鐵路建設(shè)或運(yùn)營(yíng)過程中由普通列車包括工程車造成的，但也不排除在部分小半徑進(jìn)站曲線是由于動(dòng)車組制動(dòng)頻繁造成的。

1.3 解決辦法

當(dāng)鋼軌表面出現(xiàn)擦傷可以通過打磨設(shè)備進(jìn)行處理。一般來說，當(dāng)擦傷區(qū)域面積較大、深度超過0.5 mm 的時(shí)候宜采用銑磨車或者打磨車處理。但銑磨車不具有廓形修復(fù)能力，作業(yè)效率低，不適用于該線路的局部擦傷缺陷處理；而一般打磨車長(zhǎng)度都超過100 m，沒有必要為了修復(fù)該線路的局部擦傷而增加整條曲線鋼軌的磨耗，這會(huì)縮短鋼軌的壽命。此時(shí)，采用小型打磨機(jī)進(jìn)行局部處理就很有必要。采用小型打磨機(jī)對(duì)擦傷區(qū)域進(jìn)行局部處理時(shí)一定要樹立廓形打磨意識(shí)，做好擦傷區(qū)域兩側(cè)鋼軌的順接，不應(yīng)只是簡(jiǎn)單地將擦傷區(qū)域的傷損消除掉而不考慮修復(fù)擦傷區(qū)域的廓形及平順性，防止小型打磨機(jī)打磨后對(duì)鋼軌造成額外不平順。圖3為小型打磨機(jī)打磨后曲線上股鋼軌表面狀態(tài)。

圖3 曲線上股打磨后鋼軌表面狀態(tài)

2 動(dòng)力學(xué)模型的建立及仿真計(jì)算工況

2.1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

車輛是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)，在建立動(dòng)力學(xué)仿真模型的過程中，對(duì)一些次要因素進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)動(dòng)力學(xué)性能影響較大的因素應(yīng)盡可能與實(shí)際工況相似。坐標(biāo)系采用鐵路坐標(biāo)系，即x軸平行于車輛前進(jìn)的方向；y軸平行于軌道橫截面且以指向右手方向?yàn)檎较?；z軸垂直于軌道平面且以向下為正方向。

采用SIMPACK軟件建立通過該線路動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)仿真模型。仿真模型由1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)軸箱組成。在計(jì)算該車動(dòng)力學(xué)性能時(shí)取整車模型，車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)均取6個(gè)自由度，即縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭、搖頭；軸箱取1個(gè)自由度，即點(diǎn)頭。整個(gè)車輛系統(tǒng)共計(jì)54個(gè)自由度,垂向、橫向運(yùn)動(dòng)耦合在一起。車輛動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 車輛動(dòng)力學(xué)模型

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)既有某型動(dòng)車組的懸掛參數(shù)，對(duì)比分析車輛通過擦傷鋼軌以及未擦傷鋼軌的動(dòng)力學(xué)性能。

采用的鋼軌擦傷大小上股為長(zhǎng)度30 mm，深度0.52 mm，下股為長(zhǎng)度58 mm，深度1.038 mm。直線擦傷布置在左右股鋼軌正中心，曲線擦傷布置在曲線中點(diǎn)。采用軌道單個(gè)激擾方式進(jìn)行仿真模擬。

2.2.1 直線工況

直線工況為車輛分別通過擦傷鋼軌和無(wú)擦傷鋼軌的直線軌道，軌道譜采用德國(guó)高速低干擾譜，分別計(jì)算50，100，150，200，250 km/h速度級(jí)下的平穩(wěn)性和舒適度指標(biāo)，分析的主要參數(shù)有動(dòng)車組車體的振動(dòng)加速度最大值、均方根值等。

2.2.2 曲線工況

曲線工況為車輛分別通過擦傷鋼軌和無(wú)擦傷鋼軌的曲線軌道，軌道譜采用德國(guó)高速低干擾譜，計(jì)算速度分別為50，100，150，200，250 km/h。仿真計(jì)算曲線參數(shù)見表1。計(jì)算的主要指標(biāo)包括動(dòng)車組通過曲線時(shí)的輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、磨耗指數(shù)。

表1 仿真計(jì)算曲線參數(shù)

3 動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果分析

3.1 直線工況仿真計(jì)算結(jié)果

直線工況下車輛的平穩(wěn)性、舒適度、最大加速度、加速度均方根值的計(jì)算結(jié)果見表2—表5?？梢钥闯?，擦傷模型的各項(xiàng)指標(biāo)都較無(wú)擦傷模型大，鋼軌擦傷對(duì)于車輛的動(dòng)力學(xué)性能有一定影響，但影響程度較小。

表2 直線工況下車輛的平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

表3 直線工況下車輛的舒適度計(jì)算結(jié)果

表4 直線工況下車輛的最大加速度 m·s-2

表5 直線工況下車輛的加速度均方根 m·s-2

3.2 曲線工況仿真計(jì)算結(jié)果

表6—表10為曲線工況下車輛的輪軸橫向力、輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)、磨耗指數(shù)，其中磨耗指數(shù)為通過擦傷區(qū)域的值?？梢钥闯觯囕v通過擦傷模型時(shí)，車輛的各項(xiàng)安全性指標(biāo)都急劇增大。尤其是輪重減載率和脫軌系數(shù)，在速度大于200 km/h時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重超限現(xiàn)象。當(dāng)速度從200 km/h 變到 250 km/h，上下股激勵(lì)不一致，下股的動(dòng)態(tài)作用力急劇增大，車輛高速通過擦傷區(qū)域時(shí)輪軌的垂向振動(dòng)加劇，導(dǎo)致減載率突然從0.36左右變化到0.90左右，減載率變化過大。此外擦傷模型的整車磨耗指數(shù)比無(wú)擦傷模型的整車磨耗指數(shù)增大尤為明顯，而輪軌是一個(gè)整體，反映到鋼軌上就是鋼軌磨耗速率會(huì)顯著增大，降低鋼軌的使用壽命。

表6 曲線工況下的輪軸橫向力 kN

表7 曲線工況下的輪軌垂向力 kN

表8 曲線工況下的輪重減載率

表9 曲線工況下的脫軌系數(shù)

表10 曲線工況下的磨耗指數(shù)

4 結(jié)論及建議

1)鋼軌擦傷是目前我國(guó)高速鐵路鋼軌傷損的主要形式之一，鋼軌擦傷對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能影響較大。本文測(cè)量區(qū)域的擦傷程度并不是十分嚴(yán)重，實(shí)際線路上可能存在更連續(xù)、更嚴(yán)重的擦傷，工務(wù)部門應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和治理，防止擦傷給行車帶來嚴(yán)重影響。

2)仿真結(jié)果表明某型動(dòng)車組通過鋼軌擦傷地段時(shí)，鋼軌擦傷對(duì)車輛的平穩(wěn)性影響較小，擦傷模型的橫向和垂向平穩(wěn)性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果均比無(wú)擦傷模型要大。

3)鋼軌擦傷對(duì)動(dòng)車組安全性的影響與車速有關(guān)，當(dāng)運(yùn)行速度小于200 km/h時(shí)，鋼軌擦傷對(duì)安全性影響較??；當(dāng)運(yùn)行速度大于200 km/h時(shí)，鋼軌擦傷對(duì)安全性影響較大，尤其是輪重減載率和脫軌系數(shù)在速度大于200 km/h時(shí)會(huì)發(fā)生超限現(xiàn)象。

4)鋼軌擦傷對(duì)動(dòng)車組整車磨耗指數(shù)影響較大，不利于延長(zhǎng)輪軌的使用壽命。

5)隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程不斷增長(zhǎng)，鋼軌擦傷問題會(huì)更加凸顯，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)對(duì)造成擦傷的原因進(jìn)行研究，找到造成擦傷的根源，從而采取相應(yīng)的治理措施。