楊逸航

(中鐵物軌道科技服務集團有限公司， 北京 100036)

隨著鐵路交通運輸?shù)娘w躍式發(fā)展，輪軌之間的磨損問題越發(fā)顯著，其中主要包括鋼軌剝離、疲勞裂紋、塑性流變、波狀磨損等[1]，嚴重影響著行車的安全和穩(wěn)定。鋼軌打磨是解決以上問題的有效策略之一，鋼軌打磨可以有效地優(yōu)化鋼軌廓形，改善輪軌接觸關系，延長鋼軌使用壽命、改善列車運行性能[2]。

郭戰(zhàn)偉[3]基于對輪軌蠕滑形成機理的研究，提出應通過鋼軌打磨消除或減弱輪軌蠕滑，達到延長鋼軌使用壽命的目的。任娟娟[4]選取現(xiàn)場實際打磨后的輪軌廓形，建立輪軌有限元模型并進行仿真計算，結果表明打磨后輪軌接觸狀態(tài)得到改善；金學松[5]論述了鋼軌打磨技術與輪軌接觸疲勞傷損之間的關系，建立了優(yōu)化打磨模型；王軍平[6]對個性化鋼軌廓形打磨方法進行了闡述，并結合實際案例對不同線路實施廓形打磨后的效果進行了分析。

依據(jù)中國鐵路總公司鄭州局管內(nèi)某條線路打磨現(xiàn)狀，選取2條磨損較為嚴重的小半徑曲線鋼軌作為研究對象，鋼軌曲線A(簡稱：曲線A)里程為上行K627+400～K628+400，半徑為500 m；鋼軌曲線B(簡稱：曲線B)里程為上行K634+800～K635+800，半徑為500 m?；趍ininprof鋼軌廓形儀分別測量得到打磨前后曲線A及曲線B處曲中鋼軌廓形，進行個性化打磨方案設計，并對輪軌接觸幾何特性進行分析，隨后采用多體動力學軟件UM建立車輛-軌道多體系統(tǒng)動力學模型，研究車輛通過打磨前后曲線A及曲線B時車輛動力學特性。

1 現(xiàn)場打磨情況

1.1 打磨方案設計

圖1為曲線A及曲線B中曲線中間處鋼軌實測廓形，與設計廓形相比可知，曲線A及曲線B左股外側均高于設計廓形，曲線A及曲線B右股內(nèi)外側均高于設計廓形，已經(jīng)形成馬鞍形磨耗。且通過波磨儀檢測可知，波磨深度均為0.7 mm，波長為350 mm。

由于打磨車打磨角度分布如圖2所示，計算得到實測廓形與設計廓形不同角度偏差量，如圖3所示，曲線A左股非工作邊高于設計廓形約1.2 mm，工作邊與設計廓形較為吻合，曲線A右股非工作邊高于設計廓形約1.5 mm，工作邊高于設計廓形約1.7 mm，根據(jù)大機切削能力，曲線A廓形打磨至設計廓形需要8遍。曲線B左股非工作邊高于設計廓形約1.3 mm，工作邊與設計廓形較為吻合，曲線B右股非工作邊高于設計廓形約0.7 mm，工作邊高于設計廓形約1.3 mm，根據(jù)大機切削能力，曲線B廓形打磨至設計廓形需要6遍。打磨至設計廓形之后，由于曲線A及曲線B軌面存在波磨約為0.7 mm，需要4遍波磨模式對軌面波磨及掉塊進行處理。通過廓形打磨，曲線A及曲線B曲中測點處左股鋼軌非工作邊降低，右股鋼軌馬鞍形磨耗得到較好處理。

圖1 實測廓形與設計廓形對比

圖2 打磨角度分布

圖3 實測廓形與設計廓形偏差量

1.2 軌面狀態(tài)變化

鋼軌軌面狀態(tài)是衡量鋼軌廓形打磨質(zhì)量主要指標，圖4、圖5分別為曲線A及曲線B中曲線中間處鋼軌打磨前后軌面狀態(tài)變化，由圖可知，打磨前曲線A及曲線B左右股軌面剝離掉塊及波磨均較為嚴重，軌面掉塊及波浪形磨耗將加大車輛運行垂向及橫向振動，影響車輛運行平穩(wěn)性[7]。通過廓形打磨，軌面剝離掉塊及波磨均得到較好整治。

圖4 曲線A打磨前后軌面狀態(tài)變化

1.3 鋼軌質(zhì)量系數(shù)變化

鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI是鐵路工務系統(tǒng)衡量鋼軌質(zhì)量的重要指標，TQI值越小表示鋼軌質(zhì)量越好。圖6為打磨前后鋼軌質(zhì)量系數(shù)TQI變化折線圖，由圖可知，通過廓形打磨，曲線A及曲線B鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI均有顯著下降，曲線A里程為上行K627+400～K628+400，曲線A在里程為K627+800處鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI下降最大，為32.40%，曲線B里程為上行K634+800～K635+800，曲線B在里程為K634+800處鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI下降最大，為23.49%。

圖5 曲線B打磨前后軌面狀態(tài)變化

圖6 打磨前后軌道質(zhì)量指數(shù)TQI變化

2 輪軌接觸幾何分析

2.1 等效錐度變化

輪軌接觸幾何關系對輪軌動力學特性影響很大，等效錐度是輪軌幾何接觸中的重要參數(shù)[8]。圖7是采用諧波法計算的標準LMA車輪型面和鋼軌廓形匹配后的等效錐度曲線，由圖可知，曲線A中曲線中間測點處等效錐度隨著橫移量增大呈現(xiàn)上升趨勢，打磨前橫移量為7 mm時，等效錐度為0.023，隨后等效錐度急劇增大，當橫移量為10 mm時，等效錐度達到最大值，為0.23；曲線B中曲線中間測點處等效錐度隨著橫移量增大，先減小后增大，曲中測點處打磨前橫移量為1 mm時，等效錐度為0.23，當橫移量為8 mm時，等效錐度降到最低值，為0.11，隨后等效錐度急劇增大，當橫移量為10 mm時，等效錐度達到最大值，為0.23。根據(jù)kingel原理，在橫向跨距和滾動圓半徑保持一定的情況下，等效錐度增大，轉(zhuǎn)向架蛇行運動頻率增加，蛇行運動波長降低，車輛的運行平穩(wěn)性下降。對曲線A及曲線B進行打磨處理后，均起到很好的降低等效錐度的作用，等效錐度最大值在0.15以下，列車運行穩(wěn)定性得到改善。

圖7 打磨前后等效錐度變化

2.2 輪軌接觸點變化

圖8是輪軌接觸點分布圖，從輪軌接觸點分布圖可直觀地看到打磨前后輪軌的接觸點位置和布置情況。由圖7可知，打磨前曲線A及曲線B左股接觸區(qū)域均較小，右股形成較為明顯的3點接觸，通過廓形打磨，曲線A及曲線B左右股接觸區(qū)域增大，接觸相對打磨前更加均勻，且右股3點接觸得到較好處理。

圖8 打磨前后輪軌接觸點分布圖

3 車輛-軌道多體系統(tǒng)動力學模型建立

依據(jù)車輛懸掛參數(shù)，在動力學軟件UM中建立車輛精細模型。模型充分考慮非線性輪軌接觸幾何關系、非線性輪軌蠕滑特性及非線性車輛懸掛系統(tǒng)。列車運行速度設為60 km/h，曲線A及曲線B均為500 m小半徑曲線，全長1 000 m，曲線超高為120 mm，打磨前波磨深度均為0.7 mm，波長為350 mm，鋼軌廓形分別選用打磨前后曲線A及曲線B中曲線中間處測量得到廓形。建立得到車輛-軌道多體系統(tǒng)動力學模型，箭頭方向為車輛行駛方向，如圖9所示。

圖9 車輛-軌道多體系統(tǒng)動力學模型

4 輪軌滾動接觸特性分析

車輛行進方向左側與鋼軌接觸車輪由運行方向前至后定義為1位車輪、2位車輪、3位車輪、4位車輪，列車行進方向右側與鋼軌接觸車輪由運行方向前至后定義為5位車輪、6位車輪、7位車輪、8位車輪，列車通過圓曲線時，對1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時輪軌間滾動接觸特性進行分析。

4.1 縱向蠕滑特性分析

圖10為車輛通過曲線A及曲線B時車輪接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率最大值變化圖，由圖可知，通過廓形打磨，1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率最大值均有顯著降低，當1位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時縱向蠕滑率最大值降低最為明顯，分別減小55.72%、79.06%。

圖10 打磨前后縱向蠕滑率最大值變化

4.2 橫向蠕滑特性分析

圖11為車輛通過曲線A及曲線B時車輪接觸斑內(nèi)橫向蠕滑率最大值變化圖，由圖可知，通過廓形打磨，1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時接觸斑內(nèi)橫向蠕滑率最大值均有顯著降低，當3位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時橫向蠕滑率最大值降低最為明顯，分別減小77.93%、84.51%。

圖11 打磨前后橫向蠕滑率最大值變化

4.3 磨耗特性分析

由于車輪鋼軌間磨耗的原理非常復雜，國內(nèi)外學術界尚未對輪軌磨耗的評定指標提出統(tǒng)一的判據(jù)標準。UM軟件中根據(jù)蠕滑速度和蠕滑力定義磨耗功率的表達式：

Mwear=-F1x·v1x-F1y·v1y

式中，F(xiàn)1x，F(xiàn)1y是車輪的橫向與縱向蠕滑力，v1x，v1y是橫向與縱向的蠕滑速度，Mwear的單位為：W。磨耗功率數(shù)值愈大，則車輪鋼軌間的磨損程度便會加劇。

圖12為車輛通過曲線A及曲線B時車輪接觸斑內(nèi)磨耗功最大值變化圖，由圖可知，通過廓形打磨，1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時接觸斑內(nèi)磨耗功最大值均有顯著降低，當6位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時磨耗功最大值降低最為明顯，分別減小79.28%、85.77%。故通過鋼軌廓形打磨，輪軌間磨耗功減小，輪軌磨耗得到較好的改善。

5 車輛運行安全平穩(wěn)性分析

5.1 安全性分析

輪重減載率是判斷車輛運行安全性主要指標之一[9]，輪重減載率安全限定值為0.9，輪重減載率越小表明車輛運行安全性越高。圖13為車輛通過曲線A及曲線B時車輪輪重減載率最大值變化圖，由圖可知，通過廓形打磨，1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時輪重減載率最大值均有顯著降低，當1位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時輪重減載率最大值降低最為明顯，分別減小94.74%、89.77%。故通過鋼軌廓形打磨，車輛運行安全性得到提升。

圖12 打磨前后磨耗功最大值變化

圖13 打磨前后輪重減載率最大值變化

5.2 平穩(wěn)性分析

加速度是衡量車輛平穩(wěn)性及振動特性的重要指標[10]，車輛振動會影響到乘客的舒適度和運輸貨物的完整性。圖14為車輛通過曲線A及曲線B時車體橫向/垂向加速度時域變化圖，由圖可知，打磨前由于軌面不平順，軌面波磨及掉塊較為嚴重，曲線A及曲線B垂向/橫向加速度頻率及幅值變化較大，通過廓形打磨，軌面波磨及掉塊得到較好處理，車輛通過曲線A及曲線B垂向/橫向加速度得到顯著改善，且車輛通過曲線A及曲線B時車體橫向/垂向加速度最大值分別減小46.74%/80.04%、46.33%/78.96%。通過廓形打磨可以較好改善車輛運行平穩(wěn)性。

圖14 打磨前后車體垂向/橫向加速度變化

6 結 論

(1)曲線A及曲線B打磨前左股外側均高于設計廓形，曲線A及曲線B右股內(nèi)外側均高于設計廓形，已經(jīng)形成馬鞍形磨耗。根據(jù)曲線A及曲線B打磨前廓形與設計廓形偏差量，曲線A及曲線B打磨遍數(shù)分別設為12遍、10遍；打磨后軌面剝離掉塊得到較好整治，打磨后軌面未有波磨，廓形得到改善；曲線A及曲線B鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI均有顯著下降，最大值分別下降32.40%、23.49%。

(2)打磨后曲線A及曲線B等效錐度均得到顯著改善，當橫移量為0～10 mm內(nèi)，等效錐度均在0.15以下；曲線A及曲線B左右股接觸區(qū)域增大，接觸相對打磨前更加均勻，且右股3點接觸得到較好處理。

(3)打磨后1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時接觸斑內(nèi)縱/橫向蠕滑率最大值、磨耗功最大值、輪重減載率最大值均有顯著降低，輪軌接觸關系、輪軌磨耗及車輛運行安全性得到改善；同時，車輛通過曲線A及曲線B時車體垂向/橫向加速度頻率及幅值降低，橫向/垂向加速度最大值分別減小46.74%/80.04%、46.33%/78.96%，車輛運行穩(wěn)定性得到提升。