張金 俞喆 楊超 毛少虎

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，南昌 330000；3.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，廣州 510088）

我國(guó)普速鐵路線路運(yùn)行車(chē)型有多種車(chē)輪型面，主要有LMA，JM3，LM 等；而鋼軌僅有60 kg/m 軌頭廓形。不同車(chē)輪型面與單一軌頭廓形相互磨合，輪軌匹配關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。對(duì)于直線地段，輪軌匹配關(guān)系不合理會(huì)造成輪軌接觸不在軌頭踏面中心，而是嚴(yán)重偏向軌距角。由于軌距角處接觸所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力大于軌頭踏面中心接觸所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，車(chē)輪長(zhǎng)期在軌距角處接觸會(huì)造成鋼軌過(guò)早出現(xiàn)疲勞傷損。對(duì)于曲線地段，因列車(chē)提速造成欠超高，機(jī)車(chē)輪緣潤(rùn)滑過(guò)多致使鋼軌軌距角的摩擦因數(shù)降低，造成曲線上股鋼軌長(zhǎng)期無(wú)磨耗，輪軌難以磨合。曲線上股鋼軌軌距角處長(zhǎng)期承受很大的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致剝離掉塊及核傷的頻發(fā)［1］。

大量研究證明，在不能統(tǒng)一車(chē)輪型面又無(wú)法改變軌底坡設(shè)置的情況下，鋼軌軌頭廓形打磨是改善輪軌匹配關(guān)系行之有效的方法［2-6］。通過(guò)鋼軌打磨形成適合車(chē)輪型面的軌頭廓形，加快輪軌磨合，使得輪軌匹配良好。

針對(duì)我國(guó)普速鐵路輪軌匹配的實(shí)際情況，本文利用輪軌接觸關(guān)系理論，提出普速鐵路鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)的基本原則和總體目標(biāo)，給出廓形設(shè)計(jì)的方法及步驟，設(shè)計(jì)出300 m 小半徑曲線磨耗鋼軌的打磨廓形，并通過(guò)仿真數(shù)值模擬來(lái)評(píng)價(jià)廓形設(shè)計(jì)的效果。

1 普速鐵路輪軌匹配情況

1）我國(guó)普速鐵路的線路條件

我國(guó)普速鐵路標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，軌底坡1/40，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距1 353 mm。

2）主要鋼軌軌面

我國(guó)既有鐵路所采用的鋼軌有3種：50，60，75 kg/m鋼軌。其中主要鐵路干線上廣泛使用60 kg/m鋼軌，僅重載鐵路重車(chē)線上使用75 kg/m鋼軌，年通過(guò)總質(zhì)量小于25 Mt的次重型軌道及站線等使用50 kg/m鋼軌。

3）主要車(chē)輪型面

我國(guó)普速鐵路運(yùn)行的車(chē)輪主要有3 種，即運(yùn)行速度高于160 km/h 的客車(chē)LMA 車(chē)輪、運(yùn)行速度低于160 km/h的機(jī)車(chē)JM3車(chē)輪和普通客貨車(chē)LM車(chē)輪。3種車(chē)輪均為磨耗型車(chē)輪型面，有利于減少車(chē)輪的磨耗和提高曲線的通過(guò)性能［7］。3 種車(chē)輪型面與 60 kg/m 鋼軌匹配情況見(jiàn)圖1。

圖1 不同車(chē)輪型面與60 kg/m鋼軌匹配情況

從圖1可知，LMA車(chē)輪型面與60 kg/m鋼軌匹配最好，JM3 車(chē)輪型面次之，LM 車(chē)輪型面最差。對(duì)于LMA車(chē)輪型面，在直線和曲線工況下，輪軌主要在軌頭踏面中心區(qū)域接觸。對(duì)于JM3 和LM 車(chē)輪型面，在直線工況下，輪軌接觸不在軌頭踏面中心區(qū)域，而是明顯偏向軌距角；在曲線工況下，輪緣不能與軌距角形成共形接觸。

2 廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則和總體目標(biāo)

廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)以經(jīng)典的輪軌接觸幾何學(xué)和輪軌接觸力學(xué)為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)出直線與曲線工況下的鋼軌打磨廓形，優(yōu)化輪軌接觸幾何關(guān)系。優(yōu)化后的廓形不僅能夠降低輪軌作用力，還能減緩輪軌磨耗，延長(zhǎng)輪軌使用壽命，提高車(chē)輛運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性［8］。

2.1 基本原則

廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則：①在直線和大半徑曲線上，輪軌應(yīng)在軌頭踏面中心區(qū)域接觸；②在小半徑曲線上車(chē)輪貼靠鋼軌時(shí)，輪緣與軌距角應(yīng)形成共形接觸。

上述2 種輪軌接觸狀態(tài)具有輪軌接觸應(yīng)力小、橫向蠕滑率及蠕滑力小等特點(diǎn)，是輪軌合理匹配的最佳狀態(tài)，也是廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)［9］。

2.2 總體目標(biāo)

1）輪對(duì)處于任意位置時(shí)，輪軌接觸點(diǎn)處的法向間隙應(yīng)盡量小且變化盡量平緩。這樣可以增大輪軌間的接觸面積，減小輪軌接觸應(yīng)力，緩解因接觸壓力過(guò)高而產(chǎn)生的鋼軌傷損，防止鋼軌發(fā)生早期滾動(dòng)接觸疲勞。

2）保持合適的等效錐度。對(duì)于直線地段，為保證車(chē)輛運(yùn)行的穩(wěn)定性，要求等效錐度盡可能小，這樣可提高輪對(duì)的對(duì)中能力，列車(chē)不易發(fā)生蛇行運(yùn)動(dòng)；對(duì)于曲線地段，為減小輪緣導(dǎo)向及優(yōu)化輪軌相互作用，需要較大的等效錐度，這樣可使輪對(duì)和軌道間保持較小的沖角，使列車(chē)具有較好的曲線通過(guò)能力。

3）根據(jù)鋼軌打磨車(chē)的切削能力，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)維修養(yǎng)護(hù)條件，在有限的作業(yè)天窗內(nèi)實(shí)現(xiàn)作業(yè)效率最大化；在改善輪軌接觸狀態(tài)的前提下，最大限度地減少打磨量。

3 廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法及步驟

由于軌道狀態(tài)千變?nèi)f化，不同通過(guò)總質(zhì)量的鋼軌型面磨損程度不同，不同運(yùn)營(yíng)里程車(chē)輛輪對(duì)型面的磨耗程度不同，且車(chē)輛運(yùn)行速度、軸重、動(dòng)力學(xué)性能等也不同，很難找到一種最優(yōu)的型面適用于所有軌道形式和車(chē)輛［10］。

理想的輪軌型面匹配狀態(tài)應(yīng)該能有效地降低接觸應(yīng)力和磨耗，提高直線運(yùn)行時(shí)列車(chē)蛇行失穩(wěn)的臨界速度，同時(shí)改善列車(chē)曲線通過(guò)性能?？紤]到車(chē)輛運(yùn)營(yíng)一定里程后會(huì)進(jìn)行車(chē)輪鏇修以恢復(fù)車(chē)輪原始標(biāo)準(zhǔn)型面狀態(tài)，因此以輪軌匹配關(guān)系最差的普通客貨車(chē)標(biāo)準(zhǔn)LM 車(chē)輪型面為基礎(chǔ)，依據(jù)鋼軌廓形設(shè)計(jì)的基本原則和總體目標(biāo)，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌和磨耗鋼軌進(jìn)行軌頭廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)。

鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法及步驟如圖2所示。以初始鋼軌型面（標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面和磨耗鋼軌型面）為基礎(chǔ)型面，通過(guò)改變輪軌關(guān)鍵接觸區(qū)域鋼軌幾何尺寸獲得不同鋼軌擬合型面，如改變鋼軌軌頭R300，R80，R13 圓弧的半徑及長(zhǎng)度，各圓弧間采用相切關(guān)系平滑連接，擬合出不同的鋼軌型面。然后利用車(chē)輛-軌道耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和輪軌接觸有限元模型，輸入實(shí)際車(chē)輛參數(shù)、線路參數(shù)、實(shí)測(cè)軌道幾何不平順、標(biāo)準(zhǔn)LM 車(chē)輪型面、鋼軌擬合型面，仿真分析車(chē)輛運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性、輪軌接觸特性、鋼軌服役性能，同時(shí)結(jié)合鋼軌打磨作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性，綜合提出優(yōu)化的鋼軌型面。

圖2 普速鐵路鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及步驟

4 廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

曲線工況下，當(dāng)輪軌間蠕滑力難以完成導(dǎo)向而致使輪緣擠壓鋼軌側(cè)面產(chǎn)生較大的橫向力或輪軌存在較大的沖角時(shí)，會(huì)引起輪緣與鋼軌側(cè)面接觸，輪緣磨損上股鋼軌軌距角，形成上股鋼軌側(cè)面磨耗。輪軌磨合后接觸面積過(guò)大（即過(guò)共形），遠(yuǎn)離輪軌接觸滾動(dòng)中心區(qū)域，輪緣與鋼軌側(cè)面將產(chǎn)生較大的相對(duì)滑動(dòng)，增加鋼軌側(cè)磨；同時(shí)產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，形成接觸疲勞裂紋［11］。

不同曲線半徑下，通過(guò)非對(duì)稱(chēng)打磨的方式將鋼軌廓形打磨成不同的目標(biāo)廓形，可以有效地改善輪軌接觸應(yīng)力狀態(tài)，控制鋼軌側(cè)面磨耗，抑制鋼軌疲勞傷損，減少因輪軌不良接觸造成的軌頭塑性變形等鋼軌病害，提高車(chē)輛的曲線通過(guò)能力。但是，一種特定的打磨廓形只適合一類(lèi)問(wèn)題。針對(duì)不同的鋼軌病害情況（側(cè)磨、波磨、疲勞傷損、塑性變形等），需要設(shè)計(jì)不同的鋼軌打磨廓形［12］。

4.1 小半徑曲線鋼軌廓形優(yōu)化

通常情況下，小半徑曲線地段上股鋼軌更換下道的主要原因是側(cè)磨超限。因此，以側(cè)磨為主的磨耗鋼軌TB60MH 為基礎(chǔ)，按照鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法對(duì)300 m 小半徑曲線（累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量30 Mt）鋼軌打磨的目標(biāo)廓形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的鋼軌打磨目標(biāo)廓形TB60MH-D與初始磨耗鋼軌廓形TB60MH的對(duì)比見(jiàn)圖3。可知，上股鋼軌重點(diǎn)優(yōu)化了軌頂面及外側(cè)非工作邊，下股鋼軌重點(diǎn)優(yōu)化了內(nèi)外側(cè)軌角部位。通過(guò)增大輪對(duì)滾動(dòng)圓半徑差，減小輪緣對(duì)鋼軌側(cè)面的沖擊，降低側(cè)向力，有效地控制側(cè)磨，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，同時(shí)提高了曲線通過(guò)導(dǎo)向性能。

圖3 優(yōu)化前后廓形對(duì)比

4.2 效果評(píng)價(jià)

為校核TB60MH-D 的適用性，將優(yōu)化前后的鋼軌廓形分別與標(biāo)準(zhǔn)LM 車(chē)輪型面匹配，分析其輪軌接觸幾何關(guān)系、輪軌接觸應(yīng)力、動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)。

磨耗廓形TB60MH 和設(shè)計(jì)廓形TB60MH-D 與LM車(chē)輪型面匹配時(shí)的輪軌接觸點(diǎn)分布見(jiàn)圖4?？芍孩倌ズ睦蜹B60MH 與LM 車(chē)輪型面匹配時(shí)，左上股輪軌接觸點(diǎn)集中分布于軌頂中心區(qū)域，右下股輪軌接觸點(diǎn)集中分布于工作邊一側(cè)軌肩位置；設(shè)計(jì)廓形TB60MH-D與LM車(chē)輪型面匹配時(shí)，左上股輪軌接觸點(diǎn)集中分布于軌頂中心區(qū)域，右下股輪軌接觸點(diǎn)集中分布的位置由工作邊一側(cè)軌肩移至軌頂中心。②設(shè)計(jì)廓形TB60MH-D的接觸點(diǎn)比磨耗廓形TB60MH的更為集中。

圖4 優(yōu)化前后輪軌接觸點(diǎn)分布

磨耗廓形TB60MH和設(shè)計(jì)廓形TB60MH-D對(duì)應(yīng)的輪軌接觸應(yīng)力、磨耗指數(shù)、脫軌系數(shù)、輪重減載率等各項(xiàng)指標(biāo)的最大值見(jiàn)表1。

表1 廓形優(yōu)化前后各項(xiàng)指標(biāo)最大值對(duì)比

由表1可知：優(yōu)化后輪軌接觸應(yīng)力、磨耗指數(shù)的最大值分別降低了12%，22%；優(yōu)化后脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值分別降低了9%，3%，且優(yōu)化前后均小于車(chē)輛運(yùn)行安全性指標(biāo)的安全限值（0.8）。

5 結(jié)論

1）與60 kg/m 鋼軌匹配時(shí)，LMA 車(chē)輪型面匹配情況最好，輪軌主要在軌頭踏面中心區(qū)域接觸；JM3 及LM 車(chē)輪型面匹配情況較差，輪軌接觸不在軌頭踏面中心區(qū)域，而是嚴(yán)重偏向軌距角。

2）根據(jù)普速鐵路輪軌匹配的實(shí)際情況，利用輪軌接觸關(guān)系理論，提出了廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則、總體目標(biāo)及設(shè)計(jì)方法和步驟。

3）對(duì)300 m 小半徑曲線磨耗鋼軌打磨的目標(biāo)廓形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算分析。廓形優(yōu)化設(shè)計(jì)后，輪軌接觸應(yīng)力、磨耗指數(shù)、脫軌系數(shù)、輪重減載率的最大值分別減小了12%，22%，9%，3%。

4）針對(duì)不同鋼軌病害情況下對(duì)應(yīng)的鋼軌軌頭廓形，須分析其變化規(guī)律，設(shè)計(jì)不同的鋼軌打磨廓形。