劉暢

摘要：為從根本上提升鋼軌運(yùn)的安全性及平穩(wěn)性，要細(xì)致分析鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌之間的關(guān)系，計(jì)算出不同歸地坡條件下，重型鋼軌車輪踏面運(yùn)行期間的各類參數(shù)數(shù)據(jù)。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在采用1/20的軌底坡時(shí)，重載鐵路輪軌的接觸角分布更加均勻，能夠從根本上提升車輛的接觸面，降低重載鐵路輪軌的接觸斑面積，保障重載鐵路輪軌平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：鋼軌軌底坡;重載鐵路輪軌;關(guān)系

前言：由于鋼軌軌底坡的車輪踏面與頂面接觸面存在一定錐度，為保障鋼軌軸心受力，需注重控橫向彎矩力，計(jì)算鋼軌軌底坡數(shù)值，確保鋼軌其中接觸在軌頂中部，從根本上提升鋼軌的橫向穩(wěn)定力，控制鋼軌的損耗程度，降低鋼軌與重載鐵路輪軌維護(hù)成本。

1、鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌之間的關(guān)系研究現(xiàn)狀

通常情況下，在鋼軌行進(jìn)期間，車輪踏面與鋼軌頂部存在一定錐度，為從根本上控制橫向彎曲，確保鋼軌始終保持在一個(gè)向內(nèi)的傾斜度，需設(shè)置鋼軌軌底坡數(shù)值，確保鋼軌軌底坡的設(shè)置能夠保障鋼軌接觸力集中在鋼軌頂部，從根本上提升橫向穩(wěn)定性，因此需對鋼軌軌底坡的設(shè)置數(shù)值進(jìn)行細(xì)致研究，就目前來看，各國研究鋼軌軌底坡的進(jìn)度不同，相應(yīng)的軌底坡數(shù)值存在較大差距。在歐洲大部分國家，鋼軌軌底坡數(shù)值設(shè)置通常遵循UIC標(biāo)準(zhǔn)，采用1/20軌底坡設(shè)置方式。車輪以及錐形踏面、磨耗型踏面等均為1/20;美國以及日本等國家，鋼軌軌底坡采用1/40的設(shè)置手段;瑞士等國鋼軌軌底坡為1/30。

20世紀(jì)60年代中，我國直線地段鋼軌軌底坡的數(shù)值從原有1/20更改為1/40。經(jīng)過文獻(xiàn)資料調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于當(dāng)時(shí)軌道標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，主要采用鉤頭道扣壓鋼軌的方式，導(dǎo)致鋼軌在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)或扣道釘浮起等問題，導(dǎo)致鋼軌底坡不斷減少。由于鋼軌運(yùn)行期間，車輪踏面會受到各種荷載力的影響，導(dǎo)致踏面錐度逐漸趨向于1/40。

以朔黃鐵路龍宮工務(wù)工隊(duì)的調(diào)查研究來發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)小半徑曲線軌枕（含普枕、橋枕）存在大量承軌槽磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致軌枕軌底坡變化從而出現(xiàn)部分大軌距、軌距變化率、水平不均、三角坑等病害，增加了工隊(duì)養(yǎng)護(hù)維修難度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，以每公里線路1667根軌枕配置進(jìn)行計(jì)算，磨損軌枕總量已占到小半徑曲線軌枕量的21.94%（磨損軌枕普枕4792根、橋枕1684根）。經(jīng)過原因分析，1、工隊(duì)管內(nèi)上行線軌枕分別于2008年至2012年間上線，至今通過總重已達(dá)到17億至23億噸，導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞磨損。2、出現(xiàn)軌枕磨損的曲線道床均存在道床板結(jié)、翻漿冒泥等病害，道床彈性不足導(dǎo)致軌枕承軌槽磨損。3、通過檢查磨損后承軌槽狀態(tài)，與熱塑型膠墊基本一致，熱塑型膠墊材質(zhì)較硬也導(dǎo)致軌枕承軌槽磨損。

通過分析鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)曲線地段鋼軌軌底坡應(yīng)保持在1/20，確保車輛曲線通過性能能夠得到根本上的改善，同時(shí)緩解曲線區(qū)域外軌磨損程度。因此從一定角度上來說，對鋼軌軌底坡數(shù)值的優(yōu)化不僅需分析鋼軌形面特征，還應(yīng)考慮到線路條件、重載鐵路輪軌等因素，計(jì)算出更加適當(dāng)?shù)匿撥壾壍灼略O(shè)置數(shù)據(jù)。

2、重載鐵路輪軌模型的設(shè)立

本文采用多體動力學(xué)分析軟件，對重載鐵路輪軌動力學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建，分析模型內(nèi)砌塊運(yùn)行自由度，計(jì)算出砌塊摩擦產(chǎn)生的壓力。通過實(shí)際驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，重載鐵路輪軌模型能夠展現(xiàn)出重載鐵路車體以及搖枕之間的作用關(guān)系，切實(shí)提升重載車輛回轉(zhuǎn)摩擦力以及車體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)滾能力，因此可在研究鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌關(guān)系時(shí)發(fā)揮出重要作用。

3、分析鋼軌斷面特征

作為鐵路軌道重要組成部分，鋼軌承載力以及抗摩擦力能夠從根本上引導(dǎo)列車車輪正常運(yùn)行。鋼軌頂端與車輪部分直接聯(lián)系在一起，要求該部分具有較強(qiáng)的抗壓力以及耐磨性，確保鋼軌頭部重量與體積符合質(zhì)量要求，其外形能夠與車輪踏板相互適應(yīng)。

就目前來看，重軌車輪發(fā)展速度不斷加快，國內(nèi)運(yùn)煤干線所使用的重型軌道數(shù)量增多，機(jī)械性能不斷提高，軌道頂部的運(yùn)行半徑增加了200毫米，從根本上擴(kuò)大了車輪與底部的接觸面積，使軌道頂部承載能力不斷增加，頂部錐度相應(yīng)減小。

4、靜態(tài)接觸參數(shù)的計(jì)算

在分析鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌結(jié)構(gòu)之間關(guān)系時(shí)，應(yīng)做好靜態(tài)接觸參數(shù)的計(jì)算工作。鋼軌軌底坡數(shù)值的改變可直接影響到輪轂接觸點(diǎn)分布情況，改變接觸角差、輪徑差等數(shù)值[3]。分析1/40與1/20軌底坡的靜態(tài)接觸參數(shù)，發(fā)現(xiàn)1/40軌底坡接觸面集中分布于鋼軌中軸線處，1/20軌底坡接觸面分布于鋼軌中軸線兩側(cè)，受力范圍更加均勻。

通過計(jì)算不同軌底坡數(shù)值的輪徑差以及接觸角差發(fā)現(xiàn)，1/40軌底坡的輪徑差與接觸角差均小于1/20的軌底坡。由于軌底坡不斷增大，鋼軌運(yùn)行期間的橫移量與重力剛度進(jìn)一步提升，更好改善了輪軌的恢復(fù)對中性，有效控制鋼軌在實(shí)際運(yùn)行期間的摩擦損耗量。鋼軌軌道底坡的輪對橫移量接近10mm的情況下，曲線形態(tài)發(fā)生較大改變，輪緣接觸現(xiàn)象明顯。由此可判斷出，1/20鋼軌軌底坡，比1/40鋼軌軌底坡更容易發(fā)生輪緣接觸。

5、鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌的動態(tài)響應(yīng)情況

鋼軌軌底坡參數(shù)數(shù)值的設(shè)置可直接影響到鋼軌接觸面位置，通過不斷優(yōu)化鋼軌接觸量，能夠有效改善輪軌動態(tài)接觸行為，確保重載車輛的動力學(xué)響應(yīng)發(fā)生改變。采用當(dāng)前先進(jìn)的動態(tài)仿真技術(shù)，分析重載車輛在勻速行進(jìn)時(shí)，1/20鋼軌軌底坡與1/40鋼軌軌底坡的橫移量、沖角、輪軌力等數(shù)值，判斷出鋼軌軌底坡設(shè)置情況對車輛曲線通過性能的影響。

通過繪制動態(tài)仿真圖形模型，發(fā)現(xiàn)車輛通過曲線時(shí)，不同鋼軌軌底坡的導(dǎo)向車輪橫移量存在極大不同。具體而言，在1/40鋼軌軌底坡時(shí)，圓曲線車輪的橫移量為7.3mm;1/20鋼軌軌底坡時(shí)，圓曲線車輪的橫移量為6.5mm。根據(jù)此結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，輪軌的橫移量數(shù)值與鋼輪的重力及剛力具有直接影響，鋼輪的重力與剛力增大，輪軌的橫移量數(shù)值減小。在沖角、橫向力減小的情況下，鋼輪的重力與高度明顯增加。鋼軌軌底坡數(shù)值由1/40轉(zhuǎn)變?yōu)?/20，能夠更好控制曲線鋼軌的磨損程度，延長鋼軌使用壽命，從根本上提升鋼軌后期運(yùn)維的成本利用率。

6、鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌關(guān)系的實(shí)踐驗(yàn)證

通過分析鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌關(guān)系，將1/20鋼軌軌底坡應(yīng)用在當(dāng)前鋼軌側(cè)磨損治理環(huán)節(jié)，開展鋼軌軌底坡綜合治理試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋼軌軌底坡數(shù)值增大的必要性，從根本上增強(qiáng)鋼軌減磨效果。通過對比分析1/20與1/40鋼軌軌底坡的磨損程度，發(fā)現(xiàn)隨著鋼軌軌底坡數(shù)值增大，外軌道側(cè)磨損程度得到控制，從原有50%的磨損量減少到25%。

為做好國內(nèi)鋼軌軌底坡優(yōu)化工作，應(yīng)細(xì)致判斷鋼軌實(shí)際運(yùn)行情況，遵照鋼軌損耗程度以及橫移量數(shù)值，明確鋼軌軌底坡優(yōu)化范圍。為有效提升鋼軌耐磨性能，相關(guān)部門要細(xì)致分析曲線鋼軌軌道的不對稱外觀特征，通過該特征對鋼軌軌底坡進(jìn)行不對稱打磨，由原有1/40鋼軌軌底坡穩(wěn)定朝向1/20鋼軌軌底坡數(shù)值轉(zhuǎn)變。

總結(jié)：

總而言之，通過分析鋼軌軌底坡以及重載鐵路輪軌具體特征，控制鋼軌軌底坡計(jì)算數(shù)值，采用更加先進(jìn)的多體動力學(xué)軟件，分析鋼軌軌底坡靜態(tài)接觸幾何關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在不同鋼軌軌底坡的輪接觸點(diǎn)時(shí)，輪緣接觸面積不同，受力情況需經(jīng)過細(xì)致分析。同時(shí)，計(jì)算出鋼軌軌底坡運(yùn)行期間的輪徑差與接觸角設(shè)置數(shù)值，確保通過控制鋼軌軌底坡以及重載鐵路輪軌結(jié)構(gòu)，提高輪軌自身承載力與穩(wěn)定性。

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