徐 凱，李 芾，吳文逸，吳 昊

(1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.成都市經(jīng)濟和信息化局，四川 成都 610000；3.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施和客運網(wǎng)絡(luò)的形成，高速鐵路迅猛發(fā)展，客運量的激增對于高速動車組車輛的需求也日益增加[1]。從高速動車組車輪磨耗的觀察結(jié)果可知，由于動車組運營過程中，線路主要以長直線和大半徑曲線為主，因此車輪磨耗主要以踏面凹槽磨耗為主，但在輪緣處依然存在不同程度的磨耗[2]。動車組車輛在進行結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)設(shè)計時，由于需要充分考慮車輛在運營線路上的高速運行穩(wěn)定性，即直線線路和大半徑曲線線路運行的穩(wěn)定性，因此在動車所和進出站區(qū)段的小半徑曲線上的曲線通過性能以及車輪輪緣處的磨耗會較為惡劣。小半徑曲線上的磨耗對于高速動車組車輛的影響較小，但由于走行車輛數(shù)量巨大，對于線路上鋼軌的磨損比較嚴重。經(jīng)統(tǒng)計，京津城際鐵路天津站和京廣高鐵北京西站等400 m曲線半徑外股鋼軌的平均壽命僅有1年，經(jīng)過更換熱處理軌后壽命也只有2～3年[3]。由此可見，高速鐵路小半徑曲線鋼軌側(cè)磨問題急需解決。

對于小半徑曲線側(cè)磨問題的研究多為基礎(chǔ)理論以及基于重載貨車和城市軌道交通車輛的研究[4-7]，高速鐵路的研究也普遍為運營中的較大半徑線路，針對高速鐵路小半徑曲線的研究較少。文獻[3]通過調(diào)整超高、軌底坡等參數(shù)對車輛通過高速鐵路站區(qū)小半徑曲線的動力學(xué)性能進行了分析，并根據(jù)車輛曲線通過性能對減緩鋼軌側(cè)磨提出了建議。文獻[8]對福州南動車所小半徑曲線磨耗的案例進行分析，提出通過改變交路減少入庫及線路涂油等措施來降低輪緣和鋼軌磨耗。文獻[9]對上海鐵路局動車所聯(lián)絡(luò)線中的小半徑曲線外軌側(cè)磨問題進行了分析，并通過更改軌道參數(shù)來降低輪軌磨耗。文獻[10-12]對動車組通過不同軌道設(shè)置的小半徑曲線的安全性進行了仿真分析和試驗研究。

以上文獻對高速動車組車輛通過小半徑曲線的動力學(xué)性能和觀測結(jié)果進行了分析，但缺少對鋼軌磨耗的具體定量分析?；诖耍疚囊愿咚賱榆嚱M車輛及小半徑曲線鋼軌為分析對象，通過調(diào)整軌道相關(guān)參數(shù)對車輛通過小半徑曲線的動力學(xué)性能及鋼軌磨耗進行分析，提出最佳的軌道相關(guān)參數(shù)，以期對降低小半徑曲線鋼軌側(cè)磨提供一定的指導(dǎo)作用。

1 小半徑鋼軌磨耗

輪軌型面外形直接影響到車輛運行性能及輪軌磨耗，為研究小半徑曲線的磨耗狀況，對動車所及走行線的小半徑曲線鋼軌進行了調(diào)查，利用廓形測量儀對內(nèi)外股鋼軌進行廓形采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理與初步分析，內(nèi)外股鋼軌型面如圖1所示。從調(diào)查情況可見，由于車輛通過曲線時，需要通過外側(cè)車輪輪緣與外股鋼軌軌距角接觸實現(xiàn)導(dǎo)向作用，因此外股鋼軌的磨耗主要表現(xiàn)為軌距角處的側(cè)磨，且出現(xiàn)了由于金屬塑性變形引起的肥邊，隨著半徑的減小，磨耗程度趨于嚴重；內(nèi)股鋼軌的磨耗主要表現(xiàn)為軌頂處的垂磨，磨耗量小于外股鋼軌的磨耗。從圖2所示的內(nèi)外股鋼軌表面狀態(tài)可以看出，內(nèi)股鋼軌出現(xiàn)了波磨現(xiàn)象，這是由于車輛在通過曲線時，輪軌之間的黏滑振動導(dǎo)致輪對與鋼軌之間發(fā)生縱向滑動，滑動處形成了波谷，在滑動后釋放積累的能量，使輪軌再次處于黏著狀態(tài)，輪軌磨耗減小，此處形成波峰。這種黏滑振動不斷重復(fù)，形成了內(nèi)股鋼軌表面的波磨。

圖1 鋼軌型面對比

圖2 磨耗鋼軌表面狀態(tài)

2 分析模型建立

2.1 動力學(xué)模型

根據(jù)對以上小半徑曲線鋼軌的調(diào)查分析，運行在該線路上的高速列車主要為CRH380A型動車組，因此，運用Simpack多體動力學(xué)軟件建立該動車組的動力學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 CRH380A動車組動力學(xué)模型

對動車所內(nèi)部線路及走行線進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，小半徑曲線半徑主要分為300、350、400、500 m，鋪設(shè)鋼軌均為60 kg/m鋼軌，曲線線路參數(shù)設(shè)置見表1，表1中的速度為車輛通過曲線時的平均速度。

表1 小半徑曲線線路參數(shù)

在進行動力學(xué)性能仿真分析時，對于車輛曲線通過安全性參考《200 km/h電動車組動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標準》[13]中提出的評定方法，采用脫軌系數(shù)、輪軌導(dǎo)向力之和及輪重減載率進行評判。

脫軌系數(shù)由輪軌間的橫向力與垂向力的比值確定，車輛中各輪的脫軌系數(shù)均不得超過0.8。脫軌系數(shù)為

(1)

式中：α為輪緣角；μ為輪軌摩擦系數(shù)；Y為輪軌橫向力；Q為輪軌垂向力。

輪軌導(dǎo)向力之和限值(∑Y)lim可以表示為

(2)

式中：P0為軸重。

輪重減載率由輪對兩側(cè)車輪的垂向力計算得到，輪重減載率在準靜態(tài)情況下不得超過0.65，動態(tài)情況下不得超過0.8。輪重減載率為

(3)

式中：ΔP為兩側(cè)車輪輪重差；P為兩側(cè)車輪平均輪重；P1、P2為增載側(cè)和減載側(cè)車輪輪重。

2.2 磨耗模型

采用廣泛使用的Achard磨耗模型進行分析[14]。當(dāng)輪軌接觸發(fā)生時，接觸首先發(fā)生在少數(shù)幾個獨立的微凸體上。因此，在一定的法向載荷作用下，微凸體的局部壓力可能超過材料的屈服壓力而發(fā)生塑性變形，當(dāng)輪軌相對滑動產(chǎn)生時，這些微凸體將發(fā)生剪切、斷裂，如圖4所示，其表達式為

圖4 Achard磨耗模型

(4)

式中：Vw為磨耗體積；k為磨耗系數(shù)；N為法向力；s為滑動距離；H為材料硬度。

根據(jù)Achard磨耗模型的假定，接觸斑內(nèi)的黏著區(qū)不存在磨耗，而滑動區(qū)才存在材料磨耗。因此黏著區(qū)和滑動區(qū)的判定需要在Fastsim中進行。

在進行輪軌磨耗預(yù)測時，關(guān)鍵是磨耗系數(shù)的取值，因為它決定了磨耗的快慢。文獻[15]給出了磨耗系數(shù)隨接觸壓應(yīng)力和滑動速度的變化關(guān)系，如圖5所示。

圖5 Achard磨耗系數(shù)

2.3 磨耗預(yù)測方法

踏面-軌面磨耗預(yù)測主要通過如圖6所示的步驟進行。利用車輛-軌道系統(tǒng)動力學(xué)通過對車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型的仿真分析，計算出輪軌接觸關(guān)系及蠕滑率等，并將其輸入至基于Hertz理論和Fastsim算法的輪軌滾動接觸分析，得到其接觸斑內(nèi)局部切向應(yīng)力分布、法向應(yīng)力分布、滑動速度等，基于此，根據(jù)每個積分步長所對應(yīng)的磨耗系數(shù)，計算每個積分步下接觸斑的磨耗量，并進行磨耗量的累加。為了避免磨耗計算后踏面和軌面出現(xiàn)不連續(xù)的問題，在每次積分后對踏面及軌面進行平滑處理，將平滑處理后的踏面及軌面文件再輸入車輛-軌道系統(tǒng)動力學(xué)模擬中，完成一個循環(huán)。

圖6 磨耗預(yù)測方法

根據(jù)磨耗預(yù)測計算流程圖，基于Simpack built-in JavaScript編制輪軌磨耗預(yù)測程序，采用車輪踏面和鋼軌型面同時更新的方法對輪軌磨耗進行計算。

3 線路設(shè)置對側(cè)磨影響

由于動車組車輛的結(jié)構(gòu)和懸掛參數(shù)的選擇需要為直線和大半徑曲線的高速運行穩(wěn)定性考慮，因此對于小半徑曲線路段的運行性能和輪軌磨耗通過線路參數(shù)設(shè)置進行優(yōu)化較為適宜。為研究影響小半徑曲線鋼軌磨耗的因素，對輪軌摩擦系數(shù)、軌距加寬、曲線通過速度及軌底坡等因素進行分析，通過車輛曲線通過安全性評判指標及鋼軌的磨耗量進行分析。

3.1 輪軌摩擦系數(shù)

輪軌摩擦系數(shù)直接關(guān)系到輪軌的磨耗量，在干燥情況下摩擦系數(shù)f普遍取值在0.3～0.4之間，因此在0.1～0.5之間取值進行仿真分析，分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 輪軌摩擦系數(shù)變化對車輛曲線通過安全性影響

圖8 輪軌摩擦系數(shù)變化對鋼軌磨耗影響

由車輛的曲線通過性能分析結(jié)果可以看出，隨著輪軌摩擦系數(shù)的增大，導(dǎo)向力之和逐漸減小，脫軌系數(shù)呈增大趨勢，輪重減載率雖有變大趨勢，但變化幅度較小。從鋼軌磨耗結(jié)果可以看出，過小的輪軌摩擦系數(shù)反而不利于外股鋼軌的側(cè)磨，這是因為輪軌摩擦系數(shù)的減小會使輪對沖角由于回復(fù)力矩的變小而增大。由于車輛運行中牽引及制動均依靠輪軌摩擦系數(shù)提供的黏著力，因此在軌頂處的摩擦系數(shù)應(yīng)該得到保證。故對于外股鋼軌摩擦系數(shù)應(yīng)控制在0.2左右比較合適，對于內(nèi)股鋼軌摩擦系數(shù)取0.3～0.4較為適宜。從分析結(jié)果可見，可在外股鋼軌軌距角附近或外側(cè)車輪輪緣處抹油，內(nèi)股鋼軌保持原狀不進行處理。

3.2 軌距加寬

車輛在通過曲線時，由于其原有行駛方向的慣性，需要車輪與外股軌道接觸產(chǎn)生導(dǎo)向作用。在許多小半徑曲線中，為了減小車輪對鋼軌的沖擊，通常采用軌道加寬的方式來減小輪軌間的橫向作用力。為分析小半徑曲線軌道加寬對車輛曲線通過能力及對鋼軌磨耗的影響，對于300、350 m曲線考慮軌距加寬為5、10、15 mm的工況，而對于400、500 m曲線則只考慮加寬5、10 mm的情況。車輛曲線通過能力及內(nèi)外股鋼軌磨耗的仿真分析結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 軌距加寬對車輛曲線通過安全性影響

圖10 軌距加寬對鋼軌磨耗影響

由圖9和圖10的分析結(jié)果可知，軌距加寬對車輛曲線通過時的脫軌系數(shù)和導(dǎo)向力之和起到了改善作用，而輪重減載率變化不明顯。外股鋼軌的磨耗位置并未隨軌道加寬而改變，但磨耗量隨著軌道加寬而減??；內(nèi)股鋼軌的磨耗位置隨著軌距加寬而逐漸向內(nèi)側(cè)移動，當(dāng)軌距加寬到15 mm時磨耗量較其他工況下的磨耗量大。由于軌距加寬值過大將造成動車組車輛蛇行運動幅值的增加，從而影響車輛的運行穩(wěn)定性，因此綜合考慮，對于300、350 m曲線的軌距加寬應(yīng)不超過10 mm；對于400、500 m曲線的軌距加寬應(yīng)限制在5 mm以內(nèi)。

3.3 軌底坡

目前我國高速鐵路的軌底坡設(shè)置均為1/40，但在曲線地段，由于外股軌道的超高設(shè)置，導(dǎo)致1/40軌底坡情況下車輪與鋼軌表面的接觸是不完全的，導(dǎo)致較大的接觸應(yīng)力集中在外股軌道的軌距角附近，造成外股軌道嚴重側(cè)磨。針對軌底坡的變化進行分析，取軌底坡分別為1/12、1/20、1/30、1/40和1/50，觀察其對車輛曲線通過性能及鋼軌磨耗的影響，如圖11、圖12所示。

從圖11和圖12分析結(jié)果可以看出，軌底坡從1/50增加到1/20過程中，車輛通過曲線時的脫軌系數(shù)和導(dǎo)向力之和逐漸變小，但再繼續(xù)增加到1/12時發(fā)生了突變，輪重減載率的變化不明顯。隨著軌底坡的增大，鋼軌上的磨耗位置均向中心線外側(cè)移動，對于外股軌道，隨著軌底坡從1/50增大到1/20，磨耗量逐漸減小，但在增大到1/12時磨耗量增大；對于內(nèi)股軌道，磨耗量隨著軌底坡的增大而增加。

對軌底坡不對稱設(shè)置進行分析，內(nèi)股軌道依然采用1/40的軌底坡，只改變外股軌道的軌底坡。計算結(jié)果表明，外股軌道的磨耗特性與上述結(jié)果相同，內(nèi)軌磨耗特性也與上述內(nèi)軌1/40軌底坡的結(jié)果相同。采用不對稱軌底坡情況下(外側(cè)鋼軌1/20，內(nèi)側(cè)鋼軌1/40)的車輛曲線通過性能與對稱軌底坡情況下(內(nèi)外側(cè)均為1/40)的對比分析見圖13。從分析結(jié)果可以看出，在采用不對稱軌底坡設(shè)置后，車輛的曲線通過性能趨于優(yōu)化。因此，在小半徑曲線軌底坡的設(shè)置中，建議采用軌底坡不對稱設(shè)置，外股鋼軌采用1/20，內(nèi)股鋼軌采用1/40較為適宜。采用不對稱軌底坡情況下的內(nèi)外股鋼軌在不同半徑曲線下的磨耗分析，見圖14。

圖13 軌底坡不對稱設(shè)置下的車輛曲線通過安全性

圖14 軌底坡不對稱設(shè)置下的鋼軌磨耗

4 線路設(shè)置及鋼軌打磨對鋼軌磨耗的影響

為了驗證對曲線線路設(shè)置參數(shù)進行優(yōu)化后的鋼軌磨耗效果，針對300 m半徑曲線和350 m半徑曲線進行改造，其中，300 m半徑曲線軌距由原來的無加寬改造為加寬10 mm；350 m半徑曲線軌距由原來的無加寬改造為加寬5 mm，外軌側(cè)的軌底坡由1/40調(diào)整為1/20，同時在曲線段增設(shè)噴油裝置并添加一定的減磨劑。

通過對線路參數(shù)優(yōu)化改造后4個月的鋼軌磨耗情況進行總結(jié)，曲線外軌磨耗量見表2，同時與改造前的磨耗情況進行對比分析，結(jié)果見表3。

表2 改造4個月后曲線外側(cè)鋼軌磨耗

表3 改造前后曲線外側(cè)鋼軌磨耗對比

從以上分析結(jié)果可以看出，對于300 m半徑曲線和350 m半徑曲線經(jīng)過優(yōu)化改造的鋼軌在運行4個月后的外側(cè)鋼軌磨耗在磨耗量和磨耗面積上均有大幅度降低，且通過與改造前的曲線外側(cè)鋼軌磨耗對比，其磨耗量減小均超過50%，磨耗面積降低超過40%。由此可見，通過適當(dāng)?shù)能壘嗉訉?、調(diào)整外側(cè)鋼軌軌底坡以及減小摩擦系數(shù)可以較好地減小鋼軌的磨耗。

鋼軌在運營過程中除產(chǎn)生磨耗外，鋼軌表面依然會產(chǎn)生傷損，如軌頭擦傷等，同時如果任由外股鋼軌的側(cè)磨和內(nèi)股鋼軌的波磨持續(xù)發(fā)展下去將會嚴重縮短鋼軌的使用壽命。因此以350 m半徑曲線段鋼軌為目標進行了校正性打磨，并對運營一段時間后的鋼軌表面狀態(tài)再次進行測量，以觀測鋼軌打磨對小半徑曲線鋼軌磨耗及損傷的影響。打磨后運行3個月的鋼軌表面狀態(tài)見圖15。

圖15 打磨后鋼軌表面狀態(tài)

鋼軌打磨過程中，對外股鋼軌進行了肥邊的打磨，并對表面的細微裂紋進行了處理；對于內(nèi)股鋼軌主要進行了表面波磨處理。打磨后軌面的平順度大幅提升，有利于改善輪軌關(guān)系。從打磨后運行3個月后的鋼軌表面狀態(tài)可以看出，打磨后軌面光帶位置與打磨前基本相同，但在外股鋼軌可以明顯看出光帶較打磨前寬，并向鋼軌中央靠近；內(nèi)股鋼軌光帶與打磨前無明顯變化，但表面的波磨現(xiàn)象已經(jīng)得到解決。

5 結(jié)論

通過對小半徑曲線鋼軌進行實測分析，利用SIMPACK建立的高速動車組動力學(xué)模型以及編寫的輪軌磨耗程序?qū)囕v通過不同參數(shù)小半徑曲線的運行性能及鋼軌的磨耗進行分析，得出以下結(jié)論。

(1) 小半徑曲線鋼軌磨耗表現(xiàn)為外股鋼軌軌距角附近的側(cè)磨，內(nèi)股鋼軌表現(xiàn)為軌頂處垂磨及軌面波磨。

(2) 適當(dāng)減小外側(cè)車輪輪緣與外股鋼軌軌距角處的輪軌摩擦系數(shù)有利于緩解外股鋼軌的側(cè)磨；軌距的增大和速度的減小一定程度上能減小鋼軌磨耗；通過加大外股鋼軌的軌底坡，使輪軌接觸面更加飽滿，有利于降低外股鋼軌側(cè)磨。

(3) 通過對小半徑曲線鋼軌進行校正性打磨，使外股鋼軌輪軌接觸面更大，有利于減輕側(cè)磨，且內(nèi)股鋼軌波磨現(xiàn)象得到解決。但隨著時間增長，磨耗情況仍會繼續(xù)發(fā)展，因此如何確定打磨周期來延長鋼軌使用壽命，需要在今后的工作中進一步研究及完善。