李 偉

（深圳地鐵運營集團有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著我國鐵路向高速、重載方向發(fā)展，輪軌不可避免地會產生嚴重的磨耗問題，直接惡化輪軌關系，影響車輛運行安全性、平穩(wěn)性及舒適性，甚至會造成嚴重的行車安全事故[1]。

目前主要通過鋼軌打磨手段調整鋼軌廓形，消除鋼軌表面病害以改善輪軌關系，延緩輪軌磨耗，進而延長鋼軌服役壽命[2]。楊宗超等人通過仿真計算研究了鋼軌廓形打磨對車輛通過小曲率半徑線路的動力學影響[3]；李貴宇等人研究了不同打磨模式對高速動車組運行性能的影響，提出一個鋼軌打磨限值廓形[4]；王軍平等人基于輪軌接觸特性提出多指標鋼軌廓形打磨優(yōu)化設計方法，改善了軌面疲勞損傷與波磨[5]；李立等人基于車輛系統(tǒng)動力學指標提出一種針對小半徑曲線非對稱打磨廓形的設計方法，改善了列車小半徑曲線動力學性能[6]。

本文以道岔鋼軌為研究對象，建立了車輛系統(tǒng)動力學模型，通過數(shù)值仿真分析打磨效果對輪軌動力學的影響。

1 鋼軌打磨實施

圖1所示為湖航高鐵下行線道岔鋼軌打磨前后鋼軌表面，采用北京同和時代MS-10C實施鋼軌打磨，實際打磨速度為1.2 km/h，打磨功率70%，打磨后鋼軌打磨質量采用鋼軌打磨質量指數(shù)（Grinding Quality Index，GQI）評價，其具體計算公式為：

圖1 鋼軌打磨前后表面情況

式中：K1、K2為權重系數(shù)；GD為鋼軌廓形法向偏差指數(shù)；GA為面值偏差指數(shù)。

圖2給出了鋼軌打磨前后幾何廓形圖，可以看出實施打磨后的鋼軌幾何廓形較打磨前更加平滑，消除了幾何凸起及尖角等問題，采用公式（1）計算出的質量指數(shù)為93.1，打磨質量良好。

圖2 鋼軌打磨前后幾何廓形

2 輪軌動力學響應分析

根據(jù)車輛系統(tǒng)參數(shù)采用Simpack構建車輛系統(tǒng)動力學模型，具體如圖3所示。所建模型由1個車體和2個轉向架組成，轉向架由1個構架、2個輪對、4個軸箱組成，其中輪對與構架通過一系懸掛連接，轉向架與車體通過二系懸掛連接。

圖3 車輛系統(tǒng)動力學模型

2.1 輪軌幾何接觸分析

為研究道岔鋼軌打磨前后輪軌幾何接觸關系，取軌距1 435 mm，軌底坡1/40，采用跡線法計算了鋼軌打磨前后輪對左右橫移12 mm范圍內接觸點分布，其幾何接觸關系如圖4所示?？梢钥闯龃蚰ズ筝嗆壗佑|點分布寬度較鋼軌打磨前的輪軌接觸點分布更加均勻，輪軌發(fā)生磨耗的范圍更寬，減少了輪軌觸應力集中等問題，降低了輪軌滾動接觸疲勞失效概率。

圖4 鋼軌打磨前后輪軌接觸點分布

2.2 車輪橫向力

合理的輪軌接觸橫向力可以引導車輪轉向，便于車輛通過小半徑曲線。但過大的橫向力將引起輪軌劇烈磨損，加劇輪軌疲勞，甚至會引發(fā)車輛脫軌，因此必須合理控制輪軌橫向力。圖5比較了鋼軌打磨前后輪軌橫向力，打磨后輪軌橫向力較打磨前明顯下降，打磨前輪軌橫向力最大值達到28.9 kN，而打磨后輪軌橫向力最大值為24 kN，輪軌橫向力下降了16.95%。

圖5 鋼軌打磨前后車輪橫向力

2.3 輪軌磨耗指數(shù)

輪軌磨耗指數(shù)用于衡量輪軌服役過程中的輪軌磨耗程度，輪軌磨耗指數(shù)越大，則輪軌磨耗越嚴重，反之輪軌磨耗程度越小，其計算方法如式（2）所示：

式中：FX、ζ、FY、ξ分別為縱向蠕滑力、縱向蠕滑距離、橫向蠕滑力及橫向蠕滑距離。

圖6比較了鋼軌打磨前后輪軌磨耗指數(shù)，可以看出車輛運行在鋼軌打磨前線路中的輪軌磨耗指數(shù)較高，而打磨后輪軌磨耗指數(shù)較低，較打磨前平均降低了11.61%。

圖6 鋼軌打磨前后輪軌磨耗指數(shù)

2.4 脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)是衡量軌道車輛運行安全性的重要指標之一，其值由輪軌橫向力與垂向力的比值所確定。圖7所示為鋼軌打磨前后脫軌系數(shù)圖，可以看出打磨后的脫軌系數(shù)較打磨前小，打磨前脫軌系數(shù)最大值為0.43，打磨后脫軌系數(shù)最大值為0.39，脫軌系數(shù)降低了10.26%。根據(jù)《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》（GB 5599—85），打磨后脫軌系數(shù)符合安全裕度標準。

圖7 鋼軌打磨前后脫軌系數(shù)

3 結論

本文通過建立車輛系統(tǒng)動力學模型，研究了鋼軌打磨對車輛系統(tǒng)動力學的影響，主要結論如下：

（1）車輛通過打磨后的道岔鋼軌線路時，輪軌橫向力減小，較打磨前平均下降了16.95%，脫軌系數(shù)較打磨前下降了10.26%，提升了車輛道岔通過性能。

（2）道岔鋼軌線路打磨后，輪軌磨耗指數(shù)下降，平均下降了11.61%，延緩了輪軌接觸磨耗，延長了輪軌服役壽命。