張 斌, 汪龍洋, 楊宗超, 孫 奇, 萬文超, 湯金偉

(1.華東交通大學(xué) 軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測與保障國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330013;2.華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013;3.中鐵物總運(yùn)維科技有限公司,北京 100036;4.中國鐵路南昌局集團(tuán)有限公司,南昌 330002;5.中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 惠州工務(wù)段,廣東 惠州 516000)

鐵路運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅速,國內(nèi)主要鐵路干線逐漸呈現(xiàn)飽和運(yùn)營,輪軌間磨損問題也愈發(fā)嚴(yán)重。相較于直線線路,小半徑曲線段會產(chǎn)生較大的輪軌橫向力,加劇輪軌磨耗,更易出現(xiàn)波磨、疲勞裂紋等病害。因此,小半徑曲線段的鋼軌維護(hù)需求十分迫切。從工務(wù)部門角度出發(fā),鋼軌打磨是一種常用于改善輪軌磨損、延長鋼軌使用壽命的方法。傳統(tǒng)打磨方式往往只對鋼軌表面病害進(jìn)行清除,輪軌接觸關(guān)系難以有效改善,導(dǎo)致打磨過后一段周期內(nèi)病害反復(fù)出現(xiàn)[1]。

針對鋼軌打磨,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。許自強(qiáng)等[2]研究了小曲線輪緣異常磨耗問題,提出優(yōu)先對鋼軌打磨恢復(fù)鋼軌設(shè)計廓形以降低動車組輪緣磨耗速率;林鳳濤等[3]提出了以延長鋼軌使用壽命為目標(biāo)的曲線區(qū)段鋼軌打磨廓形設(shè)計方法;Fan等[4]通車體橫向振動加速度等4個動力學(xué)指標(biāo)驗(yàn)證了鋼軌打磨方法的合理性;Liu等[5]設(shè)計了新型鋼軌目標(biāo)廓形以延長鋼軌使用壽命;Zeng等[6]通過非對稱鋼軌打磨提高了列車曲線通過能力,減少了鋼軌側(cè)磨;Zhao等[7]通過鋼軌打磨減少了地鐵通過特定曲線時的車輛內(nèi)部噪聲;Micha?l等[8]研究了鋼軌周期性打磨與鋼軌滾動接觸疲勞之間的關(guān)系;李立等[9]探討了一種小半徑曲線鋼軌非對稱打磨廓形的優(yōu)化模型;吳磊等[10]提出了一種針對重載鐵路以最小打磨量為目標(biāo)的鋼軌廓形設(shè)計方法;楊逸航等[11]分析了病害打磨與個性化打磨兩種模式對列車動力學(xué)性能的影響;郭戰(zhàn)偉[12]研究了輪軌蠕滑最小化問題,以期改善輪軌關(guān)系達(dá)到延長鋼軌使用壽命的目的;王軍平等[13]分析了實(shí)際案例中不同線路個性化鋼軌廓形打磨方法;賈晉中等[14]設(shè)計了適用于小半徑曲線軌道新鋼軌預(yù)防性打磨的鋼軌目標(biāo)廓形;吳宵等[15]對鐵路鋼軌廓形磨耗發(fā)展規(guī)律及打磨周期進(jìn)行了專題研究。目前,鋼軌打磨廓形的設(shè)計方法單一,多數(shù)未考慮線路資料、通過車輛等情況,打磨效果的評價方法較少,打磨效果跟蹤觀測不足。本文選取兩條實(shí)際運(yùn)營線路作為研究對象,以改善輪軌關(guān)系、延長鋼軌打磨周期為目標(biāo),設(shè)計個性化鋼軌打磨方案,并對其進(jìn)行9個月的跟蹤觀測,通過對比探究個性化打磨的優(yōu)劣。

1 現(xiàn)場打磨及接觸分析

1.1 打磨方案

制定不同打磨方案進(jìn)行比選,選取兩條試驗(yàn)線路均為滬昆普速鐵路繁忙干線。曲線A半徑為500 m,年通過總質(zhì)量為75.506 Mt,采取個性化打磨方案;曲線B半徑為500 m,年通過總質(zhì)量為75.346 Mt,采取傳統(tǒng)修復(fù)性打磨方案。個性化鋼軌廓形打磨方案制定步驟主要包含鋼軌打磨廓形設(shè)計、鋼軌打磨模式設(shè)計與鋼軌打磨結(jié)果驗(yàn)收等。個性化打磨實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 個性化打磨實(shí)施流程Fig.1 Flow chart of personalized grinding

試驗(yàn)線路鋼軌廓形情況如圖2所示,試驗(yàn)線路曲線A軌道上股存在較為嚴(yán)重的側(cè)磨,內(nèi)側(cè)存在疲勞裂紋,光帶較寬;軌道下股軌頂存在嚴(yán)重的疲勞裂紋及掉塊現(xiàn)象。試驗(yàn)線路曲線B軌道上股存在側(cè)磨現(xiàn)象,軌距角掉塊較為嚴(yán)重;軌道下股軌頂出現(xiàn)連續(xù)的疲勞剝離掉塊。

圖2 試驗(yàn)線路鋼軌廓形情況Fig.2 Rail profile of test lines

試驗(yàn)線路曲線A鋼軌病害分析:曲線上股側(cè)磨較嚴(yán)重,主要是由輪軌間不良的輪軌接觸關(guān)系產(chǎn)生較大的橫、縱向蠕滑力導(dǎo)致;曲線下股存在明顯的塑性變形,導(dǎo)致鋼軌光帶較寬。因此,對于曲線A進(jìn)行個性化打磨需要從改善輪軌接觸關(guān)系和減小輪軌蠕滑方面進(jìn)

行考慮。作為對比方案,試驗(yàn)線路曲線B采用傳統(tǒng)修復(fù)性打磨方案,以清除鋼軌表面病害為目標(biāo)。

1.2 廓形采集及設(shè)計

對試驗(yàn)曲線進(jìn)行廓形采集,實(shí)測鋼軌廓形與打磨設(shè)計鋼軌廓形對比情況,如圖3所示,由圖3可知:曲線A上股左側(cè)非工作邊高于設(shè)計廓形約1.8 mm,曲線A上股右側(cè)工作邊與設(shè)計廓形較為吻合;曲線A下股整體廓形高于設(shè)計廓形約1.3 mm。曲線B上股左側(cè)非作用邊與設(shè)計廓形較為吻合,右側(cè)作用邊高于設(shè)計廓形0.5 mm;曲線B下股左側(cè)作用邊高于設(shè)計廓形約1.7 mm,右側(cè)非作用邊高于設(shè)計廓形約0.9 mm。

圖3 鋼軌打磨廓形設(shè)計Fig.3 Rail grinding profile design

打磨車打磨角度分布如圖4所示。見圖4可知,兩種打磨模式主要區(qū)別在于曲線上股,修復(fù)性打磨以清除鋼軌病害為目標(biāo),上股重點(diǎn)打磨病害區(qū)域(8°～45°),打磨量為0.5～0.8 mm;個性化打磨以目標(biāo)廓形打磨兼顧病害處理為目標(biāo),將小半徑曲線上股的側(cè)邊對齊時,軌距角弧度處基本貼合,非作用邊和軌頂區(qū)域較高,軌頂區(qū)域(-3°～4°)打磨量為0.8～1.6mm,作用邊病害打磨則采用全覆蓋模式進(jìn)行處理,按1～4遍進(jìn)行打磨,打磨量為0.15～0.60 mm;對小半徑曲線下股,重點(diǎn)打磨軌頂面區(qū)域,打磨量為0.4～1.0 mm,優(yōu)先打磨非作用邊和作用邊,并對軌頂面處進(jìn)行4次波磨打磨,解決波磨掉塊問題。

圖4 打磨角度分布Fig.4 Grinding angle distribution

1.3 鋼軌表面狀態(tài)變化

鋼軌表面狀態(tài)是判斷鋼軌打磨效果的重要指標(biāo),本文對兩條試驗(yàn)曲線進(jìn)行打磨效果跟蹤觀測。表1中照片拍攝角度均為從軌道中心線向上股或下股拍攝,即一個圖幅中,上半幅為鋼軌非工作邊、下半幅為鋼軌工作邊。由表1可知,曲線A打磨后,上股軌頂?shù)牡魤K及內(nèi)側(cè)的疲勞裂紋得到消除,非工作邊未接觸,接觸光帶向工作邊移動,下股軌頂?shù)魤K也基本得到了清理;打磨9個月后,上股和下股的軌面?zhèn)麚p發(fā)展均得到較好控制。曲線B打磨后,上股內(nèi)側(cè)掉塊基本得到了消除,下股輪軌接觸依然集中在軌頂區(qū)域,工作邊有少量接觸光帶,軌頂?shù)魤K情況已有大幅改善;打磨9個月后,上股軌距角處掉塊傷損逐漸顯現(xiàn)并發(fā)展,軌肩魚鱗傷損發(fā)展明顯,下股軌頂已產(chǎn)生明顯疲勞掉塊。從觀測結(jié)果推論,相較于修復(fù)性打磨,個性化打磨的廓形保持能力更佳,延長了鋼軌打磨周期。

表1 鋼軌表面狀態(tài)觀測Tab.1 Observation of rail surface condition

1.4 GQI指數(shù)變化

鋼軌GQI(grinding guality index)是評估鋼軌打磨廓形與設(shè)計廓形貼合度的重要指標(biāo)。GQI值>80則說明鋼軌打磨質(zhì)量合格,分?jǐn)?shù)越高則實(shí)測廓形與目標(biāo)廓形越接近。曲線A、曲線B的鋼軌GQI變化如圖5所示。

圖5 鋼軌GQI指數(shù)變化情況Fig.5 GQI index change of rail

曲線A通過鋼軌廓形個性化打磨后,曲線上股GQI提升至平均分約87分;曲線B通過鋼軌廓形修復(fù)性打磨后,曲線上股GQI也有明顯提升,但是,因?yàn)檐壘嘟俏恢脗麚p,軌肩較設(shè)計廓形低,GQI值未達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。打磨作業(yè)一段時間后,隨著通過總質(zhì)量的增加,GQI均有下降趨勢,其中,曲線B上股GQI降幅較為明顯,這與其廓形磨耗密切相關(guān)。

1.5 靜態(tài)接觸分析

將兩種打磨方案打磨前后鋼軌廓形與輪對進(jìn)行匹配,輪軌靜態(tài)接觸分布情況如圖6所示。由圖6可知:曲線A打磨前,上股軌距角側(cè)磨損較大,接觸點(diǎn)集中在軌頂區(qū)域,橫移8～10 mm接觸點(diǎn)跳躍較大,影響曲線通過時的平穩(wěn)性;下股接觸點(diǎn)集中在軌距角區(qū)域周圍,輪軌在該區(qū)域過渡時易出現(xiàn)兩點(diǎn)接觸,造成磨耗不均勻。曲線A打磨后,上股輪軌接觸分布更加均勻,接觸點(diǎn)跳躍現(xiàn)象消失,提高了車輛曲線通過能力。曲線B僅對鋼軌病害進(jìn)行打磨,輪軌接觸幾何特性未得到明顯改善。

圖6 輪軌靜態(tài)接觸分析Fig.6 Wheel-rail static contact analysis

2 動力學(xué)計算與分析

2.1 動力學(xué)模型建立

利用動力學(xué)軟件UM建立普速鐵路客車車輛模型,包括車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、懸掛系統(tǒng)、減振器和橫向止擋等部件,車輪采用LM磨耗型踏面。軌道模型選取小半徑曲線地段,鋼軌廓形通過導(dǎo)入打磨前、后實(shí)測數(shù)據(jù),對比分析兩種打磨方案對輪軌系統(tǒng)動力學(xué)的影響。

2.2 輪軌蠕滑特性

由于列車通過曲線段時兩輪存在滾動半徑差,這時輪軌之間出現(xiàn)輪軌蠕滑。輪軌間蠕滑現(xiàn)象使鋼軌受力狀態(tài)進(jìn)一步復(fù)雜化,是造成鋼軌側(cè)磨、疲勞傷損等病害的重要原因之一。列車通過曲線A、曲線B時輪軌蠕滑率時域變化對比情況如圖7、圖8所示。

圖7 曲線A蠕滑率時域變化圖Fig.7 Creep rate variation of curve A

圖8 曲線B蠕滑率時域變化圖Fig.8 Creep rate variation of curve B

由圖7、圖8可知,相較于鋼軌打磨前,采用個性化打磨的曲線A橫向、縱向蠕滑率分別降低60.45%,33.95%,改善效果顯著。其主要原因在于個性化打磨通過具體線路與車輪踏面匹配而設(shè)計打磨方案,優(yōu)化了曲線線路軌道上下股的目標(biāo)廓形,提高了輪對等效錐度,輪對導(dǎo)向力矩增大,從而減小了輪軌沖角,輪軌橫向蠕滑率降低。同時,輪對等效錐度的提高也減小了輪對在曲線上的橫向位移量,輪軌縱向蠕滑率降低。蠕滑率的降低延緩了輪緣磨耗與鋼軌側(cè)磨,延長了鋼軌使用壽命。曲線B采用傳統(tǒng)修復(fù)性打磨,橫向、縱向蠕滑率分別降低3.58%,2.18%,改善效果不明顯。

2.3 輪軌磨耗特性

小半徑曲線段是輪軌磨耗發(fā)生的重災(zāi)區(qū),尤其在蠕滑率較高地段,輪軌磨耗發(fā)展迅速。針對輪軌磨耗,學(xué)術(shù)界有許多評定標(biāo)準(zhǔn),本文采用愛因斯(Elkins)磨耗指數(shù)進(jìn)行評價。列車通過曲線A、曲線B時磨耗指數(shù)時域變化對比情況如圖9所示。

圖9 磨耗指數(shù)對比圖Fig.9 Comparison of wear index

由圖9可知,相較于鋼軌打磨前,采用個性化打磨的曲線A磨耗指數(shù)降低24.13%,改善效果顯著。個性化打磨使得輪軌接觸關(guān)系得到實(shí)質(zhì)性改善,輪軌接觸分布更加均勻,有效減小了由輪軌間應(yīng)力集中產(chǎn)生的不良后果,延長了鋼軌使用壽命與打磨周期。曲線B采用傳統(tǒng)修復(fù)性打磨,磨耗指數(shù)降低4.85%,由于修復(fù)性打磨未對輪軌接觸關(guān)系有明顯改善作用,故其輪軌間磨耗問題也并未得到根本性解決。

2.4 列車運(yùn)行平穩(wěn)性

加速度是衡量列車運(yùn)行平穩(wěn)性及振動特性的重要指標(biāo),車輛通過曲線時的振動水平也直接影響旅客的舒適度。列車通過曲線A、曲線B時加速度時域變化對比情況,如圖10、圖11所示。

圖10 曲線A車體加速度時域變化圖Fig.10 Vehicle acceleration variation of curve A

圖11 曲線B車體加速度時域變化圖Fig.11 Vehicle acceleration variation of curve B

由圖10、圖11可知,相較于鋼軌打磨前,采用個性化打磨的曲線A車體橫向加速度、垂向加速度分別降低19.69%,30.74%。個性化打磨使得列車通過曲線時接觸點(diǎn)跳躍現(xiàn)象消失,列車運(yùn)行平穩(wěn)性得到良好改善。曲線B采用傳統(tǒng)修復(fù)性打磨,車體橫向加速度、垂向加速度分別降低2.17%,2.86%,未起到提高車輛曲線通過能力的作用。

2.5 列車運(yùn)行安全性

相較于直線線路,小半徑曲線段列車的脫軌風(fēng)險有所增加,脫軌系數(shù)是衡量列車運(yùn)行安全性的重要指標(biāo)。列車通過曲線A、曲線B時脫軌系數(shù)時域變化對比情況如圖12所示。

圖12 脫軌系數(shù)對比Fig.12 Comparison of derailment coefficient

由圖12可知,相較于鋼軌打磨前,采用個性化打磨的曲線A脫軌系數(shù)降低26.11%,個性化打磨方案消除了曲線上股的塑性變形,提高了列車運(yùn)行安全性。曲線B采用傳統(tǒng)修復(fù)性打磨方案,脫軌系數(shù)僅降低4.61%,未起到增強(qiáng)車輛曲線通過安全性的作用。

3 結(jié) 論

選取小半徑曲線段磨耗鋼軌進(jìn)行打磨方案比選,跟蹤觀測鋼軌表面狀態(tài),建立車輛-軌道動力學(xué)模型分析打磨方案對輪軌動力特性的影響,綜合評價打磨效果。主要得到以下結(jié)論:

(1) 個性化打磨與修復(fù)性打磨均可以對鋼軌表面病害進(jìn)行清除,個性化鋼軌打磨明顯改善曲線上下股輪軌接觸區(qū)域分布,使得輪軌接觸分布更為均勻,對輪軌蠕滑特性、輪軌磨耗特性、列車運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性指標(biāo)改善均優(yōu)于修復(fù)性打磨。

(2) 個性化打磨實(shí)施后,曲線上股鋼軌GQI明顯提升;打磨9個月后,修復(fù)性打磨的鋼軌軌面已出現(xiàn)明顯傷損,個性化打磨則對鋼軌軌面?zhèn)麚p發(fā)展起到較好的控制作用。

(3) 與傳統(tǒng)修復(fù)性打磨方案相比,個性化打磨方案綜合考慮線路實(shí)際運(yùn)行情況與鋼軌磨耗狀態(tài),消除病害的同時提高列車運(yùn)行品質(zhì),延長鋼軌服役時間,對小半徑曲線段鋼軌現(xiàn)場打磨作業(yè)具有重要指導(dǎo)意義。