王敬

國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司， 河北 肅寧 062350

朔黃鐵路作為中國(guó)西煤東運(yùn)的重要能源動(dòng)脈，2020—2022 年連續(xù)三年實(shí)現(xiàn)年運(yùn)量突破3 億t。較大的通過(guò)總質(zhì)量導(dǎo)致曲線(xiàn)鋼軌磨耗、鋼軌表面病害快速發(fā)展，嚴(yán)重影響行車(chē)安全。重載鐵路小半徑曲線(xiàn)區(qū)段鋼軌病害快速發(fā)展的問(wèn)題受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的廣泛關(guān)注，并進(jìn)行了大量研究。加拿大國(guó)鐵由于重載鋼軌嚴(yán)重磨耗，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生脫軌事故［1］。美國(guó)重載列車(chē)因車(chē)輪嚴(yán)重凹磨，車(chē)輪與鋼軌的沖擊振動(dòng)增大，影響列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性［2］。重載列車(chē)輪軌作用力大，易使鋼軌病害快速發(fā)展，不僅增大了線(xiàn)路維護(hù)工作量，對(duì)治理、抑制病害發(fā)展，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的研究也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。Telliskivi 等［3］研究了磨耗狀態(tài)下輪軌接觸問(wèn)題。王開(kāi)云等［4］對(duì)小半徑曲線(xiàn)線(xiàn)路輪軌動(dòng)態(tài)相互作用問(wèn)題進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)際磨耗后的輪軌型面更易加劇鋼軌側(cè)磨，降低鋼軌使用壽命。崔大賓等［5］研究提出一種重載鐵路上輪軌接觸應(yīng)力水平較小的鋼軌打磨目標(biāo)廓形，有助于延長(zhǎng)鋼軌使用壽命。郭戰(zhàn)偉［6］提出通過(guò)鋼軌打磨消除或減弱輪軌蠕滑，以延長(zhǎng)鋼軌使用壽命。2013 年以來(lái)，中國(guó)鐵路系統(tǒng)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)線(xiàn)路和車(chē)輛的實(shí)際情況提出了個(gè)性化鋼軌廓形設(shè)計(jì)打磨方法［7］，通過(guò)實(shí)施鋼軌打磨去除鋼軌疲勞損傷，改善輪軌關(guān)系，減小輪軌蠕滑，減小接觸應(yīng)力，以控制鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞發(fā)展，降低鋼軌磨耗速率，達(dá)到延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的目的［8-9］。

目前對(duì)于重載鐵路鋼軌打磨周期尚無(wú)有效數(shù)據(jù)支持的研究。根據(jù)朔黃鐵路小半徑曲線(xiàn)線(xiàn)路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，打磨后鋼軌表面疲勞病害得以有效去除，鋼軌磨耗明顯減緩，但一段時(shí)間后鋼軌病害再次出現(xiàn)且快速發(fā)展。本文通過(guò)分析鋼軌廓形、磨耗、軌面病害發(fā)展情況及車(chē)輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)變化，研究朔黃重載鐵路半徑400 m曲線(xiàn)線(xiàn)路鋼軌打磨周期。

1 鋼軌廓形變化及磨耗發(fā)展

采用GMC-48K 型打磨車(chē)對(duì)朔黃重載鐵路半徑400 m 曲線(xiàn)線(xiàn)路進(jìn)行2 次修理性打磨，每次打磨10 遍，每遍打磨量為0.1 mm。采集了打磨前后的鋼軌廓形，根據(jù)測(cè)量時(shí)間依次編號(hào)1#—9#，見(jiàn)圖1。第一次測(cè)量時(shí)的通過(guò)總質(zhì)量記為0，各廓形的測(cè)量時(shí)間及測(cè)量時(shí)的車(chē)通過(guò)總質(zhì)量見(jiàn)表1。

表1 列車(chē)通過(guò)總質(zhì)量與鋼軌廓形編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1 打磨前后鋼軌廓形變化

鋼軌磨耗變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。以上股鋼軌側(cè)面磨耗為例進(jìn)行分析。可知：①第一次打磨前磨耗速率為0.077 mm/Mt；第一次打磨后，通過(guò)總質(zhì)量M= 50 ～ 85 Mt（2#廓形到3#廓形）期間為0.024 mm/Mt，較打磨前降低了68.8%；M= 85 ～ 115 Mt（3#廓形到5#廓形）期間為0.138 mm/Mt，為打磨前的1.79倍。②M= 115 ～ 137 Mt（5#廓形到6#廓形）期間磨耗速率為0.116 mm/Mt；第二次打磨后，M= 137 ～ 150 Mt（6#廓形到7#廓形）期間為0.045 mm/Mt，較打磨前降低了61.2%；M= 180 ～200 Mt（8#廓形到9#廓形）期間為0.091 mm/Mt，約為打磨前的78.4%。

圖2 鋼軌磨耗變化曲線(xiàn)

2 鋼軌表面疲勞損傷發(fā)展

打磨前后半徑400 m 曲線(xiàn)線(xiàn)路上下股鋼軌表面狀態(tài)見(jiàn)圖3。可知：第二次打磨前，5#廓形表面存在嚴(yán)重的魚(yú)鱗紋、掉塊病害，軌面掉塊深度約0.6 mm；打磨后，6#廓形鋼軌表面掉塊病害完全去除（M= 137 Mt）；M= 180 Mt 時(shí)，8#廓形上下股鋼軌表面存在嚴(yán)重魚(yú)鱗紋，下股開(kāi)始出現(xiàn)掉塊；M= 200 Mt 時(shí)，9#廓形上股存在嚴(yán)重魚(yú)鱗紋，下股嚴(yán)重掉塊，深度約0.8 mm?？梢?jiàn)，打磨可有效去除鋼軌表面疲勞掉塊，打磨后通過(guò)總質(zhì)量累計(jì)約60 Mt時(shí)鋼軌表面再出現(xiàn)嚴(yán)重疲勞病害。

圖3 打磨前后鋼軌表面狀態(tài)

3 輪軌接觸幾何關(guān)系

對(duì)比打磨前后輪軌接觸幾何關(guān)系，見(jiàn)圖4。可知：打磨前下股輪軌接觸點(diǎn)集中在軌距角處，接觸帶寬為0.5 mm；打磨后輪軌接觸關(guān)系得到優(yōu)化，下股輪軌接觸點(diǎn)靠近鋼軌中心，接觸帶寬增至1.9 mm；打磨后1.3 個(gè)月時(shí)，鋼軌廓形在磨耗和軌材塑性流動(dòng)作用下發(fā)生變化，輪軌關(guān)系惡化，下股輪軌接觸點(diǎn)集中在軌距角處，接觸帶寬變窄，為1.3 mm；打磨后2 個(gè)月時(shí)接觸帶寬變化為0.8 mm，與打磨前接近。

圖4 打磨前后輪軌接觸幾何關(guān)系

4 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能

4.1 建立動(dòng)力學(xué)模型

為分析鋼軌磨耗演化對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響，在多體動(dòng)力學(xué)軟件中建立該重載鐵路實(shí)參數(shù)軌道-車(chē)輛多體動(dòng)力學(xué)模型，模型中轉(zhuǎn)向架主要部件包括輪對(duì)、側(cè)架、軸箱、搖枕等［10］。研究對(duì)象為半徑400 m 曲線(xiàn)，全長(zhǎng)300 m，緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)90 m，超高80 mm；車(chē)輛通過(guò)速度為60 km/h；軌道激勵(lì)采用該線(xiàn)實(shí)測(cè)軌道不平順。車(chē)輪踏面為實(shí)測(cè)車(chē)輪踏面。運(yùn)動(dòng)學(xué)拓?fù)潢P(guān)系和動(dòng)力學(xué)模型見(jiàn)圖5。

圖5 C80貨車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)拓?fù)潢P(guān)系及動(dòng)力學(xué)模型

4.2 鋼軌廓形對(duì)輪軌力的影響

第一次打磨前后輪軌橫向力見(jiàn)圖6，1#—9#廓形下輪軌橫向力均方根值變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7?？芍捍蚰ズ笄€(xiàn)上下股輪軌橫向力明顯減??；2#廓形上股、下股輪軌橫向力較1#廓形分別降低33.8%和27.3%；5#廓形上股、下股輪軌橫向力分別為1#廓形上下股輪軌橫向力的88.2%和97.6%，6#廓形上股、下股輪軌橫向力較5#廓形分別降低27.4%和21.2%；M= 190 Mt 時(shí)輪軌橫向力恢復(fù)到打磨前，輪軌橫向力從打磨后到恢復(fù)到打磨前水平，通過(guò)總質(zhì)量累計(jì)約60 Mt。

圖6 第一次打磨前后輪軌橫向力

圖7 1#—9#廓形下輪軌橫向力均方根值變化曲線(xiàn)

4.3 鋼軌廓形對(duì)磨耗指數(shù)的影響

輪軌磨耗指數(shù)是評(píng)定輪軌關(guān)系的一個(gè)重要指標(biāo)，磨耗指數(shù)越小輪軌間越不易發(fā)生磨耗，越有助于延長(zhǎng)鋼軌使用壽命［11］。其中，小半徑曲線(xiàn)上股側(cè)面磨耗是決定鋼軌使用壽命的重要因素。

打磨前后上股側(cè)面磨耗指數(shù)變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖8?？芍簝纱未蚰ズ笊瞎射撥墏?cè)面磨耗指數(shù)分別為0.39、0.37 kN，較打磨前分別下降了54.1%和54.8%；M=115、200 Mt 時(shí)磨耗指數(shù)分別為0.81、0.82 kN，與打磨前接近。可見(jiàn)，打磨后通過(guò)總質(zhì)量累計(jì)約60 Mt 時(shí)上股磨耗指數(shù)恢復(fù)到打磨前。

圖8 打磨前后上股側(cè)面磨耗指數(shù)變化曲線(xiàn)

4.4 鋼軌廓形對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響

掉塊是曲線(xiàn)下股鋼軌表面的主要病害，輪軌接觸應(yīng)力是導(dǎo)致鋼軌表面出現(xiàn)魚(yú)鱗紋、掉塊等疲勞損傷的重要因素。因此，對(duì)曲線(xiàn)下股的輪軌接觸應(yīng)力進(jìn)行分析。

打磨前后曲線(xiàn)下股輪軌接觸應(yīng)力變化見(jiàn)圖9?？芍捍蚰ズ?，因輪軌關(guān)系改善，曲線(xiàn)下股輪軌接觸點(diǎn)集中問(wèn)題得到緩解，輪軌接觸應(yīng)力降低，第一次打磨后輪軌接觸應(yīng)力降低了37.6%，第二次打磨后降低了50.2%；打磨后隨著通過(guò)總質(zhì)量增加，輪軌關(guān)系逐步惡化，輪軌接觸應(yīng)力增大，通過(guò)總質(zhì)量累計(jì)約60 Mt時(shí)恢復(fù)到打磨前。

圖9 打磨前后曲線(xiàn)下股輪軌接觸應(yīng)力變化曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)朔黃重載鐵路半徑400 m 曲線(xiàn)線(xiàn)路的鋼軌磨耗變化、鋼軌表面病害發(fā)展程度及車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的分析，可知打磨后累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量約60 Mt 時(shí)鋼軌磨耗、鋼軌表面病害和車(chē)輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)重新接近打磨前。為延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，建議朔黃重載鐵路半徑400 m 曲線(xiàn)線(xiàn)路打磨周期設(shè)置為60 Mt，即通過(guò)總質(zhì)量每累計(jì)60 Mt打磨一次。