鋼軌非對稱打磨對車輛運行性能影響

黃育斌，王文健，郭俊，劉啟躍

(西南交通大學摩擦學研究所，四川成都610031)

HUANG Yubin，WANG Wenjian，GUO Jun，LIU Qiyue

(Tribology Research Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

廣深線作為我國第一條準高速鐵路，自2000年4月以來，在半徑為1 600 m和1 400 m的高速區段和半徑1 000 m及以下的非高速區段的曲線區段的上股鋼軌都出現了斜線狀裂紋。裂紋主要在靠近內側軌肩的位置形成并迎行車方向呈45°角，形成后向鋼軌踏面中心擴展成橫向裂紋，最終造成鋼軌斷裂，所以線路上鋼軌出現表面傷損后及時進行整治十分必要。鋼軌打磨是鐵路部門對線路進行日常養護維修中應用十分廣泛的一種手段，常用鋼軌打磨方法有3種:修復性打磨、預防性打磨和曲線軌頭非對稱打磨［1－2］。軌頭非對稱打磨可以通過人為增大輪對兩側車輪滾動半徑差，建立合適的輪軌接觸相對位置，增強輪對自行轉向的能力，便于車輛的曲線通過，從而減小鋼軌側磨。從線路實際調查發現，在沒有側磨的曲線上股鋼軌斜裂紋發展更快更嚴重，而鋼軌側磨嚴重的線路區段，鋼軌斜裂紋現象反而輕微。這是因為鋼軌滾動接觸疲勞損傷與磨耗之間存在著競爭關系［3］。針對鋼軌斜裂紋的這種特殊情況，王文健提出了曲線軌頭非對稱打磨技術［4］。通過對鋼軌進行非對稱打磨，靜態分析表明輪軌接觸點會向鋼軌踏面中心移動并遠離內側軌肩，有利于預防斜裂紋的形成。利用多體動力學分析軟件SIMPACK建立“藍箭”號動車動力學分析模型，通過考慮軌道不平順等因素從動態角度研究鋼軌非對稱打磨前后的動力學行為，蠕滑行為和接觸斑行為。研究結果對指導現場預防和減輕斜裂紋現象的形成與發展具有重要的工程意義。

1 基于SIMPACK的“藍箭”動車組建模

“藍箭”號動車組是為了滿足廣深線運輸需求而專門開發研制的200 km/h速度等級的動車組，該車采用CW200轉向架。建模過程中，勻速行駛工況下可以忽略不同車廂之間的相互作用，故只取單節車廂進行計算分析。單節車廂模型由1個車體、2個轉向架和4個輪對組成。輪對和轉向架構架之間通過一系懸掛相連接，轉向架和車體之間通過二系懸掛相連接，并添加相關的減震單元。車體、構架和輪對都取6個自由度，分別為縱向、橫向、垂向、側滾、搖頭和點頭，其中，輪對的垂向和側滾運動都是非獨立的。

因車體、轉向架、輪對等零部件在運動過程相比于懸掛系統的彈性變形要小得多，建模中忽略其彈性變形，將其視為剛體;同時，由于鋼軌的彈性僅對高頻下的機車動力學影響較大，而本文施加的為低頻激擾，故不考慮鋼軌的彈性變形而只考慮其不平順影響，并考慮初始輪軌接觸幾何關系和輪軌蠕滑等非線性因素。在進行實時仿真的每個過程后，輪軌的接觸表面都會有一定的磨耗，這時不論接觸表面的變化是否很輕微還是比較明顯，都需要基于鋼軌磨耗對接觸表面重新進行計算，然后將其存儲在新的輸入數據庫中再從頭開始下一步的仿真，以使仿真得出的數據能盡可能的接近現場得出的數據［5］。由于只是在整個線路的曲線區段對鋼軌進行打磨，所以在SIMPACK建模中需要對鋼軌進行變截面處理。變截面的基本思想是首先根據實測數據建立不同的截面形狀的數據文件，在左右軌道中沿軌道方向相應的軌道長度處分別導入這些截面文件，而相鄰2個截面之間的部分采用離散和線性插值的方法得到［6］。

仿真計算工況:軌道由典型直線+緩和曲線+圓曲線+緩和曲線+直線組合而成，在圓曲線的外軌處導入打磨后的軌面型面數據文件;圓曲線為半徑800 m的右曲線;車輛速度為160 km/h。仿真計算使用的軌道激勵譜為德國高速低干擾譜。

2 結果與分析

2.1 打磨對輪軌接觸點分布位置影響

非對稱打磨通過改變鋼軌頂面的廓形影響輪軌接觸幾何關系，人為地使輪軌接觸點分布位置產生了變化。圖1為打磨前后內外軌上輪軌接觸點分布的變化。由于只在線路圓曲線部分對鋼軌進行打磨，因此過直線時接觸點分布無變化，只著重分析車輛通過圓曲線時的接觸點分布變化規律。外軌踏面上距鋼軌中心橫向約15～25 mm范圍為打磨區域，即內側軌肩位置。通過曲線時外軌的接觸點的分布幾乎落在內側軌肩處，因此容易在該處形成疲勞斜裂紋。曲線為未打磨時的接觸點動態分布曲線，虛線為打磨后的接觸點動態分布曲線，分析發現鋼軌非對稱打磨有使輪軌接觸點遠離內側軌肩，向鋼軌中心移動的趨勢，移動距離3 mm左右，從而降低了在原內側軌肩接觸處形成斜裂紋的概率。從圖1(b)可以看出，內軌上接觸點分布無明顯變化。

2.2 打磨對輪軌接觸應力影響

通過打磨對輪軌廓形進行優化是鐵路部門常用的減小輪軌接觸應力值的手段之一［7］。輪軌在運行中，在極小的接觸斑面積里要承受車輪的靜載荷以及輪軌系統整體振動引起的動載荷，使得輪軌間受到很大的應力作用，從而造成各種表面傷損。輪軌之間的接觸斑面積變大，會直接導致接觸應力的變低，傷損的發生和磨損率都會隨著輪軌之間最大接觸應力降低而降低［8－12］。

圖2和圖3為接觸斑面積和最大接觸應力的變化情況。打磨后由于外軌軌頂面接觸半徑的增大，輪軌接觸斑面積由60 mm2增加到80 mm2以上(圖2)，從而導致接觸斑處的最大接觸應力從2 800 MPa下降到2 400 MPa以下，下降幅度為15%左右(圖3)。輪軌接觸應力值的降低，對預防和減緩鋼軌斜裂紋的發生具有明顯的效果。此外，非對稱打磨對內軌的接觸斑面積和最大應力值無明顯影響。

圖1 打磨前后接觸點分布變化Fig.1 Change of distributing of contact point before and after rail grinding

圖2 打磨前后接觸面積變化Fig.2 Change of contact area before and after rail grinding

圖3 打磨前后最大Hertzian接觸應力變化Fig.3 Change of Hertzian contact stress before and after rail grinding

2.3 打磨對動力學行為影響

車輛的曲線動力學性能是對車輛進行動力學研究時十分重要的一個問題，在曲線階段時，動力學參數響應曲線的變化幅度和范圍都將變大。評價曲線通過性能一般有以下參數:輪軌減載率，磨耗指數和脫軌系數(圖4)。從圖中可以發現，鋼軌非對稱打磨基本不改變車輛動力學行為，其中輪重減載率的變化最小，磨耗指數和脫軌系數有十分微小的變化并伴隨一定的波動，但變化不明顯。

根據鋼軌滾動疲勞損傷與磨損之間的耦合作用關系，鋼軌非對稱打磨可以預防斜裂紋的形成，但同時會增加輪軌間的側磨。赫曼磨耗指數恰恰反映的是鋼軌側磨與摩擦系數、輪緣導向力和沖角這3個主要因素之間的關系。圖4中磨耗指數結果表明鋼軌非對稱打磨前后磨耗指數沒有明顯變化，其主要原因為仿真時使用的是打磨前后鋼軌與新輪進行匹配，而不是使用實測車輪型面，在通過曲線時增大了輪對兩側車輪滾動半徑差，從而使輪緣與鋼軌的導向力有所減小。另一個原因可能是赫曼磨耗指數本身存在著缺陷。赫曼磨耗指數無法很精確地考慮輪軌側向接觸點的具體位置，因而無法反映打磨前后不同的輪軌廓形導致的接觸點變化對磨耗的影響［13］。

2.4 打磨對蠕滑行為影響

由于存在黏著力和彈性變形，車輛在運行時會出現輪軌蠕滑。這種蠕滑現象會導致摩擦功(蠕滑功)的損失。所以可以通過評價蠕滑所帶來的能量損失來評估輪軌磨耗量。橫向和縱向蠕滑率大時，更容易導致輪緣磨耗和鋼軌側磨。另一方面，蠕滑影響輪軌法向力和縱向力的分布，而后兩者是裂紋萌生與擴展的重要因素［14］。

圖5 打磨前后車輛動力學指標變化Fig.5 Change of vehicle dynamics before and after rail grinding

圖5分別是打磨前后左右軌接觸斑處縱向蠕滑率，橫向蠕滑率和自旋蠕滑率的對比圖。從圖中能發現鋼軌非對稱打磨前后內外輪軌接觸斑處的縱向蠕滑率，橫向蠕滑率和自旋蠕滑率，除了個別時間點出現異常的波動之外，沒有明顯的改變。這個結果與郭俊等［15］利用非Hertzian滾動接觸理論得出的結果相一致，也分別從靜態和動態仿真2個方面同時驗證了這個結果。

圖5 打磨前后蠕滑行為變化Fig.5 Change of creep behavior before and after rail grinding

3 結論

1)鋼軌非對稱打磨使輪軌接觸關系發生了明顯變化，外軌接觸點有遠離內側軌肩向鋼軌中心移動的趨勢;內軌接觸點分布無明顯變化。

2)鋼軌非對稱打磨改變了鋼軌頂面廓形，明顯降低了外軌接觸斑處的最大接觸應力。

3)鋼軌非對稱打磨基本不改變車輛動力學性能和蠕滑行為;鋼軌非對稱打磨通過改變輪軌接觸點分布和降低接觸應力有利于預防鋼軌斜裂紋的形成。

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