重載鐵路小半徑曲線鋼軌磨耗規律及減磨措施

王 志 軍

(朔黃鐵路發展有限責任公司肅寧分公司，河北 肅寧 062350)

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重載鐵路小半徑曲線鋼軌磨耗規律及減磨措施

王 志 軍

(朔黃鐵路發展有限責任公司肅寧分公司，河北 肅寧 062350)

采用多體動力學仿真軟件，分析了不同軸重貨車在不同半徑下對各動力學指標的影響差異，重點研究了在幾種小半徑曲線條件下，超高對鋼軌磨耗的影響規律及相應的減磨措施，結果表明：軸重大的貨車對鐵路曲線線路會產生更大的鋼軌磨耗，并且對曲線線路參數設置的要求更高。

重載鐵路，鋼軌磨耗，曲線線路，動力學仿真，軸重

隨著全球經濟的迅速發展，各國地區間貿易活動的日益增加，貨物運輸能力的提升已經變得尤為重要。相比其他運輸方式，重載鐵路運輸以運量大、成本低的特點在世界各地迅速發展起來。我國從25 t軸重的貨車在大秦線投入運營以來，一直對重載鐵路運輸相關設備不斷研究，在2013年8月16日，中國北車齊齊哈爾軌道交通裝備公司向澳大利亞公司交付了當今世界上軸重最大、載重最高的鐵路貨車(40 t軸重不銹鋼礦石車)。遺憾的是，雖然世界最大軸重的鐵路貨車已由國內研制生產，但受中國既有重載鐵路線路的制約，40 t軸重貨車無法投入使用。朔黃鐵路已經進行了30 t軸重的C96型貨車試驗研究。在大力發展重載鐵路的同時，隨著列車軸重的增大、車輛編組的加長和行車速度的提升，車輪和鋼軌破壞的現象時常發生，然而絕大多數的輪軌磨耗都發生在線路的曲線段。因此在滿足大軸重貨車通過曲線平穩性和安全性的要求同時，有效的控制鋼軌磨耗也必然是曲線參數設置的一個重要把握因素。

鋼軌磨耗分為垂直磨耗、側面磨耗和波浪型磨耗，垂直磨耗在直線段和曲線段上都普遍存在，側磨和波磨多發生在曲線段線路上[1]。由于曲線段上的磨耗較為突出，所以國內眾多學者大多在磨耗較嚴重的曲線段線路上，采用相關方法，從側磨方面出發，研究了相應減磨措施。例如通過對某段線路波磨情況的調查，總結了相關波磨規律，并提出減少鋼軌接頭、增強軌道彈性、減少軌道不平順、打磨和交換鋼軌均可有效降低磨耗[2]；通過對現場磨耗地段的實際測量，分析了運量和曲線半徑等因素與鋼軌磨耗的關系，闡述了鋼軌涂油、提高軌道圓順性和調整大修換軌周期等減磨措施[3]；通過對鋼軌側面磨耗成因的分析，從機車車輛、線路幾何參數和輪軌潤滑等方面提出了減磨措施[4]；結合鋼軌波磨成因理論，從線路結構、走行結構和運營等方面，提出提高鋼軌材質強度、增大輪對軸剛度、增大一系懸掛阻尼和控制涂油潤滑等減磨方法[5]；通過分析重車線鋼軌磨耗的原因，提出正確測設曲線位置和增設防止磨耗護輪軌等方法控制曲線鋼軌的不正常磨耗[6]；通過磨損機理和曲線段試驗數據相結合，分析鋼軌側磨原因，提出養護維修保證良好軌道狀態和合理設置軌道參數等減磨方法[7]；通過對重載鐵路線路鋼軌磨耗的實際情況，結合鋼軌磨耗成因提出鋼軌和車輪的材料優化、合理周期打磨鋼軌和車輪保持共形型面、轉向架結構優化以及加強線路地面觀測等控制磨耗的方法[8]；將現狀調查和抗磨損試驗相結合，通過對試驗段的結果分析，提出合理噴脂減磨方法[9]；運用SIMPACK等仿真軟件，對車輛速度、曲線半徑、超高、軌底坡以及鋼軌摩擦系數等影響因素進行仿真計算和分析，提出通過優化相應參數從而降低磨耗的方法[10，11]。本文從減緩重載鐵路曲線線路鋼軌磨耗的角度出發，首先將25 t軸重貨車和30 t軸重貨車在不同的曲線半徑條件下進行仿真對比，分析不同軸重貨車對脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力以及磨耗功率等動力學指標的影響差異。近幾年隨著仿真分析方法的不斷發展和普及，大多學者[10,11]多從線路設計和養護維修的角度出發，主要研究了曲線段的線路參數和軌道參數對鋼軌磨耗的影響，并總結出了相應的減磨措施。因此本文將30 t軸重貨車模型在500 m，600 m，700 m和800 m這幾種小半徑曲線進行仿真對比分析，較全面地總結出相應半徑下降低曲線鋼軌磨耗的具體參數設置方法。

1 重載鐵路車輛——軌道動力學仿真模型

本文采用多體動力學仿真分析軟件建立25 t軸重貨車車輛和30 t軸重貨車車輛模型，其模型結構圖如圖1所示，具體參數參考相關文獻。本文車輛車輪踏面選用中國標準LM磨耗型，鋼軌型面選取重載鐵路的75 kg/m標準斷面軌。

2 輪軌磨耗評定方法

為研究各種參數設置對曲線上鋼軌磨耗程度的影響，就需要有一種合理的輪軌磨耗評定方法。在對線路進行仿真時，統一的速度條件下，均使用磨耗功率作為輪軌磨耗評定指標。輪軌橫向力是車輪輪緣與鋼軌相互作用而產生的橫向力，當列車通過曲線產生過大的輪軌橫向力會對鋼軌側面造成嚴重的磨耗，可能使車輪爬越鋼軌造成脫軌事故。在評價鋼軌磨耗之前，脫軌系數和輪重減載率指標均不能超過規定限值(脫軌系數小于1，輪重減載率小于0.6)。因此把以上指標作為評價磨耗的輔助指標，即在滿足行車安全性的條件下研究各種參數設置對曲線磨耗的影響。

3 不同軸重貨車下曲線半徑對鋼軌磨耗的影響分析

在相同的速度v取70 km/h，均衡超高下，線路設計參數見表1。

在表1的參數條件下進行仿真，將仿真得到的各指標數據繪制出其對應的變化規律曲線，如圖2所示。

從仿真得到的圖表可以發現，25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的各項動力學指標均呈下降趨勢。當半徑從400 m增至800 m時，25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的脫軌系數分別降低了41%和37%；25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的輪重減載率分別降低了43%和47%；25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的輪軌橫向力分別降低了42%和37%；25 t軸重車輛和30 t軸重車輛的磨耗功率分別降低了70%和69%。25 t軸重車輛的大部分指標的下降幅度大于30 t軸重車輛當半徑增至800 m之后，各項指標仍在下降，但較800 m之前的下降幅度較小。

表1 不同曲線半徑對應的線路參數

通過上述分析可知，25 t軸重車輛和30 t軸重車輛通過曲線時，隨著半徑的減小，對鋼軌的磨耗越來越大，行車安全性也相應降低，尤其是當半徑小于800 m時，對鋼軌的磨耗影響較為顯著。同時發現，在同等半徑下，30 t軸重車輛的磨耗功率均大于25 t軸重車輛的磨耗功率，這說明軸重大的車輛對鐵路曲線會產生更大的鋼軌磨耗；半徑在400 m～800 m范圍內變化時，30 t軸重車輛比25 t軸重車輛各動力學指標的下降幅度要小，這說明軸重大的車輛在磨耗方面對曲線半徑的敏感程度更強，即在大軸重車輛線路的設計階段應該考慮設置更大的最小曲線半徑。

4 重載鐵路曲線超高對鋼軌磨耗的影響分析

針對30 t軸重貨車，在相同的速度v取70 km/h下，圓曲線長度s取350 m，曲線前直線段長度p取50 m，緩和曲線長度l取80 m，半徑R分別取500 m，600 m，700 m，800 m，分別在不同的超高下進行仿真，把仿真得到的各指標數據繪制出其對應的變化規律曲線，如圖3～圖6所示。

從圖3和圖5可以發現，在不同半徑下，脫軌系數和輪軌橫向力隨超高的增加都呈現較為明顯的減小趨勢；圖4表明在不同半徑下，輪重減載率隨超高的增加都有增大的趨勢，尤其是超高設置值大于均衡超高時，增加幅度較為明顯；從圖6可以發現，磨耗功率隨超高的變大有一定的增加趨勢。

通過以上分析知道設置一定的欠超高可以減緩曲線鋼軌磨耗，但欠超高的設置值不能過大，否則脫軌系數和輪軌橫向力會急劇上升影響行車安全。因此當車體通過曲線時，設置一定的欠超高可降低鋼軌磨耗，所以針對不同線路欠超高大小數值的把握也是在各個參數設置中極其重要的一點。

從圖6也可以發現，設置一定過超高也能減少曲線上的鋼軌磨耗，但相比而言，欠超高的效果更加明顯，因為過大的過超高反而會增大曲線磨耗，并且輪重減載率急劇上升，降低車體通過曲線的性能。

5 結語

1)在多種重載鐵路曲線線路參數條件一致的情況下，30 t軸重貨車車輛所產生的磨耗功率均大于25 t軸重貨車車輛，因此說明軸重大的貨車車輛對鐵路曲線會產生更大的鋼軌磨耗。

2)半徑在400 m～800 m范圍內變化時，30 t軸重車輛比25 t軸重車輛各動力學指標的下降幅度要小，這說明軸重大的車輛在磨耗方面對曲線半徑的敏感程度更強，即在鐵路線路設計階段，軸重大的車輛對曲線線路參數設置的要求更高。

3)當25 t軸重和30 t軸重貨車車輛通過不同半徑的曲線時，半徑越小，對曲線鋼軌造成的磨耗越大，行車安全性也相應降低，尤其當半徑小于800 m時，對鋼軌的磨耗影響較為顯著。

4)曲線上設置一定的欠超高有利于提升行車平穩性和減緩曲線鋼軌磨耗，但是過大的欠超高會使輪軌橫向力急劇增加，帶來相反的作用；曲線上設置一定的過超高也會減緩曲線鋼軌磨耗，但效果不如欠超高明顯。

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Small radius curve rail abrasion law and abrasion reducing measures of heavy-load railway

Wang Zhijun

(SuningBranchCompany,Shuo-HuangRailwayDevelopmentCo.,Ltd,Suning062350,China)

Applying multi-body dynamics simulation software, the paper analyzes the influential difference of different axle load under different radius upon dynamics indicators, and mainly studies the influential law of super-height upon rail abrasion and corresponding abrasion reducing measures under several small radius curve conditions. Results show that: the carriage with heavier axle load not only leads to worse rail abrasion of railway curve route, but also has higher demand for curve route parameter setting.

heavy-load railway, rail abrasion, curve route, dynamics simulation, axle load

1009-6825(2016)05-0162-03

2015-12-07

王志軍(1979- )，男，助理工程師

U213.4

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