重載鐵路圓曲線參數對鋼軌磨耗的影響分析

高 盟

(海峽(福建)交通工程設計有限公司,福建 福州 350000)

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重載鐵路圓曲線參數對鋼軌磨耗的影響分析

高 盟

(海峽(福建)交通工程設計有限公司,福建 福州 350000)

基于多體動力學軟件UM，建立了車輛—軌道耦合動力學模型，分析了圓曲線參數對鋼軌磨耗的影響，同時對不同行車速度下的鋼軌磨耗進行了仿真分析，為今后鐵路選線設計提供參考。

重載鐵路，圓曲線參數，鋼軌磨耗，動力學模型

隨著列車運行速度和軸重的不斷提高，重載線路輪軌磨耗問題逐漸加重。磨耗過大的車輪或鋼軌如不及時維修或更換，會造成列車脫軌等重大事故。通過利用多體動力學軟件對輪軌磨耗進行仿真計算可以獲得輪軌磨耗規律，進而可以進行磨耗預測以指導工務部門對鋼軌進行有針對性的養護維修。本文研究了圓曲線參數及行車速度對鋼軌磨耗的影響，一些規律在選線時可提供參考。

1 UM車輛—軌道耦合動力學模型

本文基于多體動力學軟件UM建立車輛—軌道耦合動力學模型。本節以C70為車輛原型,車輛模型如圖1所示。整車模型的部分參數見表1。

表1 30 t車輛模型參數

參數數值車體的質量(含載重)/t109.8車體的側滾轉動慣量/kg·m21.428×105車體的點頭轉動慣量/kg·m21.726×106車體的搖頭轉動慣量/kg·m21.746×106側架的質量/kg497側架的側滾轉動慣量/kg·m2190側架的點頭轉動慣量/kg·m2176側架的搖頭轉動慣量/kg·m2176輪對的質量/kg1277輪對的側滾轉動慣量/kg·m2740輪對的點頭轉動慣量/kg·m2130輪對的搖頭轉動慣量/kg·m2740搖枕的質量/kg745搖枕的側滾轉動慣量/kg·m2244搖枕的點頭轉動慣量/kg·m220搖枕的搖頭轉動慣量/kg·m2244車輪的滾動半徑/m0.46軸距/m1.83車輛定距/m8.7輪軌橫向跨徑/m1.493車體中心高度/m0.88轉向架一側彈簧橫向剛度/N·m-14.41×106轉向架一側彈簧垂向剛度/N·m-15.32×106

UM Loco中的軌道被簡化成無質量的粘彈性的力元模型，具有橫向和垂向的阻尼和剛度以及繞軸的扭轉剛度。阻尼和剛度參數可以由曲線的編輯器設置[1]。軌道模型建模中采用75 kg/m標準斷面新軌，軌道模型動力學簡圖如圖2所示[2]。

軌道不平順方面，實際線路不平順非固定不變的，線路的不平順在眾多因素影響下具有較強的隨機性。到目前為止，能夠完善反映我國重載鐵路軌道隨機不平順的軌道譜還未建立。研究表明，目前國內主要干線中運行重載列車的軌道譜介于美國四級和五級軌道譜之間，且近于美國五級軌道譜[3,4]。基于此，本節采用美國五級軌道譜來進行動力學仿真計算分析。五級譜如圖3所示。

2 UM中輪軌磨耗評定方法

鋼軌磨耗程度需要有一種合理的輪軌磨耗評定方法進行評定。針對鋼軌磨耗評定問題國內外還未有統一的評定標準，輪軌磨耗與輪軌間的橫向力、橫向的蠕滑力以及輪對沖角等參數因素關系密切。從不同的研究方面出發，國內外主要有以下幾種輪軌磨耗評定指標[5,6]：Heumann磨耗指數W1，加拿大磨耗因子W2，踏面磨耗指標W3，Elkins磨耗指數W4，磨耗功率W5。

UM軟件對計算后期的數據提取計算，并對各輪對的磨耗功率進行匯總計算，所以本文在同一速度的條件下對線路進行仿真分析，選取磨耗功率作為此次UM的輪軌磨耗的評定指標。

3 不同圓曲線半徑下仿真結果

車輛速度取為80 km/h，超高取均衡超高，緩和曲線長度為60 m，圓曲線長度為400 m，曲線前直線長度為10 m，不同曲線半徑下線路參數見表2。

按照表2設置線路參數，將仿真獲得的各指標數據繪制成折線圖，如圖4所示。

表2 不同曲線半徑下線路參數

由圖4可知，隨著圓曲線半徑的增大，輪軌橫向力、脫軌系數、輪重減載率及鋼軌磨耗功率均呈現下降的趨勢。半徑從400 m增大到800 m，輪軌橫向力降低了9.4%，輪重減載率降低了47.4%，半徑增大到800 m之后兩指標均有下降的趨勢，但下降速度降低了。圓曲線半徑由400 m增大到600 m，鋼軌平均磨耗功率下降了17.4%，600 m之后，鋼軌平均磨耗功率下降速度逐漸降低。

4 不同圓曲線長度下仿真結果

車輛速度取為80 km/h，圓曲線半徑取為800 m，超高取為70 mm，緩和曲線長度為60 m，曲線前直線長度為10 m，圓曲線長度分別取為100 m,200 m,300 m,400 m,500 m和600 m，不同曲線長度下各指標數據見表3，并將鋼軌的平均磨耗功率繪制成折線圖如圖5所示。

表3 不同曲線長度下各指標結果

由表3可知，曲線長度的變化不會引起輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數的改變，圖5則顯示出鋼軌磨耗功率在不同曲線長度工況下是隨機變化的，并且變化幅度很小。

5 不同行車速度下仿真結果

圓曲線半徑取800 m，圓曲線長度取400 m，超高取70 mm，緩長取60 m，曲線前直線長度為10 m，行車速度分別取為50 km/h,60 km/h,70 km/h,80 km/h,90 km/h,100 km/h，不同行車速度下各指標數據見表4，并將鋼軌的平均磨耗功率繪制成折線圖如圖6所示。

表4 不同行車速度下各指標結果

由表4和圖6可知，隨著行車速度的增大，輪軌橫向力、輪重減載率、鋼軌磨耗功率有增大的趨勢，鋼軌磨耗功率在速度90 km/h之后上升幅度降低；脫軌系數整體上呈增大趨勢，但在100 km/h時發生了下降突變。

6 結語

利用多體動力學仿真軟件UM建立了車輛—軌道耦合動力學模型，以磨耗功率為評價指標對鋼軌磨耗進行評定，分析了重載鐵路曲線半徑、長度以及曲線上行車速度對鋼軌磨耗的影響，獲得以下結論：

1)隨著圓曲線半徑的增大，輪軌橫向力、脫軌系數、輪重減載率及鋼軌磨耗功率均呈現下降的趨勢，因此在工程條件允許的前提下應盡量增大曲線半徑。若受到工程條件的制約較大，考慮到600 m之后鋼軌平均磨耗功率下降速度逐漸降低這一結論，因此在設計速度為80 km/h的前提下，建議將600 m的曲線半徑作為曲線半徑下限的臨界點。

2)隨著圓曲線長度的增大，輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數幾乎沒有變化，鋼軌磨耗功率變化幅度不大且無確切規律。因此，圓曲線長度這一參數對曲線上鋼軌磨耗影響較小，選線設計時，在滿足規范要求的前提下，可不考慮圓曲線長度的影響。

3)隨著行車速度的增大，輪軌橫向力、輪重減載率、鋼軌磨耗功率有增大的趨勢，鋼軌磨耗功率在速度90 km/h之后上升幅度降低。

[1] 李向國.高速鐵路線路參數分析及其行車動力特性研究[D].成都：西南交通大學,2011.

[2] 李浩宇.重載鐵路線路參數分析及其行車動力特性研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學,2014.

[3] 林鳳濤.高速列車車輪磨耗及型面優化研究[D].北京：中國鐵道科學研究院,2014.

[4] 廖進星.CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道路基的力學特性分析[J].高速鐵路技術，2013(2):9-14.

[5] 杜 偉.重載鐵路曲線段輪軌磨耗影響因素分析[D].成都：西南交通大學,2012.

[6] 陳 希.重載鐵路曲線參數對鋼軌磨耗的影響分析[D].石家莊：石家莊鐵道大學,2015.

The influence analysis on the heavy rail curve parameters to rail wear

Gao Meng

(Strait(Fujian)TrafficEngineeringDesignLimitedCompany,Fuzhou350000,China)

Based on the multi-body dynamics software UM, this paper established the vehicle-track coupling dynamics model, analyzed the influence of circular curve parameters to rail wear, and made simulation analysis on the rail wear under different running speed, provided reference for future railway lines selection design.

heavy rail, round curve parameter, rail wear, dynamics model

1009-6825(2017)17-0135-03

2017-03-13

高 盟(1989- )，男，碩士，助理工程師

U213.2

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