重載鐵路個性化鋼軌廓形打磨技術研究

周杰神華準能大準鐵路公司

摘要：本文研究提出了一種基于車輪與軌道間接觸應力分析的鋼軌打磨方案優化實施方案。根據輪軌接觸幾何關系，使用APDL語言建立車輪與鋼軌接觸有限元參數模型，基于該模型設計建立鋼軌與車輪的最佳接觸應力分布。針對重載鐵路輪軌間接觸應力分布和傷損特點，對重載鐵路標準型和磨耗型75kg/m鋼軌進行打磨目標廓形優化設計，從而得到與車輪匹配的打磨目標廓形。通過分析，優化后的輪軌接觸廓形可以顯著降低鋼軌與車輪之間的接觸應力，為重載鐵路鋼軌打磨目標型面的設計、實施提供指導。同時對預防鋼軌表面滾動接觸疲勞和延長鋼軌使用壽命等具有積極意義。關鍵詞：蠕滑力；輪廓；磨耗；接觸應力

重載鐵路個性化鋼軌廓形打磨技術研究

周杰
神華準能大準鐵路公司

摘要：本文研究提出了一種基于車輪與軌道間接觸應力分析的鋼軌打磨方案優化實施方案。根據輪軌接觸幾何關系，使用APDL語言建立車輪與鋼軌接觸有限元參數模型，基于該模型設計建立鋼軌與車輪的最佳接觸應力分布。針對重載鐵路輪軌間接觸應力分布和傷損特點，對重載鐵路標準型和磨耗型75kg/m鋼軌進行打磨目標廓形優化設計，從而得到與車輪匹配的打磨目標廓形。通過分析，優化后的輪軌接觸廓形可以顯著降低鋼軌與車輪之間的接觸應力，為重載鐵路鋼軌打磨目標型面的設計、實施提供指導。同時對預防鋼軌表面滾動接觸疲勞和延長鋼軌使用壽命等具有積極意義。
關鍵詞：蠕滑力；輪廓；磨耗；接觸應力

一、鋼軌打磨方式

鋼軌打磨是通過打磨砂輪的旋轉磨削清除鋼軌軌頭表面魚鱗紋剝落掉塊以及沖擊磨耗等因素引起的鋼軌肥邊。隨著重載鐵路運輸朝著高效快速、長編組和高密度方向的發展，鋼軌磨損與滾動接觸疲勞更加明顯。由此引發的頻繁更換鋼軌又制約了重載鐵路的運輸能力，并且更換鋼軌的費用也是巨大的。為了延長鋼軌使用壽命，各條鐵路維護單位都在進行研究研究，并且提出了改善軌道彈性、改善輪軌關系、加強小半徑曲線的養護維修質量、周期性開展鋼軌打磨等多種渠道，鋼軌打磨作為一項成熟的、廣泛使用的延長鋼軌使用壽命方式，進一步研究研究優化的必要性充足。目前，國內外常見的幾種鋼軌打磨組織方式分別為經驗法、打磨模板法和恢復原廓形法。

二、個性化鋼軌廓形打磨方法

根據蠕滑最小理論，針對線路既有情況和通過車輛情況，通過目標廓形設計、打磨方案設計，利用打磨車作業，實現目標廓形和合理的輪軌接觸關系，從而達到減緩鋼軌病害發生、延長鋼軌使用壽命、提升列車運行平順性等目的。蠕滑是由車輪和鋼軌速度差引起。在很小的輪軌接觸斑范圍內，有黏著區和滑動區，滑動區越大，蠕滑率越大，輪軌材料越易磨損。

圖1 輪軌應力接觸點

圖2 蠕滑區和滑動區示意圖

圖3 鋼軌法向接觸應力示意圖

曲線內外軌期望的摩擦系數范圍，一般希望踏面上的摩擦系數在合理范圍內，這里0.25-0.4，0.25是維持牽引和制動所必須的，0.4是上限，好的話控制在0.35以下，因為較小的踏面摩擦系數也會使輪緣反作用力減小，反之則增大。

輪緣接觸點因較大的宏觀滑動希望摩擦系數較小，從而減小磨耗量，但過小的磨耗量也會在較大的輪緣壓力下發生疲勞裂紋，因此側面的摩擦系數最佳的控制是根據疲勞裂紋的發展可調，即有時讓摩擦系數大一些，將疲勞層磨掉。摩擦系數控制不好容易造成車輪打滑。

三、個性化鋼軌廓形打磨技術思路

個性化鋼軌廓形打磨首先需要通過線路調查及車輛調查得出實際鋼軌廓形和輪對廓形，通過優化方案設計進而得出針對性目標廓形輪廓，然后進行打磨方案設計。通過現場技術交底，打磨作業現場指導進行個性化分段實施，完成后按照個性化目標輪廓設計文件進行驗收和定期觀測效果評價分析。

（一）線路調查要素

線路調查內容包括線名、鋼軌規格、鋼軌材質、生產廠家、年通過總重，打磨路段起止位置，打磨路段線路總廠，線路分布狀況（曲線、直線分布，起止里程等信息），累計通過總重、年通過總重以及上次打磨時間。以及左右股鋼軌肥邊、魚鱗傷、側磨、波磨情況。

（二）車輛調查要素

車輛調查內容包括貨車牽引機車車型、數量，貨車車輛車型、數量?？蛙嚑恳龣C車車型、數量，客車車輛車型、數量。

（三）個性化目標輪廓設計

以實際線路條件為基礎，建立車輛-軌道耦合系統，系統中線路以實際線路資料為準，車輛參數采用對應線路上運行的主要車型，設計出適用于對應線路的鋼軌打磨目標廓形。需考慮的因素包括：合適的輪軌等效錐度、合適的輪軌接觸位置、良好的輪軌貼合性、適當的表面剪切能、降低接觸應力至安定極限以下、保證一定的脫軌安全性、轉向架具有較好的導向能力。

圖4 車輛-軌道耦合模型示例

（四）打磨方案設計

基于個性化目標廓形，以打磨量最小化為原則，設計出針對不同實際鋼軌廓形的打磨方案。

圖5 鋼軌廓形打磨方案示意圖

（六）定期觀測效果評價分析

定期觀測效果評價指標體系包括：鋼軌廓形變化、接觸位置變化（主光帶）、病害發展情況、軌控指標變化、鋼軌傷損情況、其他相關指標。

圖6 鋼軌打磨質量分析表

四、結論

本文通過對鋼軌打磨的方式方法進行總結和延伸，根據輪軌蠕滑形成機理的研究，提出了重載鐵路鋼軌個性鋼軌打磨的方法和理論依據，研究提出了個性化鋼軌打磨的實施方案和可行性，通過有針對性的方案設計，可以更加有針對性的消除鋼軌磨耗病害，實現改善輪軌關系，達到延長鋼軌使用壽命的目的。理論計算和現場試驗表明，實施鋼軌個性化鋼軌打磨后，滾動半徑差減小，鋼軌擴面形狀與車輪形成貼合性接觸，可以大幅度降低輪軌蠕滑力和輪軌滑動阻力，改善輪軸轉向特性，使鋼軌的側磨、垂磨、波磨大幅度減小約40%，鋼軌使用壽命延長約50%以上。

[1]郭戰偉.基于輪軌蠕滑最小化的鋼軌打磨研究[J].中國鐵道科學，2011年06期.

[2]郭俊.基于接觸應力分析的重載鐵路鋼軌打磨型面優化設計研究.西南交通大學研究生學位論文，2012.

[3]陳國鋒.基于輪軌關系的鋼軌打磨廓形設計的方法研究[D].上海：同濟大學，2014.

[4]雷曉燕.鋼軌打磨原理及其應用[J].鐵道工程學報，2000年1期.

[5]賈晉中，司道林.朔黃鐵路小半徑曲線軌道鋼軌打磨目標型面研究[J].中國鐵道科學，2014.