動(dòng)車所小半徑曲線鋼軌磨耗及減磨措施研究

侯茂銳， 王衛(wèi)東， 常崇義， 李 蘭(1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心， 北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速輪軌關(guān)系實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

隨著京滬、京廣、滬昆等高速鐵路和大量城際鐵路的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程不斷增加，到2016年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)2.2萬(wàn)km以上,服役運(yùn)用的動(dòng)車組2 500余組。高速動(dòng)車組作為主要的載運(yùn)工具，保證和維護(hù)其安全運(yùn)營(yíng)顯得十分重要。為此需要修建動(dòng)車運(yùn)用所、動(dòng)車組存車場(chǎng)，以進(jìn)行動(dòng)車組的運(yùn)用整備、日常養(yǎng)護(hù)維修等工作。而隨著城市規(guī)模的快速發(fā)展，動(dòng)車運(yùn)用所的選址變得異常困難，又因其規(guī)模通常較大，所以其位置受地形條件限制因素很多，導(dǎo)致小半徑曲線較多。全國(guó)已經(jīng)建成投入使用的動(dòng)車所有37個(gè)，另有14個(gè)正在施工過(guò)程中，幾乎每個(gè)動(dòng)車所都設(shè)有半徑等于或小于300 m的一般曲線或岔后曲線[1]。

鋼軌側(cè)磨是曲線上鋼軌的主要損傷類型，尤其對(duì)于小半徑曲線，鋼軌側(cè)磨已成為曲線鋼軌更換的決定性因素[2]。同時(shí)，小半徑曲線也加劇了車輪輪緣磨耗，使得車輪鏇修量增大。因此，減緩曲線上鋼軌的側(cè)磨，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，降低維修費(fèi)用，保證行車安全，是工務(wù)工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。文獻(xiàn)[3-6]分析了軌底坡、軌距、超高養(yǎng)護(hù)維修等因素對(duì)鋼軌側(cè)磨的影響，并提出了減緩鋼軌側(cè)磨的預(yù)防措施。文獻(xiàn)[7]研究了直線鋼軌出現(xiàn)的交替?zhèn)饶ガF(xiàn)象，認(rèn)為主要由于輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致。文獻(xiàn)[8]研究了鋼軌摩擦控制技術(shù)在重載鐵路的應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)在半徑300 m的曲線上應(yīng)用軌側(cè)磨耗摩擦控制技術(shù)可使車輪輪緣磨耗和鋼軌軌距角磨耗減小約40%。文獻(xiàn)[9]在滾動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了輪軌摩擦系數(shù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)，未經(jīng)潤(rùn)滑的鋼軌軌頂表面磨耗嚴(yán)重且疲勞裂紋發(fā)展迅速，經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑后鋼軌磨耗較未經(jīng)過(guò)潤(rùn)滑時(shí)減小約1/2。文獻(xiàn)[10]在日本新干線選擇了半徑400 m和半徑900 m的2條曲線開(kāi)展了為期2年的鋼軌磨耗現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，分析鋼軌側(cè)磨后輪軌橫向力、沖角及鋼軌變形的變化。文獻(xiàn)[11]基于對(duì)我國(guó)多條高速鐵路鋼軌磨耗的長(zhǎng)期觀測(cè)，認(rèn)為直線段鋼軌磨耗很小，進(jìn)出站的小半徑曲線鋼軌側(cè)面磨耗嚴(yán)重，已影響到鋼軌使用壽命。

以往研究很少關(guān)注動(dòng)車所內(nèi)小半徑曲線鋼軌的磨耗情況，本文作者在某動(dòng)車所開(kāi)展了為期一年半的鋼軌磨耗跟蹤測(cè)試，對(duì)比分析了2條曲線的鋼軌磨耗情況。同時(shí)在多體動(dòng)力學(xué)軟件中建立了CRH5型動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)仿真模型，計(jì)算分析了曲線半徑、軌距加寬、超高和輪軌摩擦系數(shù)對(duì)鋼軌磨耗的影響，提出了減緩鋼軌磨耗的技術(shù)措施。

1 鋼軌磨耗跟蹤測(cè)試

為了獲取動(dòng)車所內(nèi)小半徑曲線的鋼軌磨耗情況，在某動(dòng)車所選擇了2條曲線進(jìn)行鋼軌磨耗的跟蹤測(cè)試，這2條曲線分別為連接動(dòng)車所Ⅰ場(chǎng)和Ⅱ場(chǎng)的環(huán)Ⅰ線和環(huán)Ⅱ線，曲線半徑分別為275 m和280 m，鋼軌類型為50 kg/m鋼軌，其斷面尺寸見(jiàn)圖1。該曲線上列車為雙向行駛，環(huán)Ⅱ線每天通過(guò)的列車數(shù)量較環(huán)Ⅰ線少。曲線具體參數(shù)見(jiàn)表1。

由圖1可知，50 kg/m鋼軌軌頂部分主要由3段圓弧組成，相較于60 kg/m鋼軌軌頂部分的5段圓弧，50 kg/m鋼軌軌頂缺少半徑80 mm的2段圓弧。

表1 曲線參數(shù)

在半徑275 m的環(huán)Ⅰ線上分別選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤測(cè)試，其分別為：測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3。其中測(cè)點(diǎn)3靠近曲線段端部。測(cè)點(diǎn)示意圖見(jiàn)圖2。

使用MiniProf鋼軌廓形測(cè)量?jī)x對(duì)鋼軌廓形進(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算鋼軌的垂直磨耗和側(cè)面磨耗，其中鋼軌垂直磨耗指在鋼軌頂面寬1/3處(距標(biāo)準(zhǔn)工作邊)測(cè)量的磨耗量，鋼軌側(cè)面磨耗指在鋼軌踏面(按標(biāo)準(zhǔn)斷面)下16 mm處測(cè)量的磨耗量。

環(huán)Ⅰ線3個(gè)測(cè)點(diǎn)的鋼軌磨耗量見(jiàn)表2和圖3。由表2可知曲線外股鋼軌側(cè)磨嚴(yán)重，最大側(cè)磨量為測(cè)點(diǎn)3，其值達(dá)到12.69 mm；測(cè)點(diǎn)1的側(cè)磨量最小，為8.05 mm；由于曲線鋼軌曲率的不均勻以及直線過(guò)渡的緣故，使得3個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的側(cè)磨量相差較大，位于曲線中部的測(cè)點(diǎn)側(cè)磨量相對(duì)較小，位于曲線端部的測(cè)點(diǎn)3側(cè)磨量最大。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3的鋼軌垂磨量也依次增大，測(cè)點(diǎn)2的垂磨量較測(cè)點(diǎn)1增大約70%，測(cè)點(diǎn)3垂磨量較測(cè)點(diǎn)2亦增大約70%；測(cè)點(diǎn)3垂磨量最大，其值為2.46，但相比鋼軌側(cè)磨量，鋼軌垂磨量較小。

表2 環(huán)Ⅰ線3個(gè)測(cè)點(diǎn)的鋼軌磨耗量

環(huán)Ⅰ線測(cè)點(diǎn)3和環(huán)Ⅱ線測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)鋼軌磨耗速率分別見(jiàn)表3、表4。

表3 環(huán)Ⅰ線測(cè)點(diǎn)3鋼軌磨耗速率

表4 環(huán)Ⅱ線測(cè)點(diǎn)鋼軌磨耗速率

對(duì)于半徑275 m的環(huán)Ⅰ線，2015年6月?lián)Q軌，換軌后按照文獻(xiàn)[15]要求軌距加寬調(diào)整為5 mm，至2016年9月26日，該曲線通過(guò)總質(zhì)量約8.3 Mt，外股最大側(cè)磨量達(dá)到12.69 mm，最大垂磨量為2.46 mm。隨著通過(guò)總質(zhì)量的增大，磨耗速率略有增大，最大垂磨速率為0.30 mm/Mt，最大側(cè)磨速率為1.53 mm/Mt。

對(duì)于半徑280 m的環(huán)Ⅱ線，2014年6月?lián)Q軌，軌距加寬為15 mm，至2016年9月26日，該曲線通過(guò)總質(zhì)量約9.03 Mt，外股最大側(cè)磨量為5.53 mm，最大垂磨量為0.9 mm。最大垂磨速率為0.10 mm/Mt，最大側(cè)磨速率為0.61 mm/Mt。

由圖5可知，環(huán)Ⅱ線的鋼軌垂直磨耗速率和側(cè)磨磨耗速率較環(huán)Ⅰ線減小約60%。由于環(huán)Ⅰ線的軌距加寬為5 mm，環(huán)Ⅱ線的軌距加寬為15 mm，可見(jiàn)，軌距加寬15 mm可以有效減小鋼軌磨耗量。

2 分析方法

2.1 車輛動(dòng)力學(xué)模型建立

建立CRH5型動(dòng)車組拖車動(dòng)力學(xué)模型，模型中采用兩系懸掛，考慮輪軌接觸幾何關(guān)系的非線性、橫向止擋的非線性、抗蛇行減振器以及部分減振器的非線性特性，由Kalker非線性蠕滑理論計(jì)算輪軌蠕滑力。

動(dòng)力學(xué)仿真模型由1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì)和8個(gè)軸箱組成，共50個(gè)自由度。車輛動(dòng)力學(xué)仿真模型見(jiàn)圖6，首先將建立的轉(zhuǎn)向架模型作為子系統(tǒng)，然后通過(guò)子系統(tǒng)建模技術(shù)組裝建立整車動(dòng)力學(xué)仿真模型。拖車空車的動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵參數(shù),見(jiàn)表5。

表5 車輛動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵參數(shù)

2.2 磨耗指數(shù)的確定

車輪在鋼軌上運(yùn)行時(shí)一般情況下輪軌之間為一點(diǎn)接觸，即車輪踏面與鋼軌頂面相接觸。根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)理論，轉(zhuǎn)向架以低速通過(guò)小半徑曲線時(shí)，通常是前輪對(duì)貼靠外軌，后輪對(duì)貼靠?jī)?nèi)軌，因此當(dāng)輪對(duì)通過(guò)曲線時(shí)，導(dǎo)向車輪往往會(huì)發(fā)生車輪輪緣與鋼軌軌距角處貼靠，形成2點(diǎn)接觸。2點(diǎn)接觸形成2個(gè)接觸斑：1個(gè)為鋼軌頂面的接觸斑，另1個(gè)為鋼軌軌頭側(cè)面的接觸斑。由于輪軌之間存在沖角，鋼軌側(cè)面接觸斑位置超前于鋼軌頂面接觸斑。一般情況下，沖角越大，則2個(gè)接觸斑的距離越大，輪緣接觸點(diǎn)的蠕滑率和蠕滑力也越大，造成劇烈的輪緣磨耗和鋼軌側(cè)磨，且極端情況下鋼軌頂面與車輪踏面的接觸點(diǎn)會(huì)脫開(kāi)，造成輪緣的一點(diǎn)接觸，容易引發(fā)爬軌脫軌。

輪軌磨耗的本質(zhì)，是車輪與鋼軌間在接觸斑處的相對(duì)摩擦，因此摩擦程度與它們之間的相對(duì)滑動(dòng)和摩擦力有關(guān)，即與蠕滑率和蠕滑力有關(guān)。各國(guó)研究人員提出了近10種輪軌磨耗模型及評(píng)價(jià)輪軌磨耗劇烈程度的磨耗指數(shù)[12]，大多數(shù)磨耗指數(shù)均與沖角相關(guān)，其中有2個(gè)磨耗指數(shù)應(yīng)用較廣泛，1個(gè)為由德國(guó)研究人員提出的Heumann磨耗指數(shù)，當(dāng)摩擦系數(shù)為常量時(shí)，Heumann磨耗指數(shù)可簡(jiǎn)化為Vogel磨耗指數(shù)[13]；另1個(gè)為由英國(guó)Derby研究中心提出的Elkins磨耗指數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果，Vogel磨耗指數(shù)的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致。由于本文研究輪軌摩擦系數(shù)對(duì)鋼軌側(cè)磨的影響，摩擦系數(shù)不是常量，因此，本文使用Vogel磨耗指數(shù)簡(jiǎn)化前的Heumann磨耗指數(shù)評(píng)價(jià)鋼軌側(cè)磨的劇烈程度。

Heumann磨耗指數(shù)為輪緣導(dǎo)向力與沖角的乘積,具體為

WI=μ·F·α

( 1 )

式中：μ為輪軌摩擦系數(shù)；F為輪緣導(dǎo)向力；α為沖角。

3 計(jì)算結(jié)果分析

按照文獻(xiàn)[15]中有關(guān)規(guī)定，動(dòng)車組一般情況下不得通過(guò)半徑小于250 m的曲線，通過(guò)曲線半徑為250 m曲線時(shí)，限速15 km/h[14]。并且對(duì)曲線軌距加寬進(jìn)行了調(diào)整，見(jiàn)表6。本節(jié)計(jì)算的車輛速度為15 km/h。

表6 曲線軌距加寬值

3.1 曲線半徑影響

曲線半徑分別250、300、350 m，曲線超高均設(shè)置為15 mm，輪軌摩擦系數(shù)均為0.4，半徑250 m曲線的軌距加寬設(shè)置為5 mm。3組曲線半徑對(duì)應(yīng)的鋼軌磨耗指數(shù)見(jiàn)圖7。由圖7可知，隨著曲線半徑的增大，鋼軌磨耗指數(shù)明顯減小。半徑300 m曲線的磨耗指數(shù)較半徑250 m曲線減小約65%；半徑350 m曲線的磨耗指數(shù)較半徑300 m曲線減小約70%。曲線半徑增大對(duì)減小鋼軌側(cè)磨有顯著作用，動(dòng)車所的線路設(shè)計(jì)時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的條件下應(yīng)盡可能增大曲線半徑。

3.2 軌距加寬影響

半徑250 m曲線，曲線超高設(shè)置為15 mm時(shí)，輪軌摩擦系數(shù)為0.4，軌距加寬分別為5、15 mm的鋼軌磨耗指數(shù)變化見(jiàn)圖8。由圖8可知，軌距加寬為5 mm的磨耗指數(shù)為29.7；加寬為15 mm的磨耗指數(shù)為23.72。軌距加寬為15 mm的磨耗指數(shù)較軌距加寬為5 mm的磨耗指數(shù)減小約20%。

機(jī)車車輛進(jìn)入曲線軌道時(shí)，仍然存在保持其原有行駛方向的慣性，只是受到外軌的引導(dǎo)作用才沿曲線軌道行駛。為使機(jī)車車輛順利通過(guò)曲線而不致被楔住或擠開(kāi)軌道，減小輪軌間的橫向作用力，曲線軌距要適當(dāng)加寬。對(duì)于半徑250 m曲線，文獻(xiàn)[15]將軌距加寬由原先的15 mm縮小到現(xiàn)在的5 mm。而對(duì)于動(dòng)車所內(nèi)的小半徑曲線，由于動(dòng)車組運(yùn)行速度較低，且沒(méi)有搭載乘客，較大的軌距加寬有利于減小輪軌橫向力，降低鋼軌側(cè)磨量。因此，對(duì)于動(dòng)車所內(nèi)半徑250 m曲線，建議軌距加寬依然設(shè)置為15 mm。

3.3 輪軌摩擦系數(shù)影響

半徑250 m曲線，曲線超高設(shè)置為15 mm、軌距加寬設(shè)置為5 mm時(shí)，軌側(cè)摩擦系數(shù)分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的鋼軌磨耗指數(shù),見(jiàn)圖9。軌頂摩擦系數(shù)為0.4保持不變，計(jì)算時(shí)模擬采取軌側(cè)潤(rùn)滑后，工作邊軌距角處的摩擦系數(shù)變化。由圖9可知，軌側(cè)摩擦系數(shù)分別為0.5、0.4、0.3、0.2、0.1時(shí)的磨耗指數(shù)分別為32.12、30.31、26.58、19.86、10.51。軌側(cè)摩擦系數(shù)為0.4時(shí)的磨耗指數(shù)較摩擦系數(shù)0.5時(shí)的磨耗指數(shù)減小約6%；軌側(cè)摩擦系數(shù)為0.3時(shí)的磨耗指數(shù)較摩擦系數(shù)0.4時(shí)的磨耗指數(shù)減小約12%；軌側(cè)摩擦系數(shù)為0.2時(shí)的磨耗指數(shù)較摩擦系數(shù)0.3時(shí)的磨耗指數(shù)減小約25%；軌側(cè)摩擦系數(shù)為0.1時(shí)的磨耗指數(shù)較摩擦系數(shù)0.2時(shí)的磨耗指數(shù)減小約50%。

由此可見(jiàn)，如果采取軌側(cè)潤(rùn)滑措施，將軌側(cè)摩擦系數(shù)由0.5降低到0.1～0.2，則鋼軌側(cè)磨將減小40%～70%。

4 結(jié)論與建議

(1) 在某動(dòng)車所的環(huán)Ⅰ線和環(huán)Ⅱ線開(kāi)展了為期一年半的鋼軌磨耗跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鋼軌側(cè)磨嚴(yán)重且磨耗不均勻，環(huán)Ⅰ線鋼軌測(cè)試的3個(gè)位置中最小鋼軌側(cè)磨為8.05 mm，最大鋼軌側(cè)磨達(dá)到12.69 mm，鋼軌使用壽命大約一年半。環(huán)Ⅰ線軌距加寬為5 mm，鋼軌側(cè)磨速率為1.53 mm/Mt；環(huán)Ⅱ線軌距加寬為15 mm，鋼軌側(cè)磨速率為0.61 mm/Mt，環(huán)Ⅱ線的鋼軌側(cè)磨磨耗速率較環(huán)Ⅰ線減小約60%。

(2) 曲線半徑對(duì)減小鋼軌側(cè)磨有顯著作用。半徑300 m曲線的磨耗指數(shù)較半徑250 m曲線磨耗指數(shù)減小約65%，半徑350 m曲線的磨耗指數(shù)較半徑300 m曲線磨耗指數(shù)減小約70%。動(dòng)車所的線路設(shè)計(jì)時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的條件下應(yīng)盡可能減少使用半徑250 m曲線。

(3) 動(dòng)車組在動(dòng)車所內(nèi)一般空載且運(yùn)行速度較低，適當(dāng)增大軌距可以減小鋼軌側(cè)磨。對(duì)于半徑250 m的曲線，軌距加寬15 mm的鋼軌磨耗指數(shù)較軌距加寬5 mm鋼軌磨耗指數(shù)減小約20%。因此，對(duì)于動(dòng)車所內(nèi)的半徑小于300 m的曲線，建議軌距加寬設(shè)置為15 mm。

(4) 對(duì)于小半徑曲線，采取鋼軌軌側(cè)潤(rùn)滑措施將軌側(cè)摩擦系數(shù)由0.5降低到0.1～0.2，則鋼軌側(cè)磨將減小40%～70%，顯著降低鋼軌側(cè)磨同時(shí)改善車輪輪緣磨耗，提升小半徑曲線鋼軌使用壽命。

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