鋼軌接頭扭轉對車輛-軌道動力學的影響研究

陳艷瑋,王 彪

(1.四川大學錦城學院,成都 611731； 2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

在普速鐵路中，由于輪軌關系復雜導致鋼軌發生傷損病害的數量和類型眾多，鐵路道岔、曲線地段及鋼軌接頭被稱為軌道結構中的三大薄弱環節[1-3]。在這其中，鋼軌接頭位置不平順是引起鋼軌接頭區域輪軌沖擊作用、軌道及車輪傷損病害、道床及路基殘余變形加劇的根本原因[4-9]。目前，高速鐵路軌道通常采用無縫線路，盡管通過鋼軌焊接接頭技術代替夾板技術消除了軌縫，但由于焊接工藝缺陷和長期運營中的傷損，使得鋼軌接頭區的不平順仍然存在，并且對軌道和機車車輛的破壞、沖擊噪聲的產生等影響較大[10-14]。

無縫線路鋼軌的焊接一般采用鋁熱焊接技術，其基本原理是將鋁和鐵的氧化物以及其他金屬合金混合在一塊，然后按照一定比例配置成鋁熱焊劑，將待焊鋼軌對齊后，采用預熱器進行預熱，使用高溫火柴點燃焊劑，釋放大量的熱量，高溫鋼水流入沙模和待焊鋼軌組成的型腔中，熔化待焊鋼軌端面，經冷卻凝固最后實現鋼軌焊接為一體[15-16]。然而，鋁熱焊接技術在鋼水冷卻凝固的過程中容易造成兩側待焊鋼軌受力不均勻，進而造成接頭區域內鋼軌分別發生不同程度的扭轉[17]。通過編制輪軌接觸幾何參數的計算程序及建立車輛-軌道耦合系統動力學模型，分別從靜態輪軌接觸點位置分布、接觸幾何參數及輪軌動力響應兩方面研究焊接鋼軌接頭扭轉對車輛-軌道動力學的影響。

1 鋼軌接頭扭轉

焊接接頭的軌頂面和軌頭側面平直度屬嚴格控制指標，依據TB/T1632.1—2005《鋼軌焊接第一部分：通用技術要求》中對焊接接頭平直度的要求[18]，對于設計速度大于200 km/h的線路，軌頭工作面1m長度范圍內，軌頂面垂直方向的最大偏差為0～0.2 mm，軌頭側面工作邊水平方向的最大偏差為0～0.3 mm。焊接接頭平順度的測量方法是：縱向以軌頂面的縱向中心線為基準；橫向以軌頭側面工作邊上距軌頂面16 mm處的縱向線為基準。鋼軌接頭的幾何不平順通常使用SALIENT鋼軌縱斷面測量儀測量，其得到的不平順是焊接接頭區域存在的最大幾何不平順，但是無法準確反映車輪與鋼軌真實接觸點的位置變化情況。例如，如圖1所示，兩段鋼軌之間通過焊接連接在一起時，由于鋁熱焊的作用，造成一端鋼軌扭轉-1/40，另一端鋼軌扭轉1/15，焊接接頭長200 mm，本文規定鋼軌向線路內側扭轉時為正，向線路外側扭轉時為負。

圖1 鋼軌接頭扭轉

如圖1所示，焊接接頭范圍內，根據規范的測量方法和要求，其軌頂面垂直方向的最大偏差為0.06 mm，軌頭側面工作邊水平方向的最大偏差為0 mm，符合規范的要求，但實際上鋼軌已經在接頭范圍內發生了較大程度的扭轉，勢必會對車輛通過時的輪軌動力作用產生較大影響。

2 輪軌靜態接觸幾何分析

基于跡線法原理編制輪軌靜態接觸幾何參數的計算程序[19-20]，鋼軌接頭發生扭轉的區域內，如圖1所示，一端鋼軌扭轉-1/40，另一端鋼軌扭轉1/15。車輛由鋼軌扭轉-1/40通往鋼軌扭轉1/15為正向通過，反之為反向通過，其方向規定如圖2所示。

圖2 輪軌坐標系規定

由圖2可見，在輪軌靜態接觸分析和車輛動力學計算中，規定車輛正向通過時，右側車輪與鋼軌接頭區域接觸，相反，車輛反向通過時，左側車輪則與鋼軌接頭區域接觸。

2.1 輪軌接觸點對

采用編制的靜態輪軌接觸幾何計算程序，分別計算鋼軌扭轉-1/40和1/15時對應的輪軌接觸點位置分布如圖3所示。

圖3 輪軌接觸點位置分布

由圖3可見，鋼軌接頭的扭轉對輪軌接觸點位置的影響很大，以無輪對橫移時為例，輪軌接觸點的位置由軌道內側向軌道外側偏移，橫向偏移的距離約為25 mm。

2.2 車輪滾動圓半徑差

車輪滾動圓半徑差函數能反映輪對回復對中的能力，其計算公式如式(1)，提取輪對橫移0～12 mm范圍內，車輪滾動圓半徑差隨里程變化的分布規律如圖4所示。

ΔR=Rr-Rl(1)

式中，Rr為右側車輪的滾動圓半徑；Rl為左側車輪的滾動圓半徑。

圖4 車輪滾動圓半徑差

車輪對中時，左右車輪滾動圓半徑相同，即相同時間內左右車輪前進的距離相同，此時輪對不會發生橫向位移，當左右車輪滾動圓半徑不同時，相同時間內左右車輪前進的距離發生差異，輪對在橫向蠕滑力的作用下發生橫向移動，且橫向移動的方向偏向車輪滾動圓半徑小的一側。由圖4可見，車輛正向通過時，車輪的滾動圓半徑差大部分為正值，能夠抑制輪對的橫向位移，且相同輪對橫移條件下，其滾動圓半徑差越來越小，抑制輪對橫向位移的能力越來越差；車輛反向通過時，車輪的滾動圓半徑差大部分為負值，不能有效抑制輪對橫向位移的同時還會加劇輪對的橫向移動，在相同輪對橫移的條件下，其滾動圓半徑差越來越小。

3 車輛-軌道動力學分析

采用多體動力學軟件SIMPACK建立車輛-軌道多體動力學模型[21-22]，研究輪軌動力相互作用，車輛模型為32自由度整車模型，軌道結構考慮彈性支承，輪軌接觸中法向采用赫茲理論，切向問題采用Kalker簡化理論解決。仿真CRH2車輛以350 km/h速度正向和反向通過鋼軌接頭時的輪軌動力相互作用，車輛軸重為15 t，車輛模型其他計算參數見文獻[23]。

3.1 輪軌接觸點對

車輛正向通過和反向通過時，鋼軌接頭側輪軌接觸點位置的動態橫向變化如圖5所示。

圖5 接觸點位置橫向變化

由圖5可見，車輛正向通過時，鋼軌接頭處輪軌接觸點位置橫向動態變化最大值為25 mm，由于輪軌接觸點位置的變化，車輪通過焊接接頭后，輪緣貼靠鋼軌，輪對進而向反方向運動，形成較大幅度的蛇形運動；車輛反向通過時，鋼軌接頭處輪軌接觸點位置橫向動態變化最大值為27 mm，由于輪軌接觸點位置橫向接觸不平順幅值較大，會造成更大幅度的車輛蛇形運動。車輛正向通過和反向通過時，鋼軌接頭側輪軌接觸點位置的動態垂向變化如圖6所示。

由圖6可見，車輛正向通過鋼軌接頭時，輪軌接觸點垂向位置首先發生下降趨勢，幅值約為1 mm，易造成車輪減載；車輛反向通過鋼軌接頭時，輪軌接觸點垂向位置首先發生上升趨勢，幅值約為2.5 mm，易造成輪軌發生沖擊增載。

3.2 輪軌力分析

車輛正向通過和反向通過時，鋼軌接頭側輪軌橫向力的動態變化如圖7所示。

圖6 接觸點位置垂向變化

圖7 輪軌橫向力動態變化

由圖7可見，車輛正向通過鋼軌接頭時，鋼軌接頭一側輪軌橫向力最大值為10.9 kN；車輛反向通過鋼軌接頭時，鋼軌接頭一側輪軌橫向力最大值為15.1 kN。相比車輛正向通過，反向通過時引發的輪軌橫向力更大。車輛正向通過和反向通過時，鋼軌接頭側輪軌垂向力的動態變化如圖8所示。

圖8 輪軌垂向力動態變化

由圖8可見，車輛正向通過鋼軌接頭時，鋼軌接頭一側車輪主要呈減載的狀態，最小輪軌垂向力為43.0 kN，最大垂向力為77.0 kN；車輛反向通過鋼軌接頭時，鋼軌接頭一側車輪主要呈增載的狀態，最小輪軌垂向力為58.2 kN，最大垂向力為131.5 kN。

4 結論

鋼軌焊接過程中容易造成接頭兩端鋼軌發生不同程度的扭轉，這種扭轉造成的軌道幾何不平順往往能夠滿足規范的要求，但實際的輪軌接觸點位置已發生較大程度的改變，以焊接造成的鋼軌扭轉為研究對象，計算分析了鋼軌扭轉造成的軌道不平順對輪軌接觸幾何參數和車輛軌道動力相互作用的影響。結論如下。

(1)鋼軌接頭的扭轉對輪軌接觸點位置的影響很大，無輪對橫移時，鋼軌扭轉造成的輪軌接觸點位置橫向偏移量達到25 mm。

(2)車輛正向通過鋼軌接頭時，車輪的滾動圓半徑差為正，能夠抑制輪對的橫移，相反，當車輛反向通過時，車輪的滾動圓半徑差為負，不能有效抑制輪對橫向位移的同時還會加劇輪對的橫向移動。

(3)接頭處鋼軌扭轉會極大惡化輪軌動力相互作用，反向通過時的輪軌動力相互作用大于正向通過時，輪軌橫向力和垂向力的最大值分別高達15.1 kN和131.5 kN。