鋼軌擦傷對動車組動力學性能的影響

龔繼軍，崔容義，王軍平，劉恭韜

(中鐵物軌道科技服務集團有限公司，四川 成都 610031)

高速鐵路鋼軌擦傷嚴重影響軌道的平順性，造成輪軌沖擊力急劇增大。鋼軌擦傷不僅會使軌下基礎承受較大沖擊荷載，造成其結構破壞，導致鋼軌折斷；同時也會將沖擊載荷反作用給車輛各部件，使其產生疲勞裂紋，嚴重時甚至導致車輛部件發生疲勞斷裂。車輛系統、軌道狀態、輪軌匹配、駕駛操作、環境因素等均是造成鋼軌擦傷的誘因。鋼軌擦傷后，若無法通過打磨等方法進行處理，工務部門只能更換鋼軌，造成較大的經濟損失。近年來，各個鐵路局管轄范圍內的高速鐵路已經發生多次因鋼軌擦傷致使鋼軌下道的事件。

高平順性的軌道狀態是高速列車平穩、安全運行的根本保證，在運營維護中針對鋼軌擦傷的預防和及時處理是我國高速鐵路急需解決的重要問題。目前，針對車輪踏面擦傷[1-3]，國內外學者做了大量基礎性的研究工作，但對于鋼軌擦傷的產生機理[4-5]及鋼軌擦傷對車輛動力學性能的影響的研究相對較少，大部分研究主要還是針對車輪擦傷以后對車輛部件使用壽命和鋼軌疲勞傷損發展的影響[6-10]。

為了研究鋼軌擦傷對動車組動力學性能的影響，本文以一城際高速鐵路存在鋼軌擦傷的區段為研究對象，對擦傷鋼軌的表面狀態進行了測量，簡要分析了鋼軌擦傷產生的機理，并通過建立車輛動力學模型，分析了無擦傷模型以及擦傷模型的動力學性能特點。

1 工程概況

該城際鐵路旅客列車設計速度為160～250 km/h，年通過總質量約50 Mt，全線鋪設60 kg/m的U75VG鋼軌，客貨共線。該線路開通半年以后部分直線和曲線鋼軌表面存在擦傷現象。

1.1 問題調查

首先對鋼軌表面狀態進行仔細的現場觀測，采用深度計和平板尺測量擦傷區域的深度和形狀，并對擦傷鋼軌表面的傷損情況進行宏觀分析。測試結果表明：上股擦傷區域大致為橢圓形，其大小約為直徑20 mm，深度0.984 mm；下股鋼軌軌頭擦傷區域呈長條形，其大小約為長度60 mm，深度1.038 mm；上下股擦傷深度均較深。鋼軌踏面傷損的表面狀態如圖1、圖2所示。部分岔區也存在類似擦傷。

圖1 曲線上股鋼軌踏面傷損狀態

圖2 曲線下股鋼軌踏面傷損狀態

1.2 產生機理

一般來說，普速鐵路鋼軌的擦傷通常發生在列車啟動和制動階段，車站如果存在上、下坡道也會出現較為嚴重的擦傷情況，而在平直地段幾乎不會發生擦傷情況。客貨共線并有動車組運行的線路一般也是由普速客貨車造成鋼軌的擦傷。高速鐵路鋼軌的擦傷多數不是由動車組造成的，而是在高速鐵路建設或運營過程中由普通列車包括工程車造成的，但也不排除在部分小半徑進站曲線是由于動車組制動頻繁造成的。

1.3 解決辦法

當鋼軌表面出現擦傷可以通過打磨設備進行處理。一般來說，當擦傷區域面積較大、深度超過0.5 mm 的時候宜采用銑磨車或者打磨車處理。但銑磨車不具有廓形修復能力，作業效率低，不適用于該線路的局部擦傷缺陷處理；而一般打磨車長度都超過100 m，沒有必要為了修復該線路的局部擦傷而增加整條曲線鋼軌的磨耗，這會縮短鋼軌的壽命。此時，采用小型打磨機進行局部處理就很有必要。采用小型打磨機對擦傷區域進行局部處理時一定要樹立廓形打磨意識，做好擦傷區域兩側鋼軌的順接，不應只是簡單地將擦傷區域的傷損消除掉而不考慮修復擦傷區域的廓形及平順性，防止小型打磨機打磨后對鋼軌造成額外不平順。圖3為小型打磨機打磨后曲線上股鋼軌表面狀態。

圖3 曲線上股打磨后鋼軌表面狀態

2 動力學模型的建立及仿真計算工況

2.1 動力學模型的建立

車輛是一個復雜的多體系統，在建立動力學仿真模型的過程中，對一些次要因素進行簡化，對動力學性能影響較大的因素應盡可能與實際工況相似。坐標系采用鐵路坐標系，即x軸平行于車輛前進的方向；y軸平行于軌道橫截面且以指向右手方向為正方向；z軸垂直于軌道平面且以向下為正方向。

采用SIMPACK軟件建立通過該線路動車組的動力學仿真模型。仿真模型由1個車體、2個轉向架、4個輪對和8個軸箱組成。在計算該車動力學性能時取整車模型，車體、轉向架、輪對均取6個自由度，即縱向、橫向、垂向、側滾、點頭、搖頭；軸箱取1個自由度，即點頭。整個車輛系統共計54個自由度,垂向、橫向運動耦合在一起。車輛動力學模型如圖4所示。

圖4 車輛動力學模型

2.2 計算工況

根據既有某型動車組的懸掛參數，對比分析車輛通過擦傷鋼軌以及未擦傷鋼軌的動力學性能。

采用的鋼軌擦傷大小上股為長度30 mm，深度0.52 mm，下股為長度58 mm，深度1.038 mm。直線擦傷布置在左右股鋼軌正中心，曲線擦傷布置在曲線中點。采用軌道單個激擾方式進行仿真模擬。

2.2.1 直線工況

直線工況為車輛分別通過擦傷鋼軌和無擦傷鋼軌的直線軌道，軌道譜采用德國高速低干擾譜，分別計算50，100，150，200，250 km/h速度級下的平穩性和舒適度指標，分析的主要參數有動車組車體的振動加速度最大值、均方根值等。

2.2.2 曲線工況

曲線工況為車輛分別通過擦傷鋼軌和無擦傷鋼軌的曲線軌道，軌道譜采用德國高速低干擾譜，計算速度分別為50，100，150，200，250 km/h。仿真計算曲線參數見表1。計算的主要指標包括動車組通過曲線時的輪軸橫向力、輪軌垂向力、脫軌系數、輪重減載率、磨耗指數。

表1 仿真計算曲線參數

3 動力學計算結果分析

3.1 直線工況仿真計算結果

直線工況下車輛的平穩性、舒適度、最大加速度、加速度均方根值的計算結果見表2—表5。可以看出，擦傷模型的各項指標都較無擦傷模型大，鋼軌擦傷對于車輛的動力學性能有一定影響，但影響程度較小。

表2 直線工況下車輛的平穩性計算結果

表3 直線工況下車輛的舒適度計算結果

表4 直線工況下車輛的最大加速度 m·s-2

表5 直線工況下車輛的加速度均方根 m·s-2

3.2 曲線工況仿真計算結果

表6—表10為曲線工況下車輛的輪軸橫向力、輪軌橫向力、輪重減載率、脫軌系數、磨耗指數，其中磨耗指數為通過擦傷區域的值。可以看出，車輛通過擦傷模型時，車輛的各項安全性指標都急劇增大。尤其是輪重減載率和脫軌系數，在速度大于200 km/h時會發生嚴重超限現象。當速度從200 km/h 變到 250 km/h，上下股激勵不一致，下股的動態作用力急劇增大，車輛高速通過擦傷區域時輪軌的垂向振動加劇，導致減載率突然從0.36左右變化到0.90左右，減載率變化過大。此外擦傷模型的整車磨耗指數比無擦傷模型的整車磨耗指數增大尤為明顯，而輪軌是一個整體，反映到鋼軌上就是鋼軌磨耗速率會顯著增大，降低鋼軌的使用壽命。

表6 曲線工況下的輪軸橫向力 kN

表7 曲線工況下的輪軌垂向力 kN

表8 曲線工況下的輪重減載率

表9 曲線工況下的脫軌系數

表10 曲線工況下的磨耗指數

4 結論及建議

1)鋼軌擦傷是目前我國高速鐵路鋼軌傷損的主要形式之一，鋼軌擦傷對車輛的動力學性能影響較大。本文測量區域的擦傷程度并不是十分嚴重，實際線路上可能存在更連續、更嚴重的擦傷，工務部門應及時發現和治理，防止擦傷給行車帶來嚴重影響。

2)仿真結果表明某型動車組通過鋼軌擦傷地段時，鋼軌擦傷對車輛的平穩性影響較小，擦傷模型的橫向和垂向平穩性指標計算結果均比無擦傷模型要大。

3)鋼軌擦傷對動車組安全性的影響與車速有關，當運行速度小于200 km/h時，鋼軌擦傷對安全性影響較小；當運行速度大于200 km/h時，鋼軌擦傷對安全性影響較大，尤其是輪重減載率和脫軌系數在速度大于200 km/h時會發生超限現象。

4)鋼軌擦傷對動車組整車磨耗指數影響較大，不利于延長輪軌的使用壽命。

5)隨著我國高速鐵路運營里程不斷增長，鋼軌擦傷問題會更加凸顯，后續應重點對造成擦傷的原因進行研究，找到造成擦傷的根源，從而采取相應的治理措施。