個性化鋼軌廓形打磨對動車組動力學特性的影響研究

楊逸航 肖乾

1.中鐵物總運維科技有限公司，北京100036；2.華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室，南昌330013

隨著高速列車運營速度和線路運行密度的提高，動車組構架橫向加速度報警的現象層出不窮［1］。動車組構架橫向失穩會影響列車運行安全性和乘坐舒適性［2］。合理的輪軌型面匹配可以改善列車運行動力學特性，提高列車運行平穩性，進而保證行車安全與延長鋼軌服役壽命［3］。鋼軌打磨作為改善輪軌接觸匹配關系的重要手段，已成為高速鐵路運營前后的一項必不可少工作［4-5］。

Uhlmann 等［6］通過提高鋼軌表面粗糙度和表面硬度減緩鋼軌材料磨損，延長使用壽命。Kanematsu 等［7］研究了不同打磨磨石對鋼軌打磨效率的影響。Keylin等［8］對北美和歐洲使用的鋼軌打磨模板對準的三種方法進行了比較分析，選擇出一種最優的方法。劉沖等［9］研究出一種基于響應面模型的鋼軌打磨廓形預測方法。林強等［10］利用MATALAB 軟件對打磨前后鋼軌型面進行對比，提出評價鋼軌打磨質量的方法。任娟娟等［11］選取武廣高速鐵路打磨后輪軌廓形，建立輪軌滾動接觸關系模型，研究了鋼軌打磨對輪軌接觸關系的影響。

雖然諸多學者已經對鋼軌打磨進行了細致研究，但對個性化鋼軌廓形打磨研究較少。由于高速列車車輪不圓度問題較為明顯，導致高速鐵路不同區間不同里程廓形差異較大。若均采用傳統廓形打磨方式，依照統一打磨量進行打磨，雖然打磨后軌面病害得到改善，但線路鋼軌廓形差異仍較大，列車運行不平穩現象得不到改善［12］。本文選取國內一高速鐵路列車運行構架橫向加速度報警2 段區域進行研究，分析傳統鋼軌廓形打磨后及個性化鋼軌廓形打磨后列車運行動力學性能。

1 個性化鋼軌廓形打磨分析

1.1 個性化鋼軌目標廓形設計及打磨工藝

通過對高速鐵路鋼軌廓形及列車車輪進行逐一采集，以優化輪徑差及等效錐度為目的，采用批量處理的方式對鋼軌廓形進行逐一優化［13］，并建立實參數車輛-軌道-路基耦合動力學模型，最終比選設計得到能夠最大限度滿足該線路上實測車輪廓形的鋼軌目標廓形。采用此方法設計得到的鋼軌打磨目標廓形能夠較好地提升輪軌接觸關系，并且不會在短期內隨著車輪廓形的磨耗產生大幅波動。

由于不同里程與設計廓形偏差量均有差異，故不同里程打磨量也存在明顯差異。傳統廓形打磨方式主要采用統一打磨模式、統一打磨量貫穿式打磨，對于鋼軌廓形差異難以消除，輪軌關系難以得到改善。為了保證線路打磨后廓形一致，對打磨區段鋼軌每間隔50 m 進行測量。由于打磨車模式切換最短距離為500 m，在500 m 區域內測得的10個廓形中選取1個代表廓形［14］，并將此廓形與設計廓形進行對比，計算出打磨量。打磨車每間隔500 m進行打磨模式切換時，由于磨頭角度改變會造成軌面不平順。為避免此現象，模式轉換時磨石角度不發生變化，僅磨石功率發生改變，通過調整磨石功率控制打磨量，確保打磨后鋼軌廓形統一。

1.2 鋼軌打磨前后廓形分析

選取一高速鐵路線路下行K299—K302、下行K470—K473 區段為研究對象。這兩個區段連續出現多次轉向架橫向加速度報警現象。下行K299—K302區段采用個性化廓形打磨方式，下行K470—K473 區段采用傳統廓形打磨方式。打磨前后實測廓形與設計廓形最大偏差量見表1。

表1 打磨前后實測廓形與設計廓形最大偏差量

由表1 可知：①個性化廓形打磨前各測點與設計廓形最大偏差量均值為0.89 mm，不同里程鋼軌左右股最大偏差量差值最大值為0.45 mm，相鄰兩里程鋼軌最大偏差量差值最大值為0.18 mm。②個性化廓形打磨后各測點與設計廓形偏差量均值為0.10 mm，較打磨前降低88.76%，不同里程鋼軌左右股最大偏差量差值最大值為0.06 mm，較打磨前降低86.67%，相鄰兩里程鋼軌最大偏差量差值最大值為0.07 mm，較打磨前降低61.11%。③傳統廓形打磨前各測點與設計廓形偏差量均值為0.90 mm，不同里程鋼軌左右股最大偏差量差值最大值為0.29 mm，相鄰兩里程鋼軌最大偏差量差值最大值為0.59 mm。④傳統廓形打磨后各測點與設計廓形偏差量均值為0.71 mm，較打磨前降低21.11%，不同里程鋼軌左右股最大偏差量差值最大值為0.17 mm，較打磨前降低41.38%，相鄰兩里程鋼軌最大偏差量差值最大值為0.15 mm，較打磨前降低74.58%。

個性化廓形打磨后，各測點與設計廓形偏差量均值及不同里程鋼軌左右股、相鄰兩里程鋼軌最大偏差量減小更為明顯，鋼軌廓形一致性得到更好改善。

2 輪軌接觸幾何特性分析

2.1 車輪踏面廓形

通過對報警列車車輪進行測量，采用算術平均法［15］選取代表性磨耗車輪踏面進行分析。與全新S1002CN 車輪廓形對比可知，報警列車車輪踏面磨耗深度為0.61 mm，輪緣磨耗深度為4.1 mm，見圖1。

圖1 全新車輪與磨耗車輪對比

2.2 輪軌接觸等效錐度

等效錐度是描述輪軌接觸幾何特征的重要指標之一［16］。采用 UIC519［17］計算兩種方式打磨前后鋼軌廓形與全新車輪踏面及實測磨耗車輪踏面匹配的名義等效錐度，結果見圖2。可知：鋼軌與磨耗車輪接觸時等效錐度大于全新車輪；通過個性化廓形打磨后輪軌接觸等效錐度均顯著減小，但通過傳統廓形打磨后輪軌接觸等效錐度未有明顯變化；在里程K472 處，磨耗車輪與打磨后鋼軌接觸等效錐度大于磨耗車輪與打磨前鋼軌接觸等效錐度。

圖2 兩種方式打磨前后等效錐度變化

隨著車輪磨耗逐漸增加，輪軌接觸等效錐度逐漸增加，較大的等效錐度容易導致列車橫向失穩［18］。通過個性化廓形打磨，可以有效減小輪軌接觸等效錐度，改善列車運行平穩性。

3 動力學仿真分析

3.1 車輛-軌道-路基耦合模型建立

依據動車組懸掛參數，在動力學軟件中建立380B型動車組車輛精細模型［19］。考慮車體轉向架橫向、豎向、側滾、點頭、搖頭運動以及輪對橫向、豎向、側滾、搖頭運動，包括 1 個車體、2 個構架、4 條輪對和 8 個軸箱總計15 個剛體。其中，車體、構架、輪對各有6 個自由度，軸箱相對輪對有1 個轉動自由度，共有50 個自由度。

根據梁的相關理論［20］，左側和右側的兩股鋼軌可以考慮成具有垂向、橫向運動自由度的由離散彈性點支承的無限長歐拉梁模型，并考慮鋼軌的垂向、橫向振動和扭轉振動。軌道下部結構采用有限元結構，以國產CRTSⅢ型無砟軌道為研究對象。有限元模型考慮路基上部對系統振動的影響。利用模態綜合法導入動力學軟件中，建立車輛-軌道剛柔耦合動力學模型，見圖3。同時，在鋼軌模型上每隔一段距離設定獨立的力元，間距0.63 m。扣件參數參考WJ-8 型扣件，扣件垂向剛度取35 kN/mm，橫向剛度取50 kN/mm，扣件阻尼取75 kN·s/m。仿真距離200 m，積分步長5 × 10-4s，研究運行速度 250、300、350、400 km/h 時列車動力學特性。

圖3 車輛-軌道-路基耦合動力學模型

3.2 輪軌接觸動力學分析

列車通過高速鐵路兩種方式打磨區域時全新車輪、磨耗車輪與打磨前后鋼軌接觸的輪軌最大橫向力見圖4。可知：隨著列車運行速度的提高，輪軌最大橫向力呈現增大趨勢。通過個性化鋼軌廓形打磨后，鋼軌與全新車輪接觸時輪軌最大橫向力顯著減小。當運行速度為250 km/h 時減小百分比最大，為85.18%；當運行速度為400 km/h 時減小百分比最小，為80.64%。同時，鋼軌與磨耗車輪接觸時輪軌最大橫向力也顯著減小。當運行速度為300 km/h 時減小百分比最大，為55.92%；當運行速度為400 km/h 時減小百分比最小，為16.49%。通過傳統廓形打磨后，當速度為250 km/h 時，鋼軌與全新車輪及磨耗車輪接觸時輪軌最大橫向力較小，但隨著速度的增加，打磨后鋼軌與全新車輪及磨耗車輪接觸時輪軌最大橫向力均較打磨前有所增大。故通過個性化鋼軌廓形打磨后鋼軌與全新車輪及磨耗車輪接觸的輪軌最大橫向力均顯著減小，列車運行橫向穩定性均得到較好改善。

圖4 兩種方式打磨前后輪軌最大橫向力變化曲線

列車通過高速鐵路兩種方式打磨區域時全新車輪、磨耗車輪與打磨前后鋼軌接觸的輪軌最大磨耗功見圖5。可知：隨著列車運行速度的提高，輪軌最大磨耗功呈現增大趨勢。通過個性化鋼軌廓形打磨后，鋼軌與全新車輪接觸時輪軌最大磨耗功顯著減小。當運行速度為250 km/h 時減小百分比最大，為98.28%；當運行速度為400 km/h 時減小百分比最小，為95.92%。同時，鋼軌與磨耗車輪接觸時輪軌最大磨耗功也顯著減小。當運行速度為400 km/h 時減小百分比最大，為61.12%；當運行速度為250 km/h 時減小百分比最小，為14.58%。通過傳統廓形打磨后，在不同速度下打磨前后鋼軌與全新車輪及磨耗車輪接觸時輪軌最大磨耗功變化不大。故通過個性化鋼軌廓形打磨后鋼軌與全新車輪及磨耗車輪輪軌接觸最大磨耗功均顯著減小，輪軌磨耗得到較好改善。

圖5 兩種方式打磨前后輪軌最大磨耗功變化曲線

列車通過高速鐵路兩種方式打磨區域時全新車輪、磨耗車輪與打磨前后鋼軌接觸的輪軌最大脫軌系數見圖6。可知，隨著列車運行速度的提高，輪軌最大脫軌系數呈現增大趨勢。通過個性化鋼軌廓形打磨后，鋼軌與全新車輪接觸時輪軌最大脫軌系數顯著減小。當運行速度為400 km/h時減小百分比最大，為81.78%；當運行速度為250 km/h 時減小百分比最小，為71.84%。同時，鋼軌與磨耗車輪接觸時輪軌最大脫軌系數也顯著減小。當運行速度為350 km/h 時減小百分比最大，為49.04%；當運行速度為400 km/h 時減小百分比最小，為26.84%。通過傳統廓形打磨后，在不同速度下打磨前后鋼軌與全新車輪及磨耗車輪接觸時輪軌最大脫軌系數變化不大。故通過個性化鋼軌廓形打磨后鋼軌與全新車輪、磨耗車輪輪軌接觸最大脫軌系數均顯著減小，列車運行安全性得到提升。

圖6 兩種方式打磨前后輪軌最大脫軌系數

3.3 轉向架構架動力學特性

列車通過高速鐵路兩種方式打磨區域，全新車輪、磨耗車輪與打磨前后鋼軌接觸時轉向架構架最大橫向加速度見圖7。可知，隨著列車運行速度的提高，構架最大橫向加速度呈現增大趨勢。通過個性化鋼軌廓形打磨后，鋼軌與全新車輪接觸時構架最大橫向加速度顯著減小。當運行速度為250 km/h 時減小百分比最大，為84.31%；當運行速度為400 km/h 時減小百分比最小，為77.57%。同時，鋼軌與磨耗車輪接觸時構架最大橫向加速度也顯著減小。當運行速度為300 km/h 時構架最大橫向加速度減小百分比最大，為41.03%；當運行速度為250 km/h時構架最大橫向加速度減小百分比最小，為35.92%。通過傳統鋼軌廓形打磨后，鋼軌與全新車輪接觸時構架最大橫向加速度顯著減小。當運行速度為300 km/h 時減小百分比最大，為20.90%；當運行速度為400 km/h 時減小百分比最小，為17.49%。但鋼軌與磨耗車輪接觸時構架最大橫向加速度未有明顯改善變化。故通過個性化鋼軌廓形打磨后，列車轉向架橫向穩定性得到更為顯著的改善。

圖7 兩種方式打磨前后轉向架構架最大橫向加速度

3.4 車體動力學特性

列車通過高速鐵路兩種方式打磨區域，全新車輪、磨耗車輪與打磨前后鋼軌接觸時車體最大橫向加速度，見圖8。可知：隨著列車運行速度的提高，車體最大橫向加速度呈現增大趨勢。通過個性化鋼軌廓形打磨后，鋼軌與全新車輪接觸時車體最大橫向加速度顯著減小。當運行速度為250 km/h 時減小百分比最大，為83.32%；當運行速度為400 km/h 時減小百分比最小，為72.32%。鋼軌與磨耗車輪接觸時車體最大橫向加速度也顯著減小。當運行速度為400 km/h時車體最大橫向加速度減小百分比最大，為28.53%；當運行速度為250 km/h 時車體最大橫向加速度減小百分比最小，為10.27%。通過傳統鋼軌廓形打磨后，鋼軌與全新車輪接觸時車體最大橫向加速度減小。當運行速度為250 km/h 時減小百分比最大，為5.89%；當運行速度為400 km/h時減小百分比最小，為1.55%。但鋼軌與磨耗車輪接觸時車體最大橫向加速度未有明顯改善。故通過個性化鋼軌廓形打磨后，列車車體橫向穩定性得到更為顯著的提升。

圖8 兩種方式打磨前后車體最大橫向加速度

4 現場實測數據分析

4.1 實時添乘數據分析

工務部門采用RVT-8 平穩性測試儀實時添乘測量報警列車車尾通過高速鐵路兩種方式打磨區域時車體橫向加速度，結果見圖9。

圖9 兩種方式打磨前后添乘列車車體橫向加速度

由圖9 可知：個性化鋼軌廓形打磨前實測車體橫向加速度最大值為0.094g，打磨后橫向加速度最大值降至0.028g，降低69.68%；傳統鋼軌廓形打磨前實測車體橫向加速度最大值為0.107g，打磨后車體橫向加速度最大值降至0.077g，降低28.04%。故個性化廓形打磨后實時添乘測得列車車尾車體橫向加速度降低更為明顯。

4.2 動檢車數據分析

動檢車通過高速鐵路兩種方式打磨區域時車體橫向加速度見圖10。可知：實施個性化廓形打磨前車體最大橫向加速度為0.056g，打磨后車體橫向加速度降至0.024g，降低57.14%；實施傳統廓形打磨前車體最大橫向加速度為0.041g，打磨后車體橫向加速度降至0.032g，降低21.95%。故個性化廓形打磨后動檢車測得的車體橫向加速度降低更為明顯。

圖10 兩種方式打磨前后動檢車車體橫向加速度

5 結論

1）相較于傳統廓形打磨，通過個性化廓形打磨，鋼軌左右股及相鄰兩里程鋼軌偏差量顯著減小，鋼軌平順性得到提升，輪軌接觸等效錐度得到明顯優化。

2）建立車輛-軌道-路基剛柔耦合動力學模型仿真計算可知，在不同行駛速度下，相較于傳統廓形打磨，個性化廓形打磨后鋼軌與全新車輪及磨耗車輪接觸的輪軌最大橫向力、最大磨耗功及最大脫軌系數均顯著減小，同時列車轉向架構架、車體最大橫向加速度均顯著降低，列車運行安全性及穩定性改善較為明顯。

3）相較于傳統廓形打磨，個性化廓形打磨后現場添乘列車車尾最大橫向加速度及動檢車車體最大橫向加速度較打磨前均顯著減小，進一步表明個性化廓形打磨更有利于改善動車組動力學性能。