道岔鋼軌打磨對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)影響分析

李 偉

（深圳地鐵運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著我國(guó)鐵路向高速、重載方向發(fā)展，輪軌不可避免地會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨耗問(wèn)題，直接惡化輪軌關(guān)系，影響車輛運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性及舒適性，甚至?xí)斐蓢?yán)重的行車安全事故[1]。

目前主要通過(guò)鋼軌打磨手段調(diào)整鋼軌廓形，消除鋼軌表面病害以改善輪軌關(guān)系，延緩輪軌磨耗，進(jìn)而延長(zhǎng)鋼軌服役壽命[2]。楊宗超等人通過(guò)仿真計(jì)算研究了鋼軌廓形打磨對(duì)車輛通過(guò)小曲率半徑線路的動(dòng)力學(xué)影響[3]；李貴宇等人研究了不同打磨模式對(duì)高速動(dòng)車組運(yùn)行性能的影響，提出一個(gè)鋼軌打磨限值廓形[4]；王軍平等人基于輪軌接觸特性提出多指標(biāo)鋼軌廓形打磨優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，改善了軌面疲勞損傷與波磨[5]；李立等人基于車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)提出一種針對(duì)小半徑曲線非對(duì)稱打磨廓形的設(shè)計(jì)方法，改善了列車小半徑曲線動(dòng)力學(xué)性能[6]。

本文以道岔鋼軌為研究對(duì)象，建立了車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值仿真分析打磨效果對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)的影響。

1 鋼軌打磨實(shí)施

圖1所示為湖航高鐵下行線道岔鋼軌打磨前后鋼軌表面，采用北京同和時(shí)代MS-10C實(shí)施鋼軌打磨，實(shí)際打磨速度為1.2 km/h，打磨功率70%，打磨后鋼軌打磨質(zhì)量采用鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)（Grinding Quality Index，GQI）評(píng)價(jià)，其具體計(jì)算公式為：

圖1 鋼軌打磨前后表面情況

式中：K1、K2為權(quán)重系數(shù)；GD為鋼軌廓形法向偏差指數(shù)；GA為面值偏差指數(shù)。

圖2給出了鋼軌打磨前后幾何廓形圖，可以看出實(shí)施打磨后的鋼軌幾何廓形較打磨前更加平滑，消除了幾何凸起及尖角等問(wèn)題，采用公式（1）計(jì)算出的質(zhì)量指數(shù)為93.1，打磨質(zhì)量良好。

圖2 鋼軌打磨前后幾何廓形

2 輪軌動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

根據(jù)車輛系統(tǒng)參數(shù)采用Simpack構(gòu)建車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，具體如圖3所示。所建模型由1個(gè)車體和2個(gè)轉(zhuǎn)向架組成，轉(zhuǎn)向架由1個(gè)構(gòu)架、2個(gè)輪對(duì)、4個(gè)軸箱組成，其中輪對(duì)與構(gòu)架通過(guò)一系懸掛連接，轉(zhuǎn)向架與車體通過(guò)二系懸掛連接。

圖3 車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2.1 輪軌幾何接觸分析

為研究道岔鋼軌打磨前后輪軌幾何接觸關(guān)系，取軌距1 435 mm，軌底坡1/40，采用跡線法計(jì)算了鋼軌打磨前后輪對(duì)左右橫移12 mm范圍內(nèi)接觸點(diǎn)分布，其幾何接觸關(guān)系如圖4所示。可以看出打磨后輪軌接觸點(diǎn)分布寬度較鋼軌打磨前的輪軌接觸點(diǎn)分布更加均勻，輪軌發(fā)生磨耗的范圍更寬，減少了輪軌觸應(yīng)力集中等問(wèn)題，降低了輪軌滾動(dòng)接觸疲勞失效概率。

圖4 鋼軌打磨前后輪軌接觸點(diǎn)分布

2.2 車輪橫向力

合理的輪軌接觸橫向力可以引導(dǎo)車輪轉(zhuǎn)向，便于車輛通過(guò)小半徑曲線。但過(guò)大的橫向力將引起輪軌劇烈磨損，加劇輪軌疲勞，甚至?xí)l(fā)車輛脫軌，因此必須合理控制輪軌橫向力。圖5比較了鋼軌打磨前后輪軌橫向力，打磨后輪軌橫向力較打磨前明顯下降，打磨前輪軌橫向力最大值達(dá)到28.9 kN，而打磨后輪軌橫向力最大值為24 kN，輪軌橫向力下降了16.95%。

圖5 鋼軌打磨前后車輪橫向力

2.3 輪軌磨耗指數(shù)

輪軌磨耗指數(shù)用于衡量輪軌服役過(guò)程中的輪軌磨耗程度，輪軌磨耗指數(shù)越大，則輪軌磨耗越嚴(yán)重，反之輪軌磨耗程度越小，其計(jì)算方法如式（2）所示：

式中：FX、ζ、FY、ξ分別為縱向蠕滑力、縱向蠕滑距離、橫向蠕滑力及橫向蠕滑距離。

圖6比較了鋼軌打磨前后輪軌磨耗指數(shù)，可以看出車輛運(yùn)行在鋼軌打磨前線路中的輪軌磨耗指數(shù)較高，而打磨后輪軌磨耗指數(shù)較低，較打磨前平均降低了11.61%。

圖6 鋼軌打磨前后輪軌磨耗指數(shù)

2.4 脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)是衡量軌道車輛運(yùn)行安全性的重要指標(biāo)之一，其值由輪軌橫向力與垂向力的比值所確定。圖7所示為鋼軌打磨前后脫軌系數(shù)圖，可以看出打磨后的脫軌系數(shù)較打磨前小，打磨前脫軌系數(shù)最大值為0.43，打磨后脫軌系數(shù)最大值為0.39，脫軌系數(shù)降低了10.26%。根據(jù)《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》（GB 5599—85），打磨后脫軌系數(shù)符合安全裕度標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 鋼軌打磨前后脫軌系數(shù)

3 結(jié)論

本文通過(guò)建立車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，研究了鋼軌打磨對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響，主要結(jié)論如下：

（1）車輛通過(guò)打磨后的道岔鋼軌線路時(shí)，輪軌橫向力減小，較打磨前平均下降了16.95%，脫軌系數(shù)較打磨前下降了10.26%，提升了車輛道岔通過(guò)性能。

（2）道岔鋼軌線路打磨后，輪軌磨耗指數(shù)下降，平均下降了11.61%，延緩了輪軌接觸磨耗，延長(zhǎng)了輪軌服役壽命。