機(jī)車輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)過渡段設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)分析

陸鳳岐 張長福 盧洋 王英奇 黃博聰

第一作者簡介：陸鳳岐（1994-），男，碩士，助理工程師。研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動(dòng)力學(xué)分析。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.009

摘? 要：機(jī)車輪對(duì)的磨損是影響機(jī)車運(yùn)營穩(wěn)定性的不利因素，該文設(shè)計(jì)的機(jī)車輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測線路是一種新型不駐車檢測機(jī)車輪對(duì)磨損狀態(tài)的專用軌道線路，顯著提高輪對(duì)磨損狀態(tài)的檢測效率。檢測線路軌道間距為1 568 mm，寬于標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，此時(shí)輪對(duì)與軌道正常接觸區(qū)域顯著暴露，便于對(duì)輪對(duì)磨損狀態(tài)進(jìn)行檢測。通過有限元方法模擬機(jī)車通過過渡線路的動(dòng)態(tài)分析，驗(yàn)證該檢測方法的可行性。模擬結(jié)果表明，從軌道強(qiáng)度、軌道變形及輪對(duì)搭載量3個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)，該機(jī)車輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測線路具有較強(qiáng)實(shí)用性，能夠滿足23 t軸重機(jī)車以36 km/h速度安全通過的要求，實(shí)現(xiàn)不駐車情況下對(duì)輪對(duì)磨損狀態(tài)進(jìn)行安全檢測。

關(guān)鍵詞：輪對(duì)磨損；動(dòng)態(tài)檢測；過渡段設(shè)計(jì)；超大軌距；安全檢測

中圖分類號(hào)：U269.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）12-0037-04

Abstract： The wear of locomotive wheelset is an unfavorable factor affecting the stability of locomotive operation. the wheel pair dynamic detection line designed in this paper is a new type of special track line for wheel pair wear state of non-parking tester， which significantly improves the detection efficiency of wheelset wear state. The track spacing of the detection line is 1 568 mm， which is wider than the standard rail gauge 1 435 mm. At this time， the normal contact area between the wheelset and the track is significantly exposed， which is convenient to detect the wear state of the wheelset. The dynamic analysis of the locomotive passing through the transition line is simulated by the finite element method， and the feasibility of the detection method is verified. The simulation results show that from the comprehensive evaluation of track strength， track deformation and wheelset carrying capacity， the wheel of this machine has strong practicability for dynamic detection line， and can meet the requirement of 23 t-axle load locomotive passing safely at 36 km/h speed， and realizes the safety inspection of wheelset wear state without parking.

Keywords： wheelset wear; dynamic detection; transition section design; super rail gauge; safety inspection

當(dāng)重載列車運(yùn)行在鐵路軌道上時(shí)，鋼軌與機(jī)車輪對(duì)踏面長期接觸，踏面磨損是一種必然現(xiàn)象。為了保證其安全地行駛在軌道上就需要對(duì)二者接觸面，也就是輪、軌接觸位置的輪踏面進(jìn)行檢測[1-2]。目前對(duì)輪踏面的檢測方式在運(yùn)維單位仍然采用駐車檢測，即將車體抬升起來之后，讓輪、軌接觸面進(jìn)行暴露，再對(duì)輪子的踏面進(jìn)行檢測，這種檢測方法效率很低，且需要耗費(fèi)大量的人力、物力。

為提高機(jī)車輪對(duì)磨損檢測效率，學(xué)者們提出了動(dòng)態(tài)檢測的概念。高靜濤等[1]調(diào)研了國內(nèi)外的車輪狀態(tài)檢測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)已存在多種方法可以實(shí)現(xiàn)輪對(duì)的動(dòng)態(tài)檢測。任宏偉等[3]提出了一種基于圖像處理的輪對(duì)在線動(dòng)態(tài)檢測方法，有效提高了輪對(duì)檢測的精度。鄭承來[4]針對(duì)現(xiàn)場不同線路曲線進(jìn)行了線型對(duì)比，提出了在軌道曲線線型設(shè)計(jì)中半波形更具有優(yōu)勢。楊成坤[5]設(shè)計(jì)出超大軌距檢測路段，為輪對(duì)踏面動(dòng)態(tài)檢測提供了可行方案。

綜上可知，為了保證機(jī)車順利地從標(biāo)準(zhǔn)軌距軌道進(jìn)入超大軌距檢測軌道，需要設(shè)計(jì)合適的過渡段軌道。本文進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)軌道與檢測段超大軌距間過渡段的開發(fā)設(shè)計(jì)，通過對(duì)輪軌靜態(tài)搭載量計(jì)算及軌道強(qiáng)度分析，驗(yàn)證該機(jī)車輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)的可行性，實(shí)現(xiàn)機(jī)車安全、平緩地從標(biāo)準(zhǔn)軌道過渡至檢測部分軌道[6]。

1? 過渡段線型設(shè)計(jì)

為完成輪踏面的磨損檢測任務(wù)，需要設(shè)置軌距變化過渡段來保證機(jī)車輪對(duì)平穩(wěn)順利地駛?cè)搿Ⅰ偝鰴z測軌道線路。本文設(shè)計(jì)了一種過渡段線路，用來連接標(biāo)準(zhǔn)軌距軌道與大軌距檢測段軌道。在動(dòng)態(tài)檢測線路過渡段設(shè)計(jì)過程中，需要考慮基本軌線型、護(hù)軌線型、軌道布局等問題。輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測線路軌道平面設(shè)計(jì)如圖1所示。車輪損傷動(dòng)態(tài)檢測項(xiàng)目開始時(shí)，列車由AB段標(biāo)準(zhǔn)軌距軌道（軌距為1 435 mm）駛?cè)隑C′段（輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)過渡段軌道），而后駛?cè)隒′D′段輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)軌道進(jìn)行車輪踏面損傷檢測，在C′D′段檢測路段完成車輪踏面損傷檢測后，由D′E段（輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)過渡段軌道）回歸標(biāo)準(zhǔn)軌，從而完成列車的輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測。為保證機(jī)車過渡安全、平順，輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)過渡段軌道（BC′段、D′E段）設(shè)置2段不同線型軌道實(shí)現(xiàn)輪對(duì)導(dǎo)入、導(dǎo)出。其中BC、DE段為輪對(duì)導(dǎo)入、導(dǎo)出區(qū)，CC′、D′D段分別為輪對(duì)待檢區(qū)、輪對(duì)檢出區(qū)。

1.1? 檢測過渡段基本軌道線型設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的檢測過渡段的基本軌道線型由兩部分軌道結(jié)構(gòu)線型組成，第一部分BC段軌道稱為輪對(duì)導(dǎo)入?yún)^(qū)軌道（或?qū)С鰠^(qū)軌道）；第二部分CC'段軌道稱為輪對(duì)待檢區(qū)軌道。第一部分的主要作用是保證輪對(duì)在進(jìn)入檢測軌道的過程中保證平穩(wěn)、安全；第二部分的主要作用是使機(jī)車的輪對(duì)保持正確方向。為保證輪對(duì)在基本軌上過渡平緩，過渡段輪對(duì)導(dǎo)入?yún)^(qū)的基本軌線型為三次曲線—直線—三次曲線的形式。其中，當(dāng)圖1中B點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的情況下，三次曲線方程為y=9.4×10-9x3。過渡段輪對(duì)待檢區(qū)線型采用輪對(duì)導(dǎo)入?yún)^(qū)終點(diǎn)與檢測段軌道起點(diǎn)直線相連的方式進(jìn)行連接。

1.2? 檢測過渡段護(hù)軌線型設(shè)計(jì)

由于軌道過渡段的軌距變化，在駛?cè)霗z測段時(shí)輪對(duì)的晃動(dòng)容易使其掉軌或者卡住。因此，需在輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測線路及過渡段線路上設(shè)置護(hù)軌結(jié)構(gòu)。為避免連接處碰撞，護(hù)軌在輪對(duì)導(dǎo)入?yún)^(qū)進(jìn)行彎折，并設(shè)計(jì)ab段護(hù)軌設(shè)計(jì)為圓弧，設(shè)計(jì)彎曲起始點(diǎn)b與主軌間距最小，輪對(duì)在b點(diǎn)前由主軌導(dǎo)向，在b點(diǎn)后由護(hù)軌導(dǎo)向，b為導(dǎo)向變更點(diǎn)。其中，護(hù)軌設(shè)計(jì)圓弧半徑為9.4×104 mm，護(hù)軌與基本軌相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。

1.3? 過渡段通過性分析

根據(jù)TB 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中內(nèi)容，一個(gè)輪對(duì)的2個(gè)輪緣之間的內(nèi)側(cè)間距為1 353 mm，車輪踏面在橫向的寬度為135 mm。輪對(duì)在過渡段軌道的行駛過程中，其靜態(tài)搭載量（車輪踏面在基本軌上的接觸寬度）在逐漸變小，護(hù)軌的作用就是對(duì)輪對(duì)起到引導(dǎo)（曲線部分作用）并限制輪子與軌道的間距（直線部分作用），由此車輪方可安全通過。當(dāng)車輪輪緣緊緊貼住護(hù)軌時(shí)，通過計(jì)算可求得，檢測線路軌道范圍內(nèi)隨位置變化的靜態(tài)搭載量（不考慮基本軌及護(hù)軌變形）如圖3所示。從圖中可以看出，基本軌上的輪對(duì)其搭載量隨著軌道縱向位置變大而呈現(xiàn)變小趨勢，其最小靜態(tài)搭載量值不出現(xiàn)在過渡段軌道上，而是出現(xiàn)在大軌距檢測軌道與過渡段連接處，數(shù)值為25 mm。根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，容許最小輪對(duì)搭載量為17 mm。說明車輪雖以最不利的方式進(jìn)入，但不會(huì)有掉軌的情況發(fā)生，過渡段設(shè)計(jì)安全。

圖2? 護(hù)軌與基本軌相對(duì)位置關(guān)系圖

圖3? 搭載量變化曲線

2? 檢測線路過渡段軌道動(dòng)態(tài)分析

2.1? 輪軌有限元模型

由于要實(shí)現(xiàn)過渡段軌道的逐漸增大，無法避免其存在眾多部件。為保證結(jié)構(gòu)模型的建立過程中最小化計(jì)算成本，動(dòng)態(tài)檢測軌道及過渡段軌道所有部件采用成本較小的C3D8六面體單元建立。通過網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)體離散，最終離散為134 670個(gè)單元與87 686個(gè)節(jié)點(diǎn)。

仿真采取和諧號(hào)電車中的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行建模分析，HXD3轉(zhuǎn)向架為三軸，軸重為23 t；為保證檢測過渡段可以為重載機(jī)車提供檢測服務(wù)，加設(shè)25 t工況以提高結(jié)構(gòu)適用性；設(shè)置36～57 km/h低車速進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]，不同車速及軸重將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度橫向力，且車速增大橫向荷載也隨之增大。不同荷載工況設(shè)置見表1。

表1? 荷載工況

2.2? 過渡段軌道強(qiáng)度分析

根據(jù)設(shè)置的工況Z1—Z8，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值仿真計(jì)算并分析輪對(duì)在通過過渡段軌道時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果，得到了和諧號(hào)電車（23 t軸重）及重載機(jī)車（25 t軸重）對(duì)過渡段軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化規(guī)律、最大應(yīng)力值及最大應(yīng)力值所出現(xiàn)的位置。

2.2.1? 護(hù)軌強(qiáng)度分析

由于在建模過程中，添加了采用剛性約束的支座結(jié)構(gòu)。因此，支座附近護(hù)軌結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)大于兩相鄰支座間無支撐部分護(hù)軌結(jié)構(gòu)剛度。并隨著輪對(duì)向前滾動(dòng)的同時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的軌距也在隨之增大，與此同時(shí)護(hù)軌發(fā)揮作用，假設(shè)最不利情況（輪對(duì)在晃動(dòng)過程中對(duì)護(hù)軌產(chǎn)生擠壓）下，一側(cè)護(hù)軌緊貼輪緣，另一側(cè)護(hù)軌與輪緣脫離，擠壓側(cè)護(hù)軌出現(xiàn)最大應(yīng)力。數(shù)值計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在兩支座結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的中間部分受擠壓護(hù)軌處。通過與鋼材屈服強(qiáng)度對(duì)比，薄弱處最大應(yīng)力小于鋼材屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全，如圖4所示。

圖4? 車速57 km/h沖擊護(hù)軌最大應(yīng)力Mises云圖

Z1—Z8工況下，輪對(duì)運(yùn)行至護(hù)軌最薄弱處最大Mises應(yīng)力變化情況，且在應(yīng)力最大值653 MPa的Z8工況下，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全，如圖5所示。

圖5? 不同軸重下護(hù)軌最大Mises應(yīng)力折線圖

由圖5可知，在重載機(jī)車25 t軸重下，護(hù)軌應(yīng)力水平明顯高于23 t和諧號(hào)機(jī)車軸重的應(yīng)力水平，且在Z8工況下，護(hù)軌數(shù)值仿真所得應(yīng)力值以非常接近材料的抗拉極限σb（653 MPa），根據(jù)應(yīng)力曲線趨勢，機(jī)車在速度43～57 km/h增加的過程中，應(yīng)力曲線斜率明顯大于速度范圍36～43 km/h增長過程。因此，應(yīng)該將機(jī)車輪對(duì)駛?cè)搿Ⅰ偝鰴z測過渡段時(shí)速控制在較低水平，有助于保障輪對(duì)安全通過檢測段。

2.2.2? 基本軌強(qiáng)度分析

在機(jī)車轉(zhuǎn)向架進(jìn)入檢測過渡段時(shí)，轉(zhuǎn)向架會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則晃動(dòng)，在最不利情況下，一側(cè)車輪貼住護(hù)軌，相應(yīng)的出現(xiàn)另一側(cè)車輪則會(huì)遠(yuǎn)離護(hù)軌，遠(yuǎn)離護(hù)軌一側(cè)的車輪與基本軌的接觸面積增大，從小面積搭接到大面積搭接的變化過程中，基本軌會(huì)承受更大的荷載，Z1—Z8工況下基本軌Mises應(yīng)力如圖6所示。

由圖6可知，在重載機(jī)車25 t軸重下，基本軌應(yīng)力水平明顯高于23 t和諧號(hào)機(jī)車軸重的應(yīng)力水平；隨著車速增加，基本軌應(yīng)力呈平緩上升趨勢，且在Z8工況下，基本軌最大應(yīng)力為187.6 MPa，遠(yuǎn)小于材料的抗拉極限σb，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全。

圖6? 不同軸重下基本軌最大Mises應(yīng)力折線圖

3? 結(jié)論

1）通過對(duì)檢測線路過渡段的靜態(tài)搭載量計(jì)算及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)和諧號(hào)及重載機(jī)車在低速條件下安全駛?cè)搿Ⅰ偝龀筌壘鄼z測段。

2）相比于速度而言，檢測線路過渡段結(jié)構(gòu)對(duì)軸重變化更為敏感。因此，在重載列車通過檢測過渡段時(shí)，應(yīng)通過嚴(yán)格控制車速的方法，保證機(jī)車安全駛?cè)搿Ⅰ偝鰴z測線。

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