鋼軌快速打磨車動力學仿真研究

摘要：為研究鋼軌快速打磨車服役時的動力學性能，建立了考慮打磨小車與大車、磨石與鋼軌之間相互作用的鋼軌快速打磨車模型，并進行動力學仿真分析，得到了該車在直線和曲線上運行時不同作業狀態下的動力學性能。研究表明：鋼軌快速打磨車的大車在自運行、非工作和工作狀態下的臨界速度分別為178 km/h、176 km/h、169 km/h，打磨小車在非工作和工作狀態下的臨界速度分別為145 km/h、119 km/h，均能滿足80 km/h及以上的速度要求。在不同半徑的曲線軌道上運行時，大車和打磨小車的曲線通過性能均隨曲線半徑的增大而提高，且均能滿足標準要求。在不同欠超高量的曲線軌道上運行時，欠超高量越小，打磨小車在作業狀態和非作業狀態下的曲線通過性能越好，作業狀態受欠超高量的影響相較非作業狀態較小，且打磨小車的曲線通過安全性在所研究的超高范圍內均能滿足標準要求。

關鍵詞：鋼軌快速打磨車；車輛動力學；臨界速度；運行安全性

中圖分類號：U270 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.04.005

文章編號：1006-0316 （2024） 04-0027-07

Dynamic Simulation on High-Speed Rail Grinding Vehicle

WANG Zhenyu1，ZHANG Youshi2，YAO Xiaohui2，DONG Long2，WANG Hengyu1

（ 1. State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

2. Sichuan SWJTU Railway Development Co.， Ltd.， Chengdu 610041， China ）

Abstract：In order to study the dynamic performance of the high-speed rail grinding vehicle in service， this paper establishes a model of it， considering the interactions between the grinding sub-vehicle and main vehicle， as well as between the grinding stones and rails. A dynamic simulation analysis is conducted to obtain the dynamic performance of the vehicle under different operational conditions on straight and curved tracks. The research findings indicate that the critical speeds of the main vehicle in self-propelled， non-operational， and operational states are 178 km/h， 176 km/h， and 169 km/h respectively. The grinding sub-vehicle's critical speeds in non-operational and operational states are 145 km/h and 119 km/h respectively， satisfying the speed requirements of 80 km/h or above. When operating on curved tracks with different radii， the curve passing performance of both the main vehicle and the sub-vehicle improves with increasing curve radius， and both meet the standard requirements. When operating on curved tracks with different cant deficiencies， the curve passing performance of the grinding sub-vehicle in both operational and non-operational states is better when the cant deficiency is smaller. The impact of cant deficiency on operational state is relatively smaller than that in the non-operational state. The curve passing safety of the grinding sub-vehicle within the range of the cant deficiencies in this study meets the standard requirements.

Key words：high-speed rail grinding vehicle；vehicle dynamics；critical speed；operational security

鐵路具有運量大、行駛速度快、安全性高、經濟性強等特性[1]，在中國交通運輸行業中的地位越來越高，已逐漸發展成為中國國民經濟的大動脈[2]。在鐵路鋼軌的使用過程中，車輪與鋼軌之間長期的相互作用極易使鋼軌表層產生各類病害和問題[3]，如波磨、裂紋、擦傷、肥邊等[4]。而對鋼軌進行打磨能有效消除鋼軌表面損傷和缺陷、改善輪軌接觸關系[5]、延長鋼軌使用壽命、保障列車運行的安全性和穩定性[6]。隨著鐵路養護技術的發展，通過打磨手段對鋼軌進行養護已成為世界各地鐵路管理部門的共識，并取得了較大的經濟效益[7]。

鋼軌快速打磨車是近年來發展起來的一種用于預防性打磨和預打磨的新型打磨裝備[8-9]。其磨石切削鋼軌的方式與傳統式打磨有較大區別，鋼軌快速打磨車的結構與傳統打磨車也有所不同，因此在進行打磨作業時，磨石及整車的運動、受力均與傳統打磨有較大差異。然而針對鋼軌快速打磨作業時動力學性能的研究在國內外都較為稀少，且均未考慮大車與小車、磨石與鋼軌之間的相互作用帶來的影響。因此，本文通過建立考慮打磨小車與大車、磨石與鋼軌之間相互作用的鋼軌快速打磨車模型并進行動力學仿真，然后結合實際工程應用情況，對鋼軌快速打磨車的動力學進行研究，為安全、高質、高效的鋼軌快速打磨作業提供理論依據。

1 鋼軌快速打磨車動力學建模

鋼軌快速打磨車作業原理如圖1所示。通過驅動裝有打磨小車的快速打磨車在鋼軌上以較高速度運行，使得裝備在打磨小車上的打磨磨石與鋼軌之間產生相對運動和切削力，從而實現對鋼軌的快速打磨[10]。這種打磨方式的作業速度更快，可達60～80 km/h，遠高于傳統的3～16 km/h打磨速度，極大提高了作業效率，使得打磨作業時間安排更為靈活，能夠更好地適應我國鐵路大里程的日常維護工作，具有巨大的工程應用前景[11]。

1.1 整車動力學建模

鋼軌快速打磨車整車模型如圖2所示，主要由一臺大車和一個打磨小車組成。大車由一個車體和兩個轉向架組成，兩個轉向架分別位于車體前后端；打磨小車位于整車縱向中心并

通過牽引拉桿及整體下壓機構與大車車體相連接，其中，整體下壓機構提供鋼軌打磨時的小車整體下壓力，而牽引拉桿提供打磨小車的牽引走行力。

鋼軌快速打磨車有三種作業狀態，分別為自運行狀態、非作業狀態及作業狀態。在自運行狀態下，打磨小車處于被提起狀態；在非作業狀態下，打磨小車放下并承受來自四根油缸的下壓力，但此時磨石支撐梁是提起狀態，磨石與鋼軌不接觸；在作業狀態下，打磨小車放下并承受來自整體下壓機構的下壓力，打磨支撐梁放下并承受來自磨石下壓機構的下壓力，磨石與鋼軌接觸，并在運行過程中對鋼軌產生磨削作用。

考慮到鋼軌快速打磨車多體系統復雜的自身結構特性，為突出研究內容、減少影響較小的因素干擾，按照以下原則進行假設或簡化：

（1）打磨車模型中的結構件，例如車體、軸箱、輪對、轉向架構架、小車構架、打磨支撐梁等作為剛體處理；

（2）車輛系統中的彈簧、減振器、液壓缸等力學元件，均考慮為無質量的彈簧阻尼系統；

（3）考慮軸箱彈簧、牽引拉桿、止擋等部件的非線性剛度特征。

所建立的作業狀態下的鋼軌快速打磨整車的動力學模型如圖3所示。

1.2 打磨小車動力學建模

鋼軌快速打磨小車主要由打磨小車構架、輪對、一系定位裝置、牽引拉桿、打磨小車下壓機構、磨石下壓機構、磨石支撐梁以及磨石等結構組成。打磨小車結構及垂向動力學模型如圖4所示。

為使打磨小車具有一定的曲線通過能力，設計一系定位裝置時對橫向及縱向設置了一定的間隙。間隙范圍內，一系剛度不變，而當位移量達到一定值時，一系定位剛度將快速增大，一系縱向剛度曲線如圖5所示。對牽引拉桿同樣采取了非線性化處理，如圖6所示。對液壓缸進行剛度換算，并將其模擬成彈簧阻尼結構。打磨小車動力學建模主要參數如表1所示。

將磨石考慮成一個圓柱體，不考慮磨石及鋼軌材料的損失，將其導入至多體動力學軟件中，得到磨石與鋼軌之間的接觸模型，如圖7所示。磨石與鋼軌法向接觸理論采用赫茲接觸，切向力采用FASTSIM方法進行計算。

2 鋼軌快速打磨車動力學性能研究

2.1 評價指標

采用動力學評價指標對鋼軌快速打磨車動力學性能進行研究和評定是研究鐵路車輛動力學的常用方法。此快速鋼軌打磨車屬于工務養路機械范疇，適用GB/T 17426－1998標準[12]進行動力學性能評定。本文以臨界速度、脫軌系數和輪軸橫向力為主要研究內容。

（1）臨界速度

讓鋼軌打磨車以一定速度通過有激勵的線路后在平直線路上運行，若輪對橫移量處于收斂和發散的中間態，則定義該通過速度為快速鋼軌打磨車的臨界速度。

（2）脫軌系數

脫軌系數用于鑒定打磨車車輪輪緣在橫向力作用下是否會因逐漸爬上軌頭而脫軌，其公式定義及標準要求為：

（1）

式中： 為爬軌側車輪作用域鋼軌上的垂向力； 為爬軌側車輪作用域鋼軌上的橫向力。

（3）輪軸橫向力

輪軸橫向力的允許限度采用標準為：

H≤ " " " " " " （2）

式中：H為輪軸橫向力； 、 分別為兩側車輪的靜載荷。

在該模型中，根據靜平衡計算得到的車輪靜載荷可得：打磨小車輪對的輪軸橫向力應滿足H≤33.48 kN；大車輪對的輪軸橫向力應滿足H≤41.15 kN。

2.2 直線運行穩定性

由于該鋼軌快速打磨車的大車和小車均采用傳統鐵路輪對，因此，當行駛在直線軌道上時，其大車和打磨小車輪對均容易產生蛇行運動現象，從而影響其運行穩定性。輪對的蛇行運動與車輛的臨界速度密切相關，因此，本文從臨界速度出發，研究鋼軌快速打磨車在直線軌道上運行時的運行穩定性。

讓鋼軌打磨車在自運行狀態下以一定速度通過有激勵的線路后在平直線路上運行，得到大車輪對橫移量隨時間的變化曲線，如圖8所示。可以看出，當速度為178 km/h時，大車輪對橫移量處于發散狀態；當速度為179 km/h時，其橫移量隨時間收斂。這說明在自運行狀態下，鋼軌快速打磨車的大車臨界速度為178 km/h。

采用同樣的方法對非工作狀態、工作狀態下的鋼軌快速打磨車的大車和小車的臨界速度進行計算，得到計算結果如圖9所示。可以看出，在自運行、非工作、工作狀態下，大車臨界速度區別不大，分別為178 km/h、176 km/h、169 km/h，這說明打磨小車與大車之間的相互作用、磨石與鋼軌之間的相互作用會使得大車的蛇形運行穩定性降低，但影響很小。而打磨小車在非工作和工作狀態下的臨界速度分別為145 km/h和119 km/h，這說明打磨小車能夠滿足80 km/h及以上的作業和運行要求。

2.3 曲線通過安全性

研究鋼軌快速打磨車以不同工作狀態通過曲線時的動力學性能，是保障鋼軌快速打磨車在曲線段鋼軌安全運行和工作的前提。

2.3.1 半徑對曲線通過性能的影響

不同曲線半徑下鋼軌快速打磨車大車的曲線通過動力學性能如圖10所示。可以看出，隨著曲線半徑的增大，三種工作狀態的脫軌系數和輪軸橫向力均越來越小，即鋼軌快速打磨車大車的曲線通過安全性隨曲線半徑的增大而提高，且自運行狀態下的曲線通過安全性好于非作業狀態、好于作業狀態，這說明，打磨小車與大車之間的相互作用對大車的影響大于磨石與鋼軌之間相互作用帶來的影響。三種狀態下，大車的脫軌系數和輪軸橫向力最大值分別為0.25和28.86 kN，均遠小于標準[12]規定的限值。

不同曲線半徑下鋼軌快速打磨小車的曲線通過動力學性能如圖11所示。可以看出，隨著曲線半徑的增大，三種工作狀態的脫軌系數和輪軸橫向力均越來越小，即鋼軌快速打磨小車的曲線通過安全性隨曲線半徑的增大而變好，且非作業狀態下的曲線通過安全性好于作業狀態。兩種狀態下，小車的脫軌系數和輪軸橫向力最大值分別為0.35和15.89 kN，均遠小于標準[12]規定的限值。

2.3.2 超高對曲線通過性能的影響

對于一些地鐵線路上的小半徑曲線，由于線路鋪設環境以及特殊用途的安排，有些線路的超高量會設置得相對較小，甚至為0，而鋼軌快速打磨車的作業速度較高，因此有必要研究不同欠超高情況下的打磨車動力學性能。

鋼軌快速打磨車的大車在三種狀態下，曲線欠超高量對其動力學性能的影響如圖12所示，設置曲線半徑為200 m，曲線欠超高量為20～180 mm。可以看出，三種狀態下打磨小車的脫軌系數均隨欠超高量的增大而增大，且自運行狀態下的曲線通過安全性好于非作業狀態好于作業狀態。

鋼軌快速打磨小車在作業狀態和非作業狀態下，曲線欠超高量對其動力學性能的影響如圖13所示。可以看出，兩種狀態下打磨小車的脫軌系數均隨欠超高量的增大而增大，且當欠超高量由20 mm增大到180 mm時，作業狀態下打磨小車的脫軌系數從0.220提高到0.262，增加了19.1%，非作業狀態下打磨小車的脫軌系數從0.208提高到0.256，增加了23.1%，這說明作業狀態的脫軌系數受欠超高量的影響較小。打磨小車的輪軸橫向力隨欠超高量的增大而增大，且當欠超高量由20 mm增大到180 mm時，作業狀態下打磨小車輪軸橫向力從6.7 kN提高到11.7 kN，增加了74.5%，非作業狀態下打磨小車輪軸橫向力從5.5 kN提高到12.5 kN，增加了128.1%，這說明作業狀態的輪軸橫向力受欠超高量的影響較小。

兩種狀態下打磨小車的脫軌系數和輪軸橫向力最大值分別為0.25和12.5 kN，均遠小于標準[12]規定的限值，這說明在欠超高量為20～

180 mm時，作業狀態和非作業狀態下的打磨小車均有較好的安全性。

3 結論

本文首先建立了考慮打磨小車與大車、磨石與鋼軌之間相互作用的鋼軌快速打磨車模型，然后基于該模型對鋼軌快速打磨車的動力學性能進行了分析，得到鋼軌快速打磨車在直線和曲線上運行時不同作業狀態下的動力學性能，得出以下結論：

（1）鋼軌快速打磨車的大車在自運行、非工作、工作狀態下，臨界速度分別為178 km/h、176 km/h、169 km/h；打磨小車在非工作、工作狀態下，臨界速度分別為145 km/h、119 km/h，均滿足80 km/h及以上的作業和運行速度要求。

（2）在不同半徑曲線軌道上運行時，大車和小車在不同作業狀態下的安全性均滿足標準要求。大車和小車的曲線通過安全性均隨曲線半徑的增大而提高，且打磨小車與大車之間的相互作用對大車的曲線通過安全性的影響大于磨石與鋼軌之間接觸帶來的影響。

（3）在不同欠超高量的曲線軌道上運行時，打磨小車在作業和非作業狀態下的安全性均滿足標準要求，且欠超高量越小，打磨小車在作業狀態和非作業狀態下的曲線通過安全性越好。

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