鋼軌打磨對(duì)小半徑曲線車輛動(dòng)力學(xué)特性分析

楊逸航

(中鐵物軌道科技服務(wù)集團(tuán)有限公司， 北京 100036)

隨著鐵路交通運(yùn)輸?shù)娘w躍式發(fā)展，輪軌之間的磨損問(wèn)題越發(fā)顯著，其中主要包括鋼軌剝離、疲勞裂紋、塑性流變、波狀磨損等[1]，嚴(yán)重影響著行車的安全和穩(wěn)定。鋼軌打磨是解決以上問(wèn)題的有效策略之一，鋼軌打磨可以有效地優(yōu)化鋼軌廓形，改善輪軌接觸關(guān)系，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命、改善列車運(yùn)行性能[2]。

郭戰(zhàn)偉[3]基于對(duì)輪軌蠕滑形成機(jī)理的研究，提出應(yīng)通過(guò)鋼軌打磨消除或減弱輪軌蠕滑，達(dá)到延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的目的。任娟娟[4]選取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際打磨后的輪軌廓形，建立輪軌有限元模型并進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明打磨后輪軌接觸狀態(tài)得到改善；金學(xué)松[5]論述了鋼軌打磨技術(shù)與輪軌接觸疲勞傷損之間的關(guān)系，建立了優(yōu)化打磨模型；王軍平[6]對(duì)個(gè)性化鋼軌廓形打磨方法進(jìn)行了闡述，并結(jié)合實(shí)際案例對(duì)不同線路實(shí)施廓形打磨后的效果進(jìn)行了分析。

依據(jù)中國(guó)鐵路總公司鄭州局管內(nèi)某條線路打磨現(xiàn)狀，選取2條磨損較為嚴(yán)重的小半徑曲線鋼軌作為研究對(duì)象，鋼軌曲線A(簡(jiǎn)稱：曲線A)里程為上行K627+400～K628+400，半徑為500 m；鋼軌曲線B(簡(jiǎn)稱：曲線B)里程為上行K634+800～K635+800，半徑為500 m?；趍ininprof鋼軌廓形儀分別測(cè)量得到打磨前后曲線A及曲線B處曲中鋼軌廓形，進(jìn)行個(gè)性化打磨方案設(shè)計(jì)，并對(duì)輪軌接觸幾何特性進(jìn)行分析，隨后采用多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立車輛-軌道多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，研究車輛通過(guò)打磨前后曲線A及曲線B時(shí)車輛動(dòng)力學(xué)特性。

1 現(xiàn)場(chǎng)打磨情況

1.1 打磨方案設(shè)計(jì)

圖1為曲線A及曲線B中曲線中間處鋼軌實(shí)測(cè)廓形，與設(shè)計(jì)廓形相比可知，曲線A及曲線B左股外側(cè)均高于設(shè)計(jì)廓形，曲線A及曲線B右股內(nèi)外側(cè)均高于設(shè)計(jì)廓形，已經(jīng)形成馬鞍形磨耗。且通過(guò)波磨儀檢測(cè)可知，波磨深度均為0.7 mm，波長(zhǎng)為350 mm。

由于打磨車打磨角度分布如圖2所示，計(jì)算得到實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形不同角度偏差量，如圖3所示，曲線A左股非工作邊高于設(shè)計(jì)廓形約1.2 mm，工作邊與設(shè)計(jì)廓形較為吻合，曲線A右股非工作邊高于設(shè)計(jì)廓形約1.5 mm，工作邊高于設(shè)計(jì)廓形約1.7 mm，根據(jù)大機(jī)切削能力，曲線A廓形打磨至設(shè)計(jì)廓形需要8遍。曲線B左股非工作邊高于設(shè)計(jì)廓形約1.3 mm，工作邊與設(shè)計(jì)廓形較為吻合，曲線B右股非工作邊高于設(shè)計(jì)廓形約0.7 mm，工作邊高于設(shè)計(jì)廓形約1.3 mm，根據(jù)大機(jī)切削能力，曲線B廓形打磨至設(shè)計(jì)廓形需要6遍。打磨至設(shè)計(jì)廓形之后，由于曲線A及曲線B軌面存在波磨約為0.7 mm，需要4遍波磨模式對(duì)軌面波磨及掉塊進(jìn)行處理。通過(guò)廓形打磨，曲線A及曲線B曲中測(cè)點(diǎn)處左股鋼軌非工作邊降低，右股鋼軌馬鞍形磨耗得到較好處理。

圖1 實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形對(duì)比

圖2 打磨角度分布

圖3 實(shí)測(cè)廓形與設(shè)計(jì)廓形偏差量

1.2 軌面狀態(tài)變化

鋼軌軌面狀態(tài)是衡量鋼軌廓形打磨質(zhì)量主要指標(biāo)，圖4、圖5分別為曲線A及曲線B中曲線中間處鋼軌打磨前后軌面狀態(tài)變化，由圖可知，打磨前曲線A及曲線B左右股軌面剝離掉塊及波磨均較為嚴(yán)重，軌面掉塊及波浪形磨耗將加大車輛運(yùn)行垂向及橫向振動(dòng)，影響車輛運(yùn)行平穩(wěn)性[7]。通過(guò)廓形打磨，軌面剝離掉塊及波磨均得到較好整治。

圖4 曲線A打磨前后軌面狀態(tài)變化

1.3 鋼軌質(zhì)量系數(shù)變化

鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI是鐵路工務(wù)系統(tǒng)衡量鋼軌質(zhì)量的重要指標(biāo)，TQI值越小表示鋼軌質(zhì)量越好。圖6為打磨前后鋼軌質(zhì)量系數(shù)TQI變化折線圖，由圖可知，通過(guò)廓形打磨，曲線A及曲線B鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI均有顯著下降，曲線A里程為上行K627+400～K628+400，曲線A在里程為K627+800處鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI下降最大，為32.40%，曲線B里程為上行K634+800～K635+800，曲線B在里程為K634+800處鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI下降最大，為23.49%。

圖5 曲線B打磨前后軌面狀態(tài)變化

圖6 打磨前后軌道質(zhì)量指數(shù)TQI變化

2 輪軌接觸幾何分析

2.1 等效錐度變化

輪軌接觸幾何關(guān)系對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)特性影響很大，等效錐度是輪軌幾何接觸中的重要參數(shù)[8]。圖7是采用諧波法計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)LMA車輪型面和鋼軌廓形匹配后的等效錐度曲線，由圖可知，曲線A中曲線中間測(cè)點(diǎn)處等效錐度隨著橫移量增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，打磨前橫移量為7 mm時(shí)，等效錐度為0.023，隨后等效錐度急劇增大，當(dāng)橫移量為10 mm時(shí)，等效錐度達(dá)到最大值，為0.23；曲線B中曲線中間測(cè)點(diǎn)處等效錐度隨著橫移量增大，先減小后增大，曲中測(cè)點(diǎn)處打磨前橫移量為1 mm時(shí)，等效錐度為0.23，當(dāng)橫移量為8 mm時(shí)，等效錐度降到最低值，為0.11，隨后等效錐度急劇增大，當(dāng)橫移量為10 mm時(shí)，等效錐度達(dá)到最大值，為0.23。根據(jù)kingel原理，在橫向跨距和滾動(dòng)圓半徑保持一定的情況下，等效錐度增大，轉(zhuǎn)向架蛇行運(yùn)動(dòng)頻率增加，蛇行運(yùn)動(dòng)波長(zhǎng)降低，車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性下降。對(duì)曲線A及曲線B進(jìn)行打磨處理后，均起到很好的降低等效錐度的作用，等效錐度最大值在0.15以下，列車運(yùn)行穩(wěn)定性得到改善。

圖7 打磨前后等效錐度變化

2.2 輪軌接觸點(diǎn)變化

圖8是輪軌接觸點(diǎn)分布圖，從輪軌接觸點(diǎn)分布圖可直觀地看到打磨前后輪軌的接觸點(diǎn)位置和布置情況。由圖7可知，打磨前曲線A及曲線B左股接觸區(qū)域均較小，右股形成較為明顯的3點(diǎn)接觸，通過(guò)廓形打磨，曲線A及曲線B左右股接觸區(qū)域增大，接觸相對(duì)打磨前更加均勻，且右股3點(diǎn)接觸得到較好處理。

圖8 打磨前后輪軌接觸點(diǎn)分布圖

3 車輛-軌道多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

依據(jù)車輛懸掛參數(shù)，在動(dòng)力學(xué)軟件UM中建立車輛精細(xì)模型。模型充分考慮非線性輪軌接觸幾何關(guān)系、非線性輪軌蠕滑特性及非線性車輛懸掛系統(tǒng)。列車運(yùn)行速度設(shè)為60 km/h，曲線A及曲線B均為500 m小半徑曲線，全長(zhǎng)1 000 m，曲線超高為120 mm，打磨前波磨深度均為0.7 mm，波長(zhǎng)為350 mm，鋼軌廓形分別選用打磨前后曲線A及曲線B中曲線中間處測(cè)量得到廓形。建立得到車輛-軌道多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，箭頭方向?yàn)檐囕v行駛方向，如圖9所示。

圖9 車輛-軌道多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

4 輪軌滾動(dòng)接觸特性分析

車輛行進(jìn)方向左側(cè)與鋼軌接觸車輪由運(yùn)行方向前至后定義為1位車輪、2位車輪、3位車輪、4位車輪，列車行進(jìn)方向右側(cè)與鋼軌接觸車輪由運(yùn)行方向前至后定義為5位車輪、6位車輪、7位車輪、8位車輪，列車通過(guò)圓曲線時(shí)，對(duì)1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)輪軌間滾動(dòng)接觸特性進(jìn)行分析。

4.1 縱向蠕滑特性分析

圖10為車輛通過(guò)曲線A及曲線B時(shí)車輪接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率最大值變化圖，由圖可知，通過(guò)廓形打磨，1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)接觸斑內(nèi)縱向蠕滑率最大值均有顯著降低，當(dāng)1位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)縱向蠕滑率最大值降低最為明顯，分別減小55.72%、79.06%。

圖10 打磨前后縱向蠕滑率最大值變化

4.2 橫向蠕滑特性分析

圖11為車輛通過(guò)曲線A及曲線B時(shí)車輪接觸斑內(nèi)橫向蠕滑率最大值變化圖，由圖可知，通過(guò)廓形打磨，1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)接觸斑內(nèi)橫向蠕滑率最大值均有顯著降低，當(dāng)3位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)橫向蠕滑率最大值降低最為明顯，分別減小77.93%、84.51%。

圖11 打磨前后橫向蠕滑率最大值變化

4.3 磨耗特性分析

由于車輪鋼軌間磨耗的原理非常復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界尚未對(duì)輪軌磨耗的評(píng)定指標(biāo)提出統(tǒng)一的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。UM軟件中根據(jù)蠕滑速度和蠕滑力定義磨耗功率的表達(dá)式：

Mwear=-F1x·v1x-F1y·v1y

式中，F(xiàn)1x，F(xiàn)1y是車輪的橫向與縱向蠕滑力，v1x，v1y是橫向與縱向的蠕滑速度，Mwear的單位為：W。磨耗功率數(shù)值愈大，則車輪鋼軌間的磨損程度便會(huì)加劇。

圖12為車輛通過(guò)曲線A及曲線B時(shí)車輪接觸斑內(nèi)磨耗功最大值變化圖，由圖可知，通過(guò)廓形打磨，1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)接觸斑內(nèi)磨耗功最大值均有顯著降低，當(dāng)6位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)磨耗功最大值降低最為明顯，分別減小79.28%、85.77%。故通過(guò)鋼軌廓形打磨，輪軌間磨耗功減小，輪軌磨耗得到較好的改善。

5 車輛運(yùn)行安全平穩(wěn)性分析

5.1 安全性分析

輪重減載率是判斷車輛運(yùn)行安全性主要指標(biāo)之一[9]，輪重減載率安全限定值為0.9，輪重減載率越小表明車輛運(yùn)行安全性越高。圖13為車輛通過(guò)曲線A及曲線B時(shí)車輪輪重減載率最大值變化圖，由圖可知，通過(guò)廓形打磨，1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)輪重減載率最大值均有顯著降低，當(dāng)1位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)輪重減載率最大值降低最為明顯，分別減小94.74%、89.77%。故通過(guò)鋼軌廓形打磨，車輛運(yùn)行安全性得到提升。

圖12 打磨前后磨耗功最大值變化

圖13 打磨前后輪重減載率最大值變化

5.2 平穩(wěn)性分析

加速度是衡量車輛平穩(wěn)性及振動(dòng)特性的重要指標(biāo)[10]，車輛振動(dòng)會(huì)影響到乘客的舒適度和運(yùn)輸貨物的完整性。圖14為車輛通過(guò)曲線A及曲線B時(shí)車體橫向/垂向加速度時(shí)域變化圖，由圖可知，打磨前由于軌面不平順，軌面波磨及掉塊較為嚴(yán)重，曲線A及曲線B垂向/橫向加速度頻率及幅值變化較大，通過(guò)廓形打磨，軌面波磨及掉塊得到較好處理，車輛通過(guò)曲線A及曲線B垂向/橫向加速度得到顯著改善，且車輛通過(guò)曲線A及曲線B時(shí)車體橫向/垂向加速度最大值分別減小46.74%/80.04%、46.33%/78.96%。通過(guò)廓形打磨可以較好改善車輛運(yùn)行平穩(wěn)性。

圖14 打磨前后車體垂向/橫向加速度變化

6 結(jié) 論

(1)曲線A及曲線B打磨前左股外側(cè)均高于設(shè)計(jì)廓形，曲線A及曲線B右股內(nèi)外側(cè)均高于設(shè)計(jì)廓形，已經(jīng)形成馬鞍形磨耗。根據(jù)曲線A及曲線B打磨前廓形與設(shè)計(jì)廓形偏差量，曲線A及曲線B打磨遍數(shù)分別設(shè)為12遍、10遍；打磨后軌面剝離掉塊得到較好整治，打磨后軌面未有波磨，廓形得到改善；曲線A及曲線B鋼軌質(zhì)量指數(shù)TQI均有顯著下降，最大值分別下降32.40%、23.49%。

(2)打磨后曲線A及曲線B等效錐度均得到顯著改善，當(dāng)橫移量為0～10 mm內(nèi)，等效錐度均在0.15以下；曲線A及曲線B左右股接觸區(qū)域增大，接觸相對(duì)打磨前更加均勻，且右股3點(diǎn)接觸得到較好處理。

(3)打磨后1～8位車輪與曲線A及曲線B鋼軌廓形接觸時(shí)接觸斑內(nèi)縱/橫向蠕滑率最大值、磨耗功最大值、輪重減載率最大值均有顯著降低，輪軌接觸關(guān)系、輪軌磨耗及車輛運(yùn)行安全性得到改善；同時(shí)，車輛通過(guò)曲線A及曲線B時(shí)車體垂向/橫向加速度頻率及幅值降低，橫向/垂向加速度最大值分別減小46.74%/80.04%、46.33%/78.96%，車輛運(yùn)行穩(wěn)定性得到提升。