朔黃重載鐵路半徑400 m曲線線路鋼軌打磨周期

王敬

國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司， 河北 肅寧 062350

朔黃鐵路作為中國西煤東運的重要能源動脈，2020—2022 年連續(xù)三年實現(xiàn)年運量突破3 億t。較大的通過總質(zhì)量導(dǎo)致曲線鋼軌磨耗、鋼軌表面病害快速發(fā)展，嚴(yán)重影響行車安全。重載鐵路小半徑曲線區(qū)段鋼軌病害快速發(fā)展的問題受到國內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注，并進行了大量研究。加拿大國鐵由于重載鋼軌嚴(yán)重磨耗，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生脫軌事故［1］。美國重載列車因車輪嚴(yán)重凹磨，車輪與鋼軌的沖擊振動增大，影響列車運行平穩(wěn)性［2］。重載列車輪軌作用力大，易使鋼軌病害快速發(fā)展，不僅增大了線路維護工作量，對治理、抑制病害發(fā)展，延長鋼軌使用壽命的研究也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。Telliskivi 等［3］研究了磨耗狀態(tài)下輪軌接觸問題。王開云等［4］對小半徑曲線線路輪軌動態(tài)相互作用問題進行了分析，發(fā)現(xiàn)實際磨耗后的輪軌型面更易加劇鋼軌側(cè)磨，降低鋼軌使用壽命。崔大賓等［5］研究提出一種重載鐵路上輪軌接觸應(yīng)力水平較小的鋼軌打磨目標(biāo)廓形，有助于延長鋼軌使用壽命。郭戰(zhàn)偉［6］提出通過鋼軌打磨消除或減弱輪軌蠕滑，以延長鋼軌使用壽命。2013 年以來，中國鐵路系統(tǒng)引進國外先進經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)線路和車輛的實際情況提出了個性化鋼軌廓形設(shè)計打磨方法［7］，通過實施鋼軌打磨去除鋼軌疲勞損傷，改善輪軌關(guān)系，減小輪軌蠕滑，減小接觸應(yīng)力，以控制鋼軌滾動接觸疲勞發(fā)展，降低鋼軌磨耗速率，達到延長鋼軌使用壽命的目的［8-9］。

目前對于重載鐵路鋼軌打磨周期尚無有效數(shù)據(jù)支持的研究。根據(jù)朔黃鐵路小半徑曲線線路現(xiàn)場調(diào)研情況，打磨后鋼軌表面疲勞病害得以有效去除，鋼軌磨耗明顯減緩，但一段時間后鋼軌病害再次出現(xiàn)且快速發(fā)展。本文通過分析鋼軌廓形、磨耗、軌面病害發(fā)展情況及車輛動力學(xué)指標(biāo)變化，研究朔黃重載鐵路半徑400 m曲線線路鋼軌打磨周期。

1 鋼軌廓形變化及磨耗發(fā)展

采用GMC-48K 型打磨車對朔黃重載鐵路半徑400 m 曲線線路進行2 次修理性打磨，每次打磨10 遍，每遍打磨量為0.1 mm。采集了打磨前后的鋼軌廓形，根據(jù)測量時間依次編號1#—9#，見圖1。第一次測量時的通過總質(zhì)量記為0，各廓形的測量時間及測量時的車通過總質(zhì)量見表1。

表1 列車通過總質(zhì)量與鋼軌廓形編號的對應(yīng)關(guān)系

圖1 打磨前后鋼軌廓形變化

鋼軌磨耗變化曲線見圖2。以上股鋼軌側(cè)面磨耗為例進行分析?？芍孩俚谝淮未蚰デ澳ズ乃俾蕿?.077 mm/Mt；第一次打磨后，通過總質(zhì)量M= 50 ～ 85 Mt（2#廓形到3#廓形）期間為0.024 mm/Mt，較打磨前降低了68.8%；M= 85 ～ 115 Mt（3#廓形到5#廓形）期間為0.138 mm/Mt，為打磨前的1.79倍。②M= 115 ～ 137 Mt（5#廓形到6#廓形）期間磨耗速率為0.116 mm/Mt；第二次打磨后，M= 137 ～ 150 Mt（6#廓形到7#廓形）期間為0.045 mm/Mt，較打磨前降低了61.2%；M= 180 ～200 Mt（8#廓形到9#廓形）期間為0.091 mm/Mt，約為打磨前的78.4%。

圖2 鋼軌磨耗變化曲線

2 鋼軌表面疲勞損傷發(fā)展

打磨前后半徑400 m 曲線線路上下股鋼軌表面狀態(tài)見圖3?？芍旱诙未蚰デ?，5#廓形表面存在嚴(yán)重的魚鱗紋、掉塊病害，軌面掉塊深度約0.6 mm；打磨后，6#廓形鋼軌表面掉塊病害完全去除（M= 137 Mt）；M= 180 Mt 時，8#廓形上下股鋼軌表面存在嚴(yán)重魚鱗紋，下股開始出現(xiàn)掉塊；M= 200 Mt 時，9#廓形上股存在嚴(yán)重魚鱗紋，下股嚴(yán)重掉塊，深度約0.8 mm?？梢?，打磨可有效去除鋼軌表面疲勞掉塊，打磨后通過總質(zhì)量累計約60 Mt時鋼軌表面再出現(xiàn)嚴(yán)重疲勞病害。

圖3 打磨前后鋼軌表面狀態(tài)

3 輪軌接觸幾何關(guān)系

對比打磨前后輪軌接觸幾何關(guān)系，見圖4?？芍捍蚰デ跋鹿奢嗆壗佑|點集中在軌距角處，接觸帶寬為0.5 mm；打磨后輪軌接觸關(guān)系得到優(yōu)化，下股輪軌接觸點靠近鋼軌中心，接觸帶寬增至1.9 mm；打磨后1.3 個月時，鋼軌廓形在磨耗和軌材塑性流動作用下發(fā)生變化，輪軌關(guān)系惡化，下股輪軌接觸點集中在軌距角處，接觸帶寬變窄，為1.3 mm；打磨后2 個月時接觸帶寬變化為0.8 mm，與打磨前接近。

圖4 打磨前后輪軌接觸幾何關(guān)系

4 車輛動力學(xué)性能

4.1 建立動力學(xué)模型

為分析鋼軌磨耗演化對車輛動力學(xué)性能的影響，在多體動力學(xué)軟件中建立該重載鐵路實參數(shù)軌道-車輛多體動力學(xué)模型，模型中轉(zhuǎn)向架主要部件包括輪對、側(cè)架、軸箱、搖枕等［10］。研究對象為半徑400 m 曲線，全長300 m，緩和曲線長90 m，超高80 mm；車輛通過速度為60 km/h；軌道激勵采用該線實測軌道不平順。車輪踏面為實測車輪踏面。運動學(xué)拓?fù)潢P(guān)系和動力學(xué)模型見圖5。

圖5 C80貨車運動學(xué)拓?fù)潢P(guān)系及動力學(xué)模型

4.2 鋼軌廓形對輪軌力的影響

第一次打磨前后輪軌橫向力見圖6，1#—9#廓形下輪軌橫向力均方根值變化曲線見圖7?？芍捍蚰ズ笄€上下股輪軌橫向力明顯減小；2#廓形上股、下股輪軌橫向力較1#廓形分別降低33.8%和27.3%；5#廓形上股、下股輪軌橫向力分別為1#廓形上下股輪軌橫向力的88.2%和97.6%，6#廓形上股、下股輪軌橫向力較5#廓形分別降低27.4%和21.2%；M= 190 Mt 時輪軌橫向力恢復(fù)到打磨前，輪軌橫向力從打磨后到恢復(fù)到打磨前水平，通過總質(zhì)量累計約60 Mt。

圖6 第一次打磨前后輪軌橫向力

圖7 1#—9#廓形下輪軌橫向力均方根值變化曲線

4.3 鋼軌廓形對磨耗指數(shù)的影響

輪軌磨耗指數(shù)是評定輪軌關(guān)系的一個重要指標(biāo)，磨耗指數(shù)越小輪軌間越不易發(fā)生磨耗，越有助于延長鋼軌使用壽命［11］。其中，小半徑曲線上股側(cè)面磨耗是決定鋼軌使用壽命的重要因素。

打磨前后上股側(cè)面磨耗指數(shù)變化曲線見圖8?？芍簝纱未蚰ズ笊瞎射撥墏?cè)面磨耗指數(shù)分別為0.39、0.37 kN，較打磨前分別下降了54.1%和54.8%；M=115、200 Mt 時磨耗指數(shù)分別為0.81、0.82 kN，與打磨前接近?？梢姡蚰ズ笸ㄟ^總質(zhì)量累計約60 Mt 時上股磨耗指數(shù)恢復(fù)到打磨前。

圖8 打磨前后上股側(cè)面磨耗指數(shù)變化曲線

4.4 鋼軌廓形對輪軌接觸應(yīng)力的影響

掉塊是曲線下股鋼軌表面的主要病害，輪軌接觸應(yīng)力是導(dǎo)致鋼軌表面出現(xiàn)魚鱗紋、掉塊等疲勞損傷的重要因素。因此，對曲線下股的輪軌接觸應(yīng)力進行分析。

打磨前后曲線下股輪軌接觸應(yīng)力變化見圖9。可知：打磨后，因輪軌關(guān)系改善，曲線下股輪軌接觸點集中問題得到緩解，輪軌接觸應(yīng)力降低，第一次打磨后輪軌接觸應(yīng)力降低了37.6%，第二次打磨后降低了50.2%；打磨后隨著通過總質(zhì)量增加，輪軌關(guān)系逐步惡化，輪軌接觸應(yīng)力增大，通過總質(zhì)量累計約60 Mt時恢復(fù)到打磨前。

圖9 打磨前后曲線下股輪軌接觸應(yīng)力變化曲線

5 結(jié)語

通過對朔黃重載鐵路半徑400 m 曲線線路的鋼軌磨耗變化、鋼軌表面病害發(fā)展程度及車輛動力學(xué)性能的分析，可知打磨后累計通過總質(zhì)量約60 Mt 時鋼軌磨耗、鋼軌表面病害和車輛動力學(xué)指標(biāo)重新接近打磨前。為延長鋼軌使用壽命，建議朔黃重載鐵路半徑400 m 曲線線路打磨周期設(shè)置為60 Mt，即通過總質(zhì)量每累計60 Mt打磨一次。