客运专线铁路曲线段钢轨型面优化

周 骏，刘林芽，万 鹏

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,南昌 330013)

客运专线铁路曲线段钢轨型面优化

周 骏，刘林芽，万 鹏

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,南昌 330013)

根据武广客运专线某曲线段的实测数据，对指定曲线段轨道的水平加速度、钢轨光带及侧磨情况进行分析，获得轮轨匹配较好的平均磨耗型面。以改善轮轨接触状态为目的，采用轮轨接触角曲线反求法，利用数学软件MATLAB对获得的平均磨耗型面进行优化设计得到共性度较高的优化型面。通过多体动力学软件SIMPACK进行车辆轨道耦合动力学仿真，确定型面优化方案能有效改善轮轨接触状态，并使得列车有较优的车辆动力学性能。

客运专线；钢轨型面；优化；接触状态；车辆动力学性能

高速铁路已成为铁路行业的发展主题,轮轨型面优化也逐渐成为铁路发展热点问题。Heller［1]等提出了基于车辆动力学性能的车轮踏面优化设计方法,并编写了相应的程序实现封闭式的车轮踏面设计与仿真。Wu［2]和Zhang［3]基于轮轨型面匹配的设计概念,提出了由给定钢轨型面设计车轮型面的设计方法。Shen等［4]用接触角曲线反推的方法设计车轮踏面外形,使踏面外形不再局限于直线与圆弧曲线的组合。Shevtsov［5]和Shen［6]给出了与接触角曲线反推的法相似的车轮踏面设计方法,但选用的目标是RRD曲线,在设计过程中采用MARS法求解优化问题的方程。崔大实等［7]使用基于轮轨最小法向间隙的序列二次规划(SQP)方法,优化了车轮外形。Persson等［8]利用遗传算法作为优化方法对BV50和UIC60钢轨型面进行了优化设计。Ha-Young Choi等［9]以减缓地铁曲线段钢轨磨耗为目的,利用遗传算法对地铁实测的钢轨型面进行优化设计。目前的轮轨型面的优化设计主要集中在需预先获得目标函数的反求法上,一般适用于已知车轮踏面或钢轨型面的轮轨型面优化设计［10-13]。本文在对接触角曲线反求法进行一定研究和简化的基础上,基于给定的车轮踏面对磨耗钢轨型面进行优化设计,获得了优化的钢轨打磨型面。

1 实测磨耗钢轨型面

武广高速铁路运营以来,曲线路段晃车现象严重,一直影响着武广高速铁路的运营品质。在保证轨道下结构,轨上结构线性几何尺寸、扣件系统及车辆结构参数绝对稳定的前提下,轨头型面则成为影响行车平稳性的主要因素之一。根据已测得的轨检车的数据,通过对车辆水平加速度不平顺的分析来确定线路的轨道状态,从中选择轨道状态较好的曲线段为试验段。对已经选取好的试验段进行轨道状态的测试,从中选取一段列车晃车最小的试验段作为后期的研究对象。由于经过以上的试验测试还不足以确定该试验段钢轨具有最佳轮廓面,所以需要对该试验段进行现场测试。测试的主要内容有钢轨的光带和侧磨情况,在每公里取5个观测点,对钢轨光带与钢轨侧磨进行观测［14- 16]。

经过现场测试得到轨道状态数据、钢轨光带磨耗数据、曲线段钢轨侧磨以及车辆的晃车数据,见表1。对数据进行对比分析,发现下行DK1231里程光带宽度和距作用边距离正常,钢轨侧磨量小于其他里程,表明轮轨匹配关系良好,得到最佳的轮廓面。并利用Simpack仿真计算了CN60型面和磨耗型面和理论设计动力学性能,表2给出了性能指标最大值对比的数据。此外,根据现场动力测试试验的统计结果,统计了CN60型面与磨耗型面的轮轨横向力和横向加速度等指标。由表2可知,轨头型面对车辆的动力学性能有较大影响,获得的磨耗型面有较优的动力学性能。

表1 下行线DK1230+000～DK1234+000钢轨光带与侧磨情况

表2 动力学指标（车速200 km/h)

2 磨耗钢轨型面优化设计

由于本文车辆模型采用CRH2C型列车参数,所以选择LMa型踏面为给定车轮外形,并选择获得的平均磨耗钢轨型面为“种子”轨头外形。对获得的实测数据进行拟合,获得“种子”轨头外形Zr(Yr)及给定的车轮踏面外形Zw(Yw),利用接触角反求法对磨耗型面进行优化设计,当轮对的横移量为Ys和轮对的侧滚角为零时,轮轨接触面上的相互接触点分别为(yw,zw)和(yr,zr),接触角为A。随着轮对的横移,用最小距离搜索法求接触点位置,求得接触点的条件是

并采用双侧轮轨的接触角差曲线ΔA(Ys)作为评价指标对获得的轨头外形进行评价,若ΔA(Ys)不满足要求,则对其进行修正,重新确定接触角曲线对钢轨进行优化,获得优化型面如图1所示。优化步骤如图2所示。

图1 磨耗型面和优化型面

图2 钢轨外形设计一般流程

3 计算结果及分析

3.1 静态轮轨几何接触状态

不同的轮轨外形配合具有不同的轮轨接触几何关系和接触几何参数,当2种钢轨型面与LMA车轮踏面配合时,从轮轨接触几何关系中,可得到滚动圆半径差与轮对横移量的关系,从图3可以看出,优化型面半径差在3 mm以内与磨耗型面基本相同；在3～8 mm间大于磨耗型面。可见优化型面在小半径曲线的通过能力与磨耗型面相差不多,在中等和大半径曲线的通过能力优于磨耗型面。

图3 轮对滚动圆半径差

图4 中给出了优化前后轮轨接触点对分布状态,轮轨间的竖线为轮对处于中位置时轮轨接触点位置,车轮与钢轨踏面之间的连线代表所有情况下轮轨可能的接触点位置。从图4中可以看出,优化型面较磨耗型面靠近钢轨右侧轮轨接触点对分布更加均匀,轮对对中位置的轮轨接触点位置向左移动了4 mm,使得轮轨接触斑面积增大,也就是轮对横移时,轮轨接触点位置在车轮踏面或轨顶面上移动不会发生大幅度跳跃现象,接触压力水平变化不会像传统轮对接触点从一个圆弧转移到另一个圆弧上发生太大的波动。

图4 轮轨接触点分布状态

优化前后的轮轨间隙如图5所示,优化后间隙值在部分区域上大于初始踏面的轮轨间隙,也有部分区域上小于初始踏面的轮轨间隙值,当y∈(-4 mm, -1 mm)时,初始轮轨接触间隙较小,轮轨压力水平较低,而在其他区域压力相对较高,轮轨压力相对集中,易导致轮轨磨损和接触疲劳。所以,优化后的车轮和原钢轨计算接触,使原型面轮轨过小的接触压力水平适当提高,而使过高的压力水平降低,达到轮轨工作面材料受力均匀均衡。

图5 轮轨间隙值曲线

3.2 动力学性能计算

选取了CN60钢轨型面、磨耗钢轨型面、优化钢轨型面,采用的车辆模型参数,主要是参考我国高速列车中的CRH2C型车,采用武广高速铁路实际曲线段参数。由于获得的轨检车数据显示通过指定曲线段的列车速度区间为180～220 km/h,所以计算了3种不同型面在180、200、220、240 km/h速度下,相应的轮轨横向力、最大赫兹接触应力、磨耗指数、Sperling平稳性指数的幅值,如图6、图7所示。

图6 轮轨横向力

图7 最大赫兹接触应力

图6 、图7所示分别为车辆通过曲线时轮轨横向力与轮轨最大接触应力,优化型面与磨耗型面的轮轨横向力幅值均小于CN60型面,相较于CN60型面轨横向力幅值分别降低22%和15%,优化型面与磨耗型面间差距较小,随速度增大成增大趋势,最大降低7%。优化前后型面的最大接触应力随速度的增大基本成增大趋势,优化后钢轨型面的最大轮轨接触应力均小于优化前钢轨型面,相较于CN60型面最大轮轨接触应力降低27%,相较于磨耗型面最大降低11%,说明此方法优化的钢轨型面可以使轮轨在运行过程中获得更好的轮轨接触状态,有效降低轮轨横向力与接触应力。

图8 磨耗指数

由于随着速度增大曲线段接触斑滑动区面积与滑动量会呈增大趋势,所以摩擦功逐渐变大。从图8中可见,优化型面摩擦功小于CHN60型面及磨耗型面,磨耗指数幅值分别降低15%和8%,这可以使钢轨的磨耗性能得到最大程度的发挥,有利于提高轮轨的使用寿命,延缓曲线区段外侧钢轨的磨耗。采用Sperling平稳性指数对车辆平稳性进行评价,从图9可以看出,虽然3种型面的Sperling平稳性指数都小于2.5,处在一级平稳性等级,但优化型面与磨耗型面相较于CN60型面留有更大余量,使机车车辆获得较优的平稳性和乘坐舒适度。

图9 Sperling平稳性指数

4 结论

(1)本文采用的接触角曲线反求法,选用较优的实测磨耗型面进行优化设计,获得的优化型面保持了磨耗型面较好的接触点对分布状态,使得LMA型面和优化型面间具有较优的轮轨接触状态,轮轨磨耗程度趋于平稳,能够有效降低轮轨磨耗。优化的钢轨型面可以通过现有的打磨技术进行实施,对我国高速铁路钢轨预打磨型面的优化设计进行一定的探索。

(2)由于优化获得的优化型面与实测的磨耗型面轨头外形相近,所以只需进行轻度钢轨打磨即可,大大减少了钢轨打磨的金属打磨量,从而减少了钢轨打磨维修费用。

(3)利用SIMPACK软件进行车辆动力学仿真计算,通过分析轮轨几何接触状态与车辆动力学性能,表明获得的优化型面在保持较优的轮轨接触状态下,能有效保证车辆具有较优的动力学能力,从而提高车辆运行的安全性和稳定性。

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OPtimization of Rail Profile in Curved Section of Railway Passenger Dedicated Line

ZHOU Jun,LIU Lin-ya,WAN Peng
(Ministry of Education's Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise, East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Based on the measured data from a curved section of the Wuhan-Guangzhou railway passenger dedicated line,an analysis on the horizontal acceleration,rail light strip and rail lateral abrasion of the track in this curved section was carried out,and the average wearing rail profile with good wheel-rail matching was obtained.Furthermore,in order to improve the contact status between wheel and rail,the optimization design to the average wearing rail profile was carried out by wheel/rail contact angle curve inverse method and by the mathematical software MATLAB.After that,an optimized rail profile with higher degree of conformity was obtained.Through vehicle-track coupling dynamic simulation via the multi-body dynamics software SIMPACK,it can be seen that the optimized rail profile can effectively improve wheel/rail contact status and can make the trains have better vehicle dynamic performance.

passenger dedicated line；rail profile；optimization；contact status；dynamics performance of vehicle

U213.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.005

1004-2954(2014)07-0020-04

2013-10-06；

2013-12-21

国家自然科学基金资助项目(51068007)；新世纪优秀人才支持计划项目(NECT-09-0167)

周 骏(1990―),男,硕士研究生,E-mail:zhoujunjxnc@ 163.com。