钢轨打磨对地铁车辆动力学性能的影响

张训全，张军(大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连116028)*

钢轨打磨对地铁车辆动力学性能的影响

张训全，张军
(大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连116028)*

通过现场测试沈阳地铁某区间打磨作业现场打磨前后钢轨型面数据，将钢轨型面数据导入到SIMPACK软件中，还搜集到了国内关于打磨车作业标准中关于打磨后钢轨型面的数据.并且建立了车辆－轨道动力学模型，分别计算了打磨前后不同钢轨型面下车辆平稳性、轮对横移量、磨耗功率，结果表明:钢轨打磨可以提升车辆运行的平稳性，降低车轮磨耗功率，从而降低轮轨磨耗，延长钢轨使用寿命.

钢轨打磨;车辆动力学;钢轨型面

0 引言

铁路作为国家重要基础设施以及运输网络的大动脉，在综合交通体系中已经成为主干地位.不仅如此，近几年我国地下铁路运输系统、城市轨道交通系统也得到了迅猛的发展.但是铁路客货运量的不断激增对线路质量的考验日益严峻，长时间反复超负荷的轮轨滚动接触造成钢轨的破坏严重，出现各种各样的钢轨损伤［1］.钢轨打磨技术对打磨效率、打磨方案、行车组织等方面的要求比较高，前期研发成本大，尽管面临诸多困难，然而世界各国仍然致力于钢轨打磨技术的研究.以瑞士SPENO international为典型的诸多国外企业［2］，已能较为成熟的对钢轨打磨车辆等综合轨道养护设备，进行产品设计与批量生产.Harsco Track Technologies( HTT)公司研制了装有48个打磨头和96个打磨头的PGM-48钢轨打磨列车［3］.澳大利亚在1978年采用曲线非对称打磨的方式对其管内的钢轨进行打磨，采用这种非对称打磨方式提高了机车车辆的曲线通过性能［4］.周清跃［5］等提出了适用于不同车轮型面的钢轨预打磨深度理论设计值以及适用于LMA和S1002G车轮踏面的钢轨预打磨轨头廓形.建议我国高速铁路的钢轨打磨周期为30～50 Mt通过总重打磨1次.马跃伟［6］等从钢轨滚动接触疲劳的角度，利用轮轨三维有限元模型计算得到相应的接触应力的概率分布，从而得到较优的钢轨打磨廓形.金学松［7］等论述了钢轨打磨技术与轮轨接触疲劳、磨耗、噪声、润滑之间的关系和相互作用模型，提出了综合了钢轨打磨设备的折旧费用的钢轨维修成本的经济学模型.雷晓燕［8］总结了钢轨打磨的各种方法，认为将钢轨打磨按照要达到的目的分为“外形打磨”和“表面打磨”.刘学毅［9］、CHEN［10］等分别用车辆稳态曲线通过理论和Simpack软件对非对称预防性打磨进行了数值模拟计算，在理论上说明了钢轨打磨可以降低钢轨磨损的效果.

本文通过不同打磨方案下的钢轨与车轮接触，运用动力学分析方法，研究对不同打磨方案下对机车车辆动力学性能的影响因素，从多个角度分析并找出打磨后车辆动力学性能指标相对较好打磨方案.为铁路轨道及列车设计参数提供理论依据.

1 现场实测及钢轨型面分析

1.1钢轨型面数据采集

通过轮轨型面测量仪来获得线路上的钢轨型面和车辆车轮型面数据.测试的线路数据均来源沈阳地铁某区间.测试的数据包含了打磨作业全过程.在打磨开始前，首先测试了磨耗后的钢轨数据，然后在打磨车进行打磨时，打磨车每完成一次打磨，就对刚刚打磨完成的钢轨进行测试，直至打磨作业结束.图1所示为打磨后的钢轨照片.

图1 打磨完成后钢轨

1.2钢轨型面分析

由图2可以看出，打磨后的钢轨廓形由圆曲线变成了若干直线段模拟出的多边形轮廓，这些直线段是由于打磨过程中，打磨车的打磨砂轮在钢轨的各个部位摆至不同的角度对钢轨进行打磨，每个砂轮打磨一次，就产生一条直线段.通过打磨砂轮在轨道上方不同角度，多遍的打磨就形成了由多边形连结起来的打磨后钢轨廓形.在轨顶半径为R300的部分，打磨后的钢轨很好的打磨出了半径为R300的弧线.在轨顶两侧，发现打磨前测量的数据和标准60 kg/m钢轨廓形有很大的差异，轻微的出现了塑性流动.但是在打磨后，在轨角附近，打磨后钢轨的廓形跟标准60 kg/m钢轨有极好的相似程度.这说明钢轨打磨在消除钢轨缺陷，改善轮轨间接触状态起到了积极的作用.

图2 打磨前后钢轨型面对比

2 车辆轨道动力学模型的建立

利用SIMPACK软件以国内某车辆为基础建立车辆动力学模型并进行车辆的多体系统动力学仿真计算.用简单的动力学模型对钢轨打磨前后车辆系统的动力学性能进行计算和分析，如车辆的平稳性、稳定性、曲线通过性能和各类作用力进行评价.

建立车辆模型(图3所示)时，对车辆系统动力学性能影响较大的因素则尽可能按照实际情况进行建模，而对一些对计算精度影响较小的因素进行相应的简化.把轴箱、基础制动装置、驱动装置的重量整合到构架上，一系、二系悬挂装置简化成弹簧和减震器的布置方式［10］，轮对、构架、车体的刚度比悬挂系统的刚度要小.

图3 车辆轨道动力学模型

建立的车辆轨道系统动力学模型中直线段选取线路长度为2 000 m，钢轨型面分别选取了标准60 kg/m钢轨型面、打磨现场测试的磨耗后的钢轨型面、打磨现场测试的磨耗后的钢轨型面、打磨后的钢轨型面和搜集到的国家标准中关于打磨作业后钢轨型面标准，如图4所示.曲线段采用直线－缓和曲线－圆曲线－缓和曲线－直线的线路布置，钢轨的型面选择了标准60 kg/m钢轨标准型面、磨耗后钢轨型面和现场测试的打磨后曲线段钢轨型面.轨道选择的是美国5级轨道谱.图中所示为将车辆和轨道的各项参数输入到程序中的操作界面.

图4 打磨方案2

3 计算结果分析

3.1平稳性分析

图5( a)列出了标准车轮与标准钢轨的横向振动加速度随时间变化的曲线，图5( b)是磨耗后轨与标准钢轨的振动加速度曲线，图5( c)、5( d)是两种打磨方案打磨后的振动加速度曲线.

图5 振动加速度随时间变化的曲线

将打磨前后4种钢轨型面对应的平稳性指标绘制成柱形图，如图6所示.通过对比图中的数据可以发现，只有打磨方案1和打磨方案2达到了优秀的等级，这两种工况都是打磨后的工况，而其余工况都只达到了良好的水平.这说明钢轨打磨可以有效的改善车辆横向平稳性系数.相比横向平稳性指标，车辆的垂向平稳行指标打磨前后变化不大，无论是磨耗后未经打磨的钢轨还是打磨后的钢轨，车辆的垂向平稳性指标都达到了国家标准中优秀的水平.

图6 平稳性指标

3.2 横移量

图7( a)为标准轮和标准轨匹配时车辆前转向架前轮的横移量随时间变化的曲线，7( b)为前转向架后轮的横移量，7( c)为后转向架前轮的横移量，7( d)为后转向架后轮的横移量随时间变化的曲线.

图7 横移量随时间变化的曲线

可以看出，横移量最大的轮对始终出现在沿车辆行驶方向最前面的轮对［11］.在同一车辆中横移量最大的轮对出现在前转向架前轮.通过对打磨前后4种钢轨型面每个轮对的横移量计算发现，不仅是最大横移量出现在前转向架前轮，而且每个转向架的前轮对的横移量均大于后轮对的横移量.这是由于车辆车轮踏面存在等效锥度和轮对滚动圆半径差所造成的，倘若后轮的横移量大于前轮，则车辆的前轮就丧失导向能力，造成车辆的蛇形失稳.

通过图8还可以发现，无论哪种钢轨型面，前转向架前轮的最大横移量均在标准轨工况和磨耗后的钢轨工况之间，故可以推测，钢轨打磨可以使轮对横移量减小，使轮轨接触斑更靠近轨顶，改善轮轨接触状态，使钢轨性能竭尽可能的回到标准型面轨的状态.

图8 横移量最大值

3.3磨耗功率

分别计算了4种钢轨型面下每个车轮的磨耗功率，由于车辆在运行时前转向架前轮起到导向作用，故其磨耗功率大于车辆上的其他车轮.将标准轮和标准钢轨匹配时的前转向架的磨耗功率随时间变化的曲线绘制成图9.图中1－R表示沿着车辆运行的方向第一位轮对右轮，按照这样的方式命名.

通过对比打磨前后4种钢轨型面下每个车轮的磨耗功率可以发现，在每个钢轨型面前转向架上的车轮磨耗功率均大于后转向架上车轮的磨耗功率，后转向架的磨耗功率大小仅是前转向架磨耗功率大小的40%左右.

图9 磨耗功率随时间变化的曲线

将打磨前后4种钢轨型面的磨耗功率最大值制成柱形图，如图10所示.

图10 磨耗功率最大值

可以发现4种钢轨型面下前后转向架磨耗功率的变化趋势大致相同.对于前转向架而言，标准车轮和标准钢轨匹配时车轮的磨耗功率最大，是打磨方案1的2.3倍.这是由于在标准车轮和标准钢轨匹配时，车轮的磨耗速度是最快的，经过车轮与钢轨间的接触，车轮和钢轨均发生磨耗，磨耗速度逐渐降低［12］.从标准轮轨匹配时的工况到磨耗后钢轨与标准车轮匹配工况正是经历了这样磨耗速率逐渐变慢的过程.从图中发现，打磨方案1和打磨方案2的磨耗功率均远小于标准车轮和标准钢轨匹配的情况，这说明通过对钢轨的打磨可以有效的降低车辆的磨耗功率，减慢车轮的磨耗速率，从而延长车轮的镟修期.

4 结论

通过对打磨前后不同打磨方案下不同钢轨型面的车辆动力学性能进行计算和分析可得出如下结论:

( 1)磨耗后且未经过打磨的钢轨在直线段和曲线段轮对的横移量都是最大.通过对钢轨的打磨可以有效的降低轮对的横移量，使轮对横移量最大值接近标准轮轨的水平;

( 2)磨耗功率最小值出现在磨耗后钢轨和标准车轮匹配时的情况，通过钢轨打磨可以使打磨后的钢轨和车轮匹配时的磨耗功率最大值接近磨耗后的工况.故从降低车轮磨耗功率的角度来考虑，对新铺设的钢轨进行预打磨可以有效的降低车轮磨耗功率;

( 3)通过对比计算打磨前后不同钢轨型面下车辆的平稳性指标可以发现钢轨打磨可以降低车辆的平稳性指标.

［1］金学松，刘启跃.轮轨摩擦学［M］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］WOLFGANG SCHOECH.Rolling contact fatigue mitigation by grinding［J］.Wear，2002( 253) : 308-316.

［3］ZAREMBSKI A M.On the benefit of rail maintenance grinding［R］.AREA Bulletin，1998.

［4］STEPHEN MARICH.Rail grinding strategies adopted in Australia［J］.Rail engineering international，2005( 1) : 4-6.

［5］周清跃，田常海，张银花，等.高速铁路钢轨打磨关键技术研究［J］.中国铁道科学，2012，33( 2) : 66-69.

［6］马跃伟，任明法，胡广辉，等.高速铁路钢轨预打磨型面优化分析［J］.机械工程学报，2012，48( 8) : 90-97.

［7］金学松，杜星，郭俊，等.钢轨打磨技术的研究现状［J］.西南交通大学学报，2010，45( 2) : 1-10.

［8］雷晓燕.钢轨打磨原理及其应用［J］.铁道工程学报，2000，65( 1) : 28-33.

［9］刘学毅.不对称打磨技术减缓钢轨侧磨效果初探［J］.中国铁路，1993( 10) : 12-14.

［10］CHEN PENG，GAO LIANG，HAO JIANFANG.Dynamics Simulation on Asymmetrical RailGrinding in Railwan Curve［J］.ICTE，2007( 4) : 2346-2352.

［11］周亮节.钢轨打磨型面研究［D］.成都:西南交通大学，2010.

［12］王大奎.基于磨耗后轮轨型面匹配的机车动力学性能分析［D］.大连:大连交通大学，2013.

Infunence on Dynamic Performance of Rail Grinding

ZHANG Xunquan，ZHANG Jun
( School of Traffic and Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

Through the test of grinding operation in Shenyang metro，the rail profile data before and after the rail grinding are obtained，and the data are input into the SIMPACK software with standard data after the grinding surface of rail profile.The vehicle-track dynamic model is established under different rail profiles before and after grinding，and the vehicle stability，lateral displacement，and frictional power are calculated.The results show that the rail grinding can improve the stability of the vehicle and reduce the whel wear wheel power.

rail grinding; vehicle dynamics; rail profile

A

1673-9590( 2016) 01-0031-05

2015-04-02

张训全( 1988－)，男，硕士研究生;

张军( 1972－)，男，教授，博士，主要从事轮轨关系的研究

E-mail: zhangxunquan@163.com.