重载铁路个性化钢轨廓形打磨技术研究

周杰神华准能大准铁路公司

摘要：本文研究提出了一种基于车轮与轨道间接触应力分析的钢轨打磨方案优化实施方案。根据轮轨接触几何关系，使用APDL语言建立车轮与钢轨接触有限元参数模型，基于该模型设计建立钢轨与车轮的最佳接触应力分布。针对重载铁路轮轨间接触应力分布和伤损特点，对重载铁路标准型和磨耗型75kg/m钢轨进行打磨目标廓形优化设计，从而得到与车轮匹配的打磨目标廓形。通过分析，优化后的轮轨接触廓形可以显著降低钢轨与车轮之间的接触应力，为重载铁路钢轨打磨目标型面的设计、实施提供指导。同时对预防钢轨表面滚动接触疲劳和延长钢轨使用寿命等具有积极意义。关键词：蠕滑力；轮廓；磨耗；接触应力

重载铁路个性化钢轨廓形打磨技术研究

周杰
神华准能大准铁路公司

摘要：本文研究提出了一种基于车轮与轨道间接触应力分析的钢轨打磨方案优化实施方案。根据轮轨接触几何关系，使用APDL语言建立车轮与钢轨接触有限元参数模型，基于该模型设计建立钢轨与车轮的最佳接触应力分布。针对重载铁路轮轨间接触应力分布和伤损特点，对重载铁路标准型和磨耗型75kg/m钢轨进行打磨目标廓形优化设计，从而得到与车轮匹配的打磨目标廓形。通过分析，优化后的轮轨接触廓形可以显著降低钢轨与车轮之间的接触应力，为重载铁路钢轨打磨目标型面的设计、实施提供指导。同时对预防钢轨表面滚动接触疲劳和延长钢轨使用寿命等具有积极意义。
关键词：蠕滑力；轮廓；磨耗；接触应力

一、钢轨打磨方式

钢轨打磨是通过打磨砂轮的旋转磨削清除钢轨轨头表面鱼鳞纹剥落掉块以及冲击磨耗等因素引起的钢轨肥边。随着重载铁路运输朝着高效快速、长编组和高密度方向的发展，钢轨磨损与滚动接触疲劳更加明显。由此引发的频繁更换钢轨又制约了重载铁路的运输能力，并且更换钢轨的费用也是巨大的。为了延长钢轨使用寿命，各条铁路维护单位都在进行研究研究，并且提出了改善轨道弹性、改善轮轨关系、加强小半径曲线的养护维修质量、周期性开展钢轨打磨等多种渠道，钢轨打磨作为一项成熟的、广泛使用的延长钢轨使用寿命方式，进一步研究研究优化的必要性充足。目前，国内外常见的几种钢轨打磨组织方式分别为经验法、打磨模板法和恢复原廓形法。

二、个性化钢轨廓形打磨方法

根据蠕滑最小理论，针对线路既有情况和通过车辆情况，通过目标廓形设计、打磨方案设计，利用打磨车作业，实现目标廓形和合理的轮轨接触关系，从而达到减缓钢轨病害发生、延长钢轨使用寿命、提升列车运行平顺性等目的。蠕滑是由车轮和钢轨速度差引起。在很小的轮轨接触斑范围内，有黏着区和滑动区，滑动区越大，蠕滑率越大，轮轨材料越易磨损。

图1 轮轨应力接触点

图2 蠕滑区和滑动区示意图

图3 钢轨法向接触应力示意图

曲线内外轨期望的摩擦系数范围，一般希望踏面上的摩擦系数在合理范围内，这里0.25-0.4，0.25是维持牵引和制动所必须的，0.4是上限，好的话控制在0.35以下，因为较小的踏面摩擦系数也会使轮缘反作用力减小，反之则增大。

轮缘接触点因较大的宏观滑动希望摩擦系数较小，从而减小磨耗量，但过小的磨耗量也会在较大的轮缘压力下发生疲劳裂纹，因此侧面的摩擦系数最佳的控制是根据疲劳裂纹的发展可调，即有时让摩擦系数大一些，将疲劳层磨掉。摩擦系数控制不好容易造成车轮打滑。

三、个性化钢轨廓形打磨技术思路

个性化钢轨廓形打磨首先需要通过线路调查及车辆调查得出实际钢轨廓形和轮对廓形，通过优化方案设计进而得出针对性目标廓形轮廓，然后进行打磨方案设计。通过现场技术交底，打磨作业现场指导进行个性化分段实施，完成后按照个性化目标轮廓设计文件进行验收和定期观测效果评价分析。

（一）线路调查要素

线路调查内容包括线名、钢轨规格、钢轨材质、生产厂家、年通过总重，打磨路段起止位置，打磨路段线路总厂，线路分布状况（曲线、直线分布，起止里程等信息），累计通过总重、年通过总重以及上次打磨时间。以及左右股钢轨肥边、鱼鳞伤、侧磨、波磨情况。

（二）车辆调查要素

车辆调查内容包括货车牵引机车车型、数量，货车车辆车型、数量。客车牵引机车车型、数量，客车车辆车型、数量。

（三）个性化目标轮廓设计

以实际线路条件为基础，建立车辆-轨道耦合系统，系统中线路以实际线路资料为准，车辆参数采用对应线路上运行的主要车型，设计出适用于对应线路的钢轨打磨目标廓形。需考虑的因素包括：合适的轮轨等效锥度、合适的轮轨接触位置、良好的轮轨贴合性、适当的表面剪切能、降低接触应力至安定极限以下、保证一定的脱轨安全性、转向架具有较好的导向能力。

图4 车辆-轨道耦合模型示例

（四）打磨方案设计

基于个性化目标廓形，以打磨量最小化为原则，设计出针对不同实际钢轨廓形的打磨方案。

图5 钢轨廓形打磨方案示意图

（六）定期观测效果评价分析

定期观测效果评价指标体系包括：钢轨廓形变化、接触位置变化（主光带）、病害发展情况、轨控指标变化、钢轨伤损情况、其他相关指标。

图6 钢轨打磨质量分析表

四、结论

本文通过对钢轨打磨的方式方法进行总结和延伸，根据轮轨蠕滑形成机理的研究，提出了重载铁路钢轨个性钢轨打磨的方法和理论依据，研究提出了个性化钢轨打磨的实施方案和可行性，通过有针对性的方案设计，可以更加有针对性的消除钢轨磨耗病害，实现改善轮轨关系，达到延长钢轨使用寿命的目的。理论计算和现场试验表明，实施钢轨个性化钢轨打磨后，滚动半径差减小，钢轨扩面形状与车轮形成贴合性接触，可以大幅度降低轮轨蠕滑力和轮轨滑动阻力，改善轮轴转向特性，使钢轨的侧磨、垂磨、波磨大幅度减小约40%，钢轨使用寿命延长约50%以上。

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[3]陈国锋.基于轮轨关系的钢轨打磨廓形设计的方法研究[D].上海：同济大学，2014.

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[5]贾晋中，司道林.朔黄铁路小半径曲线轨道钢轨打磨目标型面研究[J].中国铁道科学，2014.