钢轨擦伤对动车组动力学性能的影响

龚继军，崔容义，王军平，刘恭韬

(中铁物轨道科技服务集团有限公司，四川 成都 610031)

高速铁路钢轨擦伤严重影响轨道的平顺性，造成轮轨冲击力急剧增大。钢轨擦伤不仅会使轨下基础承受较大冲击荷载，造成其结构破坏，导致钢轨折断；同时也会将冲击载荷反作用给车辆各部件，使其产生疲劳裂纹，严重时甚至导致车辆部件发生疲劳断裂。车辆系统、轨道状态、轮轨匹配、驾驶操作、环境因素等均是造成钢轨擦伤的诱因。钢轨擦伤后，若无法通过打磨等方法进行处理，工务部门只能更换钢轨，造成较大的经济损失。近年来，各个铁路局管辖范围内的高速铁路已经发生多次因钢轨擦伤致使钢轨下道的事件。

高平顺性的轨道状态是高速列车平稳、安全运行的根本保证，在运营维护中针对钢轨擦伤的预防和及时处理是我国高速铁路急需解决的重要问题。目前，针对车轮踏面擦伤[1-3]，国内外学者做了大量基础性的研究工作，但对于钢轨擦伤的产生机理[4-5]及钢轨擦伤对车辆动力学性能的影响的研究相对较少，大部分研究主要还是针对车轮擦伤以后对车辆部件使用寿命和钢轨疲劳伤损发展的影响[6-10]。

为了研究钢轨擦伤对动车组动力学性能的影响，本文以一城际高速铁路存在钢轨擦伤的区段为研究对象，对擦伤钢轨的表面状态进行了测量，简要分析了钢轨擦伤产生的机理，并通过建立车辆动力学模型，分析了无擦伤模型以及擦伤模型的动力学性能特点。

1 工程概况

该城际铁路旅客列车设计速度为160～250 km/h，年通过总质量约50 Mt，全线铺设60 kg/m的U75VG钢轨，客货共线。该线路开通半年以后部分直线和曲线钢轨表面存在擦伤现象。

1.1 问题调查

首先对钢轨表面状态进行仔细的现场观测，采用深度计和平板尺测量擦伤区域的深度和形状，并对擦伤钢轨表面的伤损情况进行宏观分析。测试结果表明：上股擦伤区域大致为椭圆形，其大小约为直径20 mm，深度0.984 mm；下股钢轨轨头擦伤区域呈长条形，其大小约为长度60 mm，深度1.038 mm；上下股擦伤深度均较深。钢轨踏面伤损的表面状态如图1、图2所示。部分岔区也存在类似擦伤。

图1 曲线上股钢轨踏面伤损状态

图2 曲线下股钢轨踏面伤损状态

1.2 产生机理

一般来说，普速铁路钢轨的擦伤通常发生在列车启动和制动阶段，车站如果存在上、下坡道也会出现较为严重的擦伤情况，而在平直地段几乎不会发生擦伤情况。客货共线并有动车组运行的线路一般也是由普速客货车造成钢轨的擦伤。高速铁路钢轨的擦伤多数不是由动车组造成的，而是在高速铁路建设或运营过程中由普通列车包括工程车造成的，但也不排除在部分小半径进站曲线是由于动车组制动频繁造成的。

1.3 解决办法

当钢轨表面出现擦伤可以通过打磨设备进行处理。一般来说，当擦伤区域面积较大、深度超过0.5 mm 的时候宜采用铣磨车或者打磨车处理。但铣磨车不具有廓形修复能力，作业效率低，不适用于该线路的局部擦伤缺陷处理；而一般打磨车长度都超过100 m，没有必要为了修复该线路的局部擦伤而增加整条曲线钢轨的磨耗，这会缩短钢轨的寿命。此时，采用小型打磨机进行局部处理就很有必要。采用小型打磨机对擦伤区域进行局部处理时一定要树立廓形打磨意识，做好擦伤区域两侧钢轨的顺接，不应只是简单地将擦伤区域的伤损消除掉而不考虑修复擦伤区域的廓形及平顺性，防止小型打磨机打磨后对钢轨造成额外不平顺。图3为小型打磨机打磨后曲线上股钢轨表面状态。

图3 曲线上股打磨后钢轨表面状态

2 动力学模型的建立及仿真计算工况

2.1 动力学模型的建立

车辆是一个复杂的多体系统，在建立动力学仿真模型的过程中，对一些次要因素进行简化，对动力学性能影响较大的因素应尽可能与实际工况相似。坐标系采用铁路坐标系，即x轴平行于车辆前进的方向；y轴平行于轨道横截面且以指向右手方向为正方向；z轴垂直于轨道平面且以向下为正方向。

采用SIMPACK软件建立通过该线路动车组的动力学仿真模型。仿真模型由1个车体、2个转向架、4个轮对和8个轴箱组成。在计算该车动力学性能时取整车模型，车体、转向架、轮对均取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；轴箱取1个自由度，即点头。整个车辆系统共计54个自由度,垂向、横向运动耦合在一起。车辆动力学模型如图4所示。

图4 车辆动力学模型

2.2 计算工况

根据既有某型动车组的悬挂参数，对比分析车辆通过擦伤钢轨以及未擦伤钢轨的动力学性能。

采用的钢轨擦伤大小上股为长度30 mm，深度0.52 mm，下股为长度58 mm，深度1.038 mm。直线擦伤布置在左右股钢轨正中心，曲线擦伤布置在曲线中点。采用轨道单个激扰方式进行仿真模拟。

2.2.1 直线工况

直线工况为车辆分别通过擦伤钢轨和无擦伤钢轨的直线轨道，轨道谱采用德国高速低干扰谱，分别计算50，100，150，200，250 km/h速度级下的平稳性和舒适度指标，分析的主要参数有动车组车体的振动加速度最大值、均方根值等。

2.2.2 曲线工况

曲线工况为车辆分别通过擦伤钢轨和无擦伤钢轨的曲线轨道，轨道谱采用德国高速低干扰谱，计算速度分别为50，100，150，200，250 km/h。仿真计算曲线参数见表1。计算的主要指标包括动车组通过曲线时的轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、磨耗指数。

表1 仿真计算曲线参数

3 动力学计算结果分析

3.1 直线工况仿真计算结果

直线工况下车辆的平稳性、舒适度、最大加速度、加速度均方根值的计算结果见表2—表5。可以看出，擦伤模型的各项指标都较无擦伤模型大，钢轨擦伤对于车辆的动力学性能有一定影响，但影响程度较小。

表2 直线工况下车辆的平稳性计算结果

表3 直线工况下车辆的舒适度计算结果

表4 直线工况下车辆的最大加速度 m·s-2

表5 直线工况下车辆的加速度均方根 m·s-2

3.2 曲线工况仿真计算结果

表6—表10为曲线工况下车辆的轮轴横向力、轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数、磨耗指数，其中磨耗指数为通过擦伤区域的值。可以看出，车辆通过擦伤模型时，车辆的各项安全性指标都急剧增大。尤其是轮重减载率和脱轨系数，在速度大于200 km/h时会发生严重超限现象。当速度从200 km/h 变到 250 km/h，上下股激励不一致，下股的动态作用力急剧增大，车辆高速通过擦伤区域时轮轨的垂向振动加剧，导致减载率突然从0.36左右变化到0.90左右，减载率变化过大。此外擦伤模型的整车磨耗指数比无擦伤模型的整车磨耗指数增大尤为明显，而轮轨是一个整体，反映到钢轨上就是钢轨磨耗速率会显著增大，降低钢轨的使用寿命。

表6 曲线工况下的轮轴横向力 kN

表7 曲线工况下的轮轨垂向力 kN

表8 曲线工况下的轮重减载率

表9 曲线工况下的脱轨系数

表10 曲线工况下的磨耗指数

4 结论及建议

1)钢轨擦伤是目前我国高速铁路钢轨伤损的主要形式之一，钢轨擦伤对车辆的动力学性能影响较大。本文测量区域的擦伤程度并不是十分严重，实际线路上可能存在更连续、更严重的擦伤，工务部门应及时发现和治理，防止擦伤给行车带来严重影响。

2)仿真结果表明某型动车组通过钢轨擦伤地段时，钢轨擦伤对车辆的平稳性影响较小，擦伤模型的横向和垂向平稳性指标计算结果均比无擦伤模型要大。

3)钢轨擦伤对动车组安全性的影响与车速有关，当运行速度小于200 km/h时，钢轨擦伤对安全性影响较小；当运行速度大于200 km/h时，钢轨擦伤对安全性影响较大，尤其是轮重减载率和脱轨系数在速度大于200 km/h时会发生超限现象。

4)钢轨擦伤对动车组整车磨耗指数影响较大，不利于延长轮轨的使用寿命。

5)随着我国高速铁路运营里程不断增长，钢轨擦伤问题会更加凸显，后续应重点对造成擦伤的原因进行研究，找到造成擦伤的根源，从而采取相应的治理措施。