道岔钢轨病害打磨对高速列车动力学性能影响研究

2020-03-08杨逸航

华东交通大学学报 2020年1期

杨逸航，肖乾

（1.中铁物轨道科技服务集团有限公司，北京100037； 2. 华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌330013）

随着我国高铁开通运营时间的延长，部分高速道岔钢轨出现了鱼鳞纹、掉块、轨头踏面压宽、垂直磨耗和侧面磨耗等一系列问题，影响了高速道岔的使用寿命及轨道平顺性[1]。钢轨打磨作为极具针对性的钢轨病害处理方法，已被广泛用于全路各类不同线路中[2]。

现如今国内诸多学者对钢轨打磨进行研究。研究表明钢轨预打磨能够有效改善轨面不平顺状态。池茂儒[3]建立动车组车辆多体动力学模型,仿真分析了轨肩过度打磨和轨头过度打磨对轮轨接触匹配关系、车辆稳定性及车辆运行品质的影响。宗聪聪[4]对道岔基本轨和尖轨部分打磨廓形优化进行设计，并引入踏面跳跃点横向间距作为优化控制条件。樊文刚[5]通过调查表明钢轨打磨是当前国内外公认的去除表面损伤和缺陷、抑制滚动接触疲劳、改善轮轨匹配关系、延长钢轨使用寿命、提高列车运行平稳性、安全性以及乘客舒适度的有效和通用手段。

高铁道岔直股钢轨由5 段不同钢轨焊接而成，如图1 所示，分为岔前、岔中及岔后区域，选取京沪高铁1 组道岔进行钢轨病害打磨研究试验，由于主要钢轨病害均在道岔直股，未对道岔曲股进行打磨，故本文仅对道岔直股进行研究。通过分析道岔打磨前后轮轨几何关系，并建立车辆—道岔耦合无砟轨道系统动力分析模型，研究对比打磨前后高速列车动力学特性。

图1 高速铁路道岔示意图Fig 1 High-speed railway turnout diagram

1 现场打磨跟踪观测

1.1 钢轨廓形变化

图2 为道岔打磨前后岔前、岔中及岔后钢轨廓形，由图可知，打磨前岔前、岔中及岔后钢轨廓形均有差异，由于钢轨病害打磨着重是对轨距角处鱼鳞伤进行处理，打磨后岔前、岔中及岔后钢轨廓形仍有较大差异，且打磨后岔前、岔中及岔后钢轨工作边均出现明显棱角。

1.2 钢轨轨面状态变化

图3 为道岔打磨前后道岔钢轨轨面状态变化，由图可知，打磨前钢轨轨距角处鱼鳞伤较为明显，光带较宽，打磨后岔前、岔中及岔后轨面鱼鳞伤消除，但轨面出现双光带现象，轮轨关系未能得到改善。

图3 道岔钢轨打磨前后轨面状态Fig.3 Turnout rail surface before and after grinding

2 轮轨接触几何分析

轮轨接触几何关系对轮轨动力学特性影响很大，等效锥度是轮轨几何接触中的重要参数[6]。当LMa 车轮踏面与钢轨接触时，等效锥度变化范围为0.026～0.041 较为理想[7]。表1 为LMa 型踏面与道岔打磨前后钢轨匹配时等效锥度变化，由表可知，打磨前岔前、岔中、岔后钢轨等效锥度均在理想范围以内，但通过对病害的打磨，钢轨廓形产生较大变化，打磨后岔前等效锥度较打磨前增大31.25%，打磨后岔中及岔后等效锥度较打磨前分别减小54.38%，68.29%，且均未在理想范围以内，故道岔通过钢轨病害打磨后，轮轨关系未得到改善。

表1 打磨前后等效锥度变化Tab.1 Equivalent conicity before and after grinding

3 车辆—道岔耦合动力学模型建立

依据动车组悬挂参数，在动力学软件UM 中建立动车组车辆精细模型。考虑车体转向架横向、竖向、侧滚、点头、摇头运动以及轮对横向、竖向、侧滚、摇头运动，包括1 个车体、2 个构架、4 条轮对和8 个轴箱总计15 个刚体。其中，车体、构架、轮对各有6 个自由度，轴箱相对轮对有1 个转动自由度，共有50 个自由度。模型充分考虑非线性轮轨接触几何关系、非线性轮轨蠕滑特性及非线性车辆悬挂系统。二系空气弹簧分别采用线性弹簧力元模拟，同时考虑阻尼性质。转臂节点采用特殊力元模拟。建模过程中充分考虑轮轨接触几何，横向止档，悬挂力元等非线性特性。

表2 车体自由度Tab.2 Vehicle body freedom

车辆模型中各自由度上的动力学方程统一表示形式如下

车轮踏面类型为LMA，采用轮轨非椭圆多点接触算法（即K-P 算法）计算蠕滑力。同时将上述拟合处理好后的道岔线型输入至软件中，如图4所示为车辆—道岔耦合无砟轨道系统动力分析模型。

图4 车辆—道岔耦合动力学模型Fig.4 Vehicle-turnout coupling dynamic model

4 车辆通过道岔的动力学特性分析

利用高速铁路车辆—道岔耦合无砟轨道系统动力分析模型，模拟仿真动车组单节车辆分别在没有激励的条件下，以100，200，300 km/h 及400 km/h 的速度通过打磨前后道岔，研究分析道岔钢轨病害打磨对高速列车动力学性能影响。

4.1 轮轨相互作用

1）轮轨横向力。表3 为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，轮轨横向力峰值变化。由表可知，通过道岔钢轨病害打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔前时，横向力峰值分别降低5.95%，20.93%，25.89%，26.56%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔中时，横向力峰值分别降低71.46%，83.30%，92.13%，93.84%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔后时，横向力峰值分别增加90.69%，79.84%，57.02%，51.54%。故通过道岔钢轨病害打磨后，列车通过道岔岔前及岔中轮轨横向力显著降低，但列车通过道岔岔后时轮轨横向力峰值显著增大。

2）轮轨垂向力。表4 为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，轮轨垂向力峰值变化。由表可知，通过道岔钢轨病害打磨后，列车通过道岔时轮轨垂向力变化较小，几乎未有改变。

3）轮轨磨耗功。表5 为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，轮轨磨耗功峰值变化。由表可知，通过道岔钢轨病害打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔前时，磨耗功峰值分别增加8.87%，14.14%，18.31%，16.99%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔中时，磨耗功峰值分别降低97.94%，98.39%，98.18%，97.96%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔后时，磨耗功峰值分别降低49.76%，28.49%，18.06%，32.66%。故通过道岔钢轨病害打磨后，列车通过道岔岔前时轮轨磨耗功显著增大，列车通过道岔岔中及岔后时轮轨磨耗功显著减小。

表3 打磨前后轮轨横向力峰值变化Tab.3 Maximum value of wheel/rail transverse force before and after grinding kN

表4 打磨前后轮轨垂向力峰值变化Tab.4 Maximum value of wheel/rail vertical force before and after grinding kN

表5 打磨前后轮轨磨耗功峰值变化Tab.5 Maximum value changes of wheel/rail wear power before and after grinding W

4.2 车辆运行安全性

车辆运行安全性主要涉及车辆的临界速度，脱轨等问题，Nadal 脱轨系数及轮重减载率是判断列车运行安全性的主要参数[8]。

1）轮重减载率。表6 为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，轮重减载率峰值变化。由表可知，通过道岔钢轨病害打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔前时，轮重减载率峰值分别增加29.55%，50.93%，41.52%，36.04%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔前时，轮重减载率峰值分别减小23.02%，12.24%，12.91%，4.16%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔后时，轮重减载率峰值分别减小11.16%，5.61%，4.88%，4.13%。故通过道岔钢轨病害打磨后，列车通过道岔岔前时轮重减载率显著增大，列车通过道岔岔中及岔后时轮重减载率显著减小。

表6 打磨前后轮重减载率峰值Tab.6 Maximum value of wheel weight reduction before and after grinding

2）脱轨系数。表7 为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，脱轨系数峰值变化。由表可知，通过道岔钢轨病害打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔前时，脱轨系数峰值分别增加54.25%，69.66%，92.19%，119.31%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔中时，脱轨系数峰值分别降低81.34%，77.09%，72.68%，82.91%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔后时，脱轨系数峰值没有明显变化。故通过道岔钢轨病害打磨后，列车通过道岔岔前时脱轨系数显著增大，但列车通过道岔岔中时脱轨系数显著减小。

表7 打磨前后脱轨系数峰值Tab.7 Maximum value of derailment coefficient before and after grinding

4.3 车辆运行平稳性

1）车体振动加速度。表8 为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，车体横向加速度峰值变化。由表可知，通过道岔钢轨病害打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔前时，车体横向加速度峰值分别增加29.71%，3.68%，20.09%，18.73%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h速度通过岔中时，车体横向加速度峰值分别降低65.69%，63.89%，59.17%，61.34%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔后时，车体横向加速度峰值分别增加128.06%，18.43%，68.58%，91.44%。故通过道岔钢轨病害打磨后，列车通过道岔岔前及岔后时车体横向加速度峰值显著增大，列车通过道岔岔中时车体横向加速度峰值显著减小。

表8 车体横向加速度峰值变化Tab.8 Maximum value of vehicle body lateral acceleration before and after grinding m/s2

表9 为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，车体垂向加速度峰值变化。由表可知，通过道岔钢轨病害打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔前时，车体垂向加速度峰值未有明显变化；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔中时，车体垂向加速度峰值分别降低58.63%，69.48%，75.08%，80.75%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔后时，车体垂向加速度峰值未有明显变化。故通过道岔钢轨病害打磨后，列车通过道岔岔前及岔后时，车体垂向加速度峰值几乎未有明显变化，但列车通过道岔岔中时车体垂向加速度峰值显著减小。

表9 车体垂向加速度峰值变化Tab.9 Maximum value of vehicle body vertical acceleration before and after grinding m/s2

2）构架振动加速度。表10 为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，构架横向加速度峰值变化。由表可知，通过道岔钢轨病害打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔前时，构架横向加速度峰值分别增加0.86%，13.64%，18.63%，22.85%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h速度通过岔中时，构架振动加速度峰值分别降低97.56%，96.75%，96.19%，95.79%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔后时，构架振动加速度峰值分别降低26.69%，24.75%，23.22%，23.24%。故通过道岔钢轨病害打磨后，列车通过道岔岔前时构架横向加速度峰值显著增加，列车通过道岔岔中及岔后时构架横向加速度峰值显著减小。

表11 高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，构架垂向加速度峰值变化。由表可知，通过道岔钢轨病害打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔前时，构架垂向加速度峰值分别增加79.92%，40.53%，23.92%，10.34%；当列车分别以100，200，300 km/h 及400 km/h 速度通过岔中时，构架垂向加速度峰值分别降低79.75%，86.34%，89.89%，91.46%；当列车分别以100，200，300km/h 及400km/h 速度通过岔后时，构架垂向加速度峰值未有明显变化。故通过道岔钢轨病害打磨后，列车通过道岔岔前时构架垂向加速度峰值增加，列车通过道岔岔中时构架垂向加速度峰值减小。