普速铁路钢轨打磨廓形优化设计及效果评价

张金 俞喆 杨超 毛少虎

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081；2.中国铁路南昌局集团有限公司工务部，南昌 330000；3.中国铁路广州局集团有限公司工务部，广州 510088）

我国普速铁路线路运行车型有多种车轮型面，主要有LMA，JM3，LM 等；而钢轨仅有60 kg/m 轨头廓形。不同车轮型面与单一轨头廓形相互磨合，轮轨匹配关系相当复杂。对于直线地段，轮轨匹配关系不合理会造成轮轨接触不在轨头踏面中心，而是严重偏向轨距角。由于轨距角处接触所产生的接触应力大于轨头踏面中心接触所产生的接触应力，车轮长期在轨距角处接触会造成钢轨过早出现疲劳伤损。对于曲线地段，因列车提速造成欠超高，机车轮缘润滑过多致使钢轨轨距角的摩擦因数降低，造成曲线上股钢轨长期无磨耗，轮轨难以磨合。曲线上股钢轨轨距角处长期承受很大的接触应力，导致剥离掉块及核伤的频发［1］。

大量研究证明，在不能统一车轮型面又无法改变轨底坡设置的情况下，钢轨轨头廓形打磨是改善轮轨匹配关系行之有效的方法［2-6］。通过钢轨打磨形成适合车轮型面的轨头廓形，加快轮轨磨合，使得轮轨匹配良好。

针对我国普速铁路轮轨匹配的实际情况，本文利用轮轨接触关系理论，提出普速铁路钢轨打磨廓形设计的基本原则和总体目标，给出廓形设计的方法及步骤，设计出300 m 小半径曲线磨耗钢轨的打磨廓形，并通过仿真数值模拟来评价廓形设计的效果。

1 普速铁路轮轨匹配情况

1）我国普速铁路的线路条件

我国普速铁路标准轨距1 435 mm，轨底坡1/40，轮对内侧距1 353 mm。

2）主要钢轨轨面

我国既有铁路所采用的钢轨有3种：50，60，75 kg/m钢轨。其中主要铁路干线上广泛使用60 kg/m钢轨，仅重载铁路重车线上使用75 kg/m钢轨，年通过总质量小于25 Mt的次重型轨道及站线等使用50 kg/m钢轨。

3）主要车轮型面

我国普速铁路运行的车轮主要有3 种，即运行速度高于160 km/h 的客车LMA 车轮、运行速度低于160 km/h的机车JM3车轮和普通客货车LM车轮。3种车轮均为磨耗型车轮型面，有利于减少车轮的磨耗和提高曲线的通过性能［7］。3 种车轮型面与 60 kg/m 钢轨匹配情况见图1。

图1 不同车轮型面与60 kg/m钢轨匹配情况

从图1可知，LMA车轮型面与60 kg/m钢轨匹配最好，JM3 车轮型面次之，LM 车轮型面最差。对于LMA车轮型面，在直线和曲线工况下，轮轨主要在轨头踏面中心区域接触。对于JM3 和LM 车轮型面，在直线工况下，轮轨接触不在轨头踏面中心区域，而是明显偏向轨距角；在曲线工况下，轮缘不能与轨距角形成共形接触。

2 廓形优化设计的基本原则和总体目标

廓形优化设计以经典的轮轨接触几何学和轮轨接触力学为理论依据，设计出直线与曲线工况下的钢轨打磨廓形，优化轮轨接触几何关系。优化后的廓形不仅能够降低轮轨作用力，还能减缓轮轨磨耗，延长轮轨使用寿命，提高车辆运行的安全性和平稳性［8］。

2.1 基本原则

廓形优化设计的基本原则：①在直线和大半径曲线上，轮轨应在轨头踏面中心区域接触；②在小半径曲线上车轮贴靠钢轨时，轮缘与轨距角应形成共形接触。

上述2 种轮轨接触状态具有轮轨接触应力小、横向蠕滑率及蠕滑力小等特点，是轮轨合理匹配的最佳状态，也是廓形优化设计所追求的目标［9］。

2.2 总体目标

1）轮对处于任意位置时，轮轨接触点处的法向间隙应尽量小且变化尽量平缓。这样可以增大轮轨间的接触面积，减小轮轨接触应力，缓解因接触压力过高而产生的钢轨伤损，防止钢轨发生早期滚动接触疲劳。

2）保持合适的等效锥度。对于直线地段，为保证车辆运行的稳定性，要求等效锥度尽可能小，这样可提高轮对的对中能力，列车不易发生蛇行运动；对于曲线地段，为减小轮缘导向及优化轮轨相互作用，需要较大的等效锥度，这样可使轮对和轨道间保持较小的冲角，使列车具有较好的曲线通过能力。

3）根据钢轨打磨车的切削能力，结合现场维修养护条件，在有限的作业天窗内实现作业效率最大化；在改善轮轨接触状态的前提下，最大限度地减少打磨量。

3 廓形优化设计的方法及步骤

由于轨道状态千变万化，不同通过总质量的钢轨型面磨损程度不同，不同运营里程车辆轮对型面的磨耗程度不同，且车辆运行速度、轴重、动力学性能等也不同，很难找到一种最优的型面适用于所有轨道形式和车辆［10］。

理想的轮轨型面匹配状态应该能有效地降低接触应力和磨耗，提高直线运行时列车蛇行失稳的临界速度，同时改善列车曲线通过性能。考虑到车辆运营一定里程后会进行车轮镟修以恢复车轮原始标准型面状态，因此以轮轨匹配关系最差的普通客货车标准LM 车轮型面为基础，依据钢轨廓形设计的基本原则和总体目标，分别对标准钢轨和磨耗钢轨进行轨头廓形优化设计。

钢轨廓形优化设计的方法及步骤如图2所示。以初始钢轨型面（标准钢轨型面和磨耗钢轨型面）为基础型面，通过改变轮轨关键接触区域钢轨几何尺寸获得不同钢轨拟合型面，如改变钢轨轨头R300，R80，R13 圆弧的半径及长度，各圆弧间采用相切关系平滑连接，拟合出不同的钢轨型面。然后利用车辆-轨道耦合系统动力学模型和轮轨接触有限元模型，输入实际车辆参数、线路参数、实测轨道几何不平顺、标准LM 车轮型面、钢轨拟合型面，仿真分析车辆运行的安全性和平稳性、轮轨接触特性、钢轨服役性能，同时结合钢轨打磨作业的经济性，综合提出优化的钢轨型面。

图2 普速铁路钢轨廓形优化设计方法及步骤

4 廓形优化设计的应用及效果评价

曲线工况下，当轮轨间蠕滑力难以完成导向而致使轮缘挤压钢轨侧面产生较大的横向力或轮轨存在较大的冲角时，会引起轮缘与钢轨侧面接触，轮缘磨损上股钢轨轨距角，形成上股钢轨侧面磨耗。轮轨磨合后接触面积过大（即过共形），远离轮轨接触滚动中心区域，轮缘与钢轨侧面将产生较大的相对滑动，增加钢轨侧磨；同时产生较大的剪切应力，形成接触疲劳裂纹［11］。

不同曲线半径下，通过非对称打磨的方式将钢轨廓形打磨成不同的目标廓形，可以有效地改善轮轨接触应力状态，控制钢轨侧面磨耗，抑制钢轨疲劳伤损，减少因轮轨不良接触造成的轨头塑性变形等钢轨病害，提高车辆的曲线通过能力。但是，一种特定的打磨廓形只适合一类问题。针对不同的钢轨病害情况（侧磨、波磨、疲劳伤损、塑性变形等），需要设计不同的钢轨打磨廓形［12］。

4.1 小半径曲线钢轨廓形优化

通常情况下，小半径曲线地段上股钢轨更换下道的主要原因是侧磨超限。因此，以侧磨为主的磨耗钢轨TB60MH 为基础，按照钢轨廓形优化设计的方法对300 m 小半径曲线（累计通过总质量30 Mt）钢轨打磨的目标廓形进行优化设计。优化后的钢轨打磨目标廓形TB60MH-D与初始磨耗钢轨廓形TB60MH的对比见图3。可知，上股钢轨重点优化了轨顶面及外侧非工作边，下股钢轨重点优化了内外侧轨角部位。通过增大轮对滚动圆半径差，减小轮缘对钢轨侧面的冲击，降低侧向力，有效地控制侧磨，延长钢轨使用寿命，同时提高了曲线通过导向性能。

图3 优化前后廓形对比

4.2 效果评价

为校核TB60MH-D 的适用性，将优化前后的钢轨廓形分别与标准LM 车轮型面匹配，分析其轮轨接触几何关系、轮轨接触应力、动力学性能指标。

磨耗廓形TB60MH 和设计廓形TB60MH-D 与LM车轮型面匹配时的轮轨接触点分布见图4。可知：①磨耗廓形TB60MH 与LM 车轮型面匹配时，左上股轮轨接触点集中分布于轨顶中心区域，右下股轮轨接触点集中分布于工作边一侧轨肩位置；设计廓形TB60MH-D与LM车轮型面匹配时，左上股轮轨接触点集中分布于轨顶中心区域，右下股轮轨接触点集中分布的位置由工作边一侧轨肩移至轨顶中心。②设计廓形TB60MH-D的接触点比磨耗廓形TB60MH的更为集中。

图4 优化前后轮轨接触点分布

磨耗廓形TB60MH和设计廓形TB60MH-D对应的轮轨接触应力、磨耗指数、脱轨系数、轮重减载率等各项指标的最大值见表1。

表1 廓形优化前后各项指标最大值对比

由表1可知：优化后轮轨接触应力、磨耗指数的最大值分别降低了12%，22%；优化后脱轨系数和轮重减载率最大值分别降低了9%，3%，且优化前后均小于车辆运行安全性指标的安全限值（0.8）。

5 结论

1）与60 kg/m 钢轨匹配时，LMA 车轮型面匹配情况最好，轮轨主要在轨头踏面中心区域接触；JM3 及LM 车轮型面匹配情况较差，轮轨接触不在轨头踏面中心区域，而是严重偏向轨距角。

2）根据普速铁路轮轨匹配的实际情况，利用轮轨接触关系理论，提出了廓形优化设计的基本原则、总体目标及设计方法和步骤。

3）对300 m 小半径曲线磨耗钢轨打磨的目标廓形进行了优化设计及仿真计算分析。廓形优化设计后，轮轨接触应力、磨耗指数、脱轨系数、轮重减载率的最大值分别减小了12%，22%，9%，3%。

4）针对不同钢轨病害情况下对应的钢轨轨头廓形，须分析其变化规律，设计不同的钢轨打磨廓形。