个性化道岔廓形打磨对动车组动力学性能影响

2021-06-18杨逸航蔡林珊杨智峰

华东交通大学学报 2021年2期

杨逸航，肖乾，蔡林珊，杨智峰

（1.中铁物总运维科技有限公司，北京100036；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；3.中国地质工程集团有限公司，北京100000；4.中国铁路郑州局集团有限公司郑州桥工段，河南郑州450000）

随着高速铁路飞速发展和高速列车运行重量的增加，道岔钢轨病害日益严重，钢轨打磨作为极具针对性的道岔钢轨病害维修方法，被认为是有效延长道岔钢轨使用寿命，提高行车安全性、平稳性最有效途径[1-2]。

诸多学者对钢轨打磨进行研究。金学松等[3]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。王文健等[4]根据广深线钢轨斜裂纹的形成与发展特点，提出采用非对称打磨技术控制和减缓钢轨斜裂纹的形成方法。张科元等[5]建立了打磨小车动力学分析模型，利用该模型研究了钢轨高低不平顺、打磨速度等因素对钢轨打磨压力波动的影响。杨逸航等[6]建立车辆-轨道多体系统动力学模型，分析了调边轨个性化廓形打磨后车辆动力学特性。杨逸航等[7]对传统钢轨病害打磨方式进行研究，发现通过传统钢轨病害打磨后轨面出现明显双光带接触，列车动力学特性未能得到较好的改善。

为了提高列车过岔动力学特性，延长钢轨使用寿命，优化传统钢轨病害打磨工艺，选取一组徐兰高速道岔进行个性化道岔打磨工艺研究，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。

1 个性化道岔打磨

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

高铁道岔直股钢轨由5段不同钢轨焊接而成，如图1所示，每段钢轨廓形差异性较大，如若采用传统钢轨病害打磨方式进行处理，打磨后虽然钢轨表面鱼鳞伤、掉块等病害得到控制，但每段钢轨廓形差异仍然较大，轮轨关系得不到改善，列车运行品质得不到提升。个性化道岔钢轨打磨[8]在对钢轨表面病害处理的同时，对道岔每段钢轨廓形优化，从而达到改善轮轨关系，提高列车运行品质的目的。

2 轮轨接触几何分析

2.1 打磨前后廓形对比分析

图2为道岔打磨前后岔前、岔中及岔后钢轨廓形，由于钢轨打磨不会打磨至轨腰处，将轨顶往下16 mm处轨腰进行对齐，打磨前岔前左右股钢轨廓形差异较大，岔中及岔后左右股钢轨廓形差异较小，左右股较大的廓形差异导致列车失稳及轨面光带左右股差异较大[9-10]，打磨后岔前、岔中及岔后钢轨左右股工作边较为吻合，左右股钢轨廓形对称。

图2 道岔钢轨打磨前后廓形Fig.2 Turnout rail profile before and after grinding

2.2 轮轨接触等效锥度分析

等效锥度是轮轨几何接触中的重要参数[11]。当380B型车S1002CN车轮踏面与钢轨接触时，名义等效锥度在0.050～0.179较为理想[12]。表1为道岔打磨前后轮轨匹配时名义等效锥度，由表1可知，打磨前岔前、岔中、岔后钢轨等效锥度分别为0.469，0.408，0.448，等效锥度较大，容易引起转向架蛇形运动[13-14]，打磨后岔前、岔中、岔后钢轨等效锥度显著减小，分别为0.075，0.087，0.119，打磨后道岔轮轨接触等效锥度均在合理范围内，车辆的运行平稳性得到改善，故通过个性化道岔钢轨打磨后，道岔轮轨几何接触关系得到显著改善。

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

基于动力学软件建立42个独立自由度的高速列车车辆模型，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[15]。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。车轮踏面类型为S1002CN，采用轮轨非椭圆多点接触算法计算蠕滑力。同时将上述拟合处理好后的道岔线型输入至软件中，图3为车辆-道岔耦合无砟轨道系统动力分析模型。

图3 车辆-道岔耦合动力学模型Fig.3 Vehicle-turnout coupling dynamic model

4 车辆通过道岔的振动特性分析

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速度等级通过打磨前后道岔，研究分析个性化道岔钢轨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2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2可知，随着列车运行速度的增加，列车轮轨横向力峰值也逐渐增大。通过个性化道岔钢轨打磨后，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46.51%，45.94%，47.03%，60.32%；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8.25%，7.76%，13.11%，22.37%；当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h速度通过岔后时，横向力峰值分别降低25.58%，33.23%，49.56%，61.83%。通过个性化道岔钢轨打磨，列车通过道岔时轮轨横向力显著降低，同时列车速度越高，轮轨横向力降低百分比也越高。

表2 轮轨横向力峰值变化Tab.2 Wheel/rail transverse force maximum value before and after grinding kN

2）轮轨垂向力。表3为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，轮轨垂向力峰值变化。由表3可知，通过个性化道岔钢轨打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h速度通过岔前时，垂向力峰值分别降低0.58%，0.41%，0.35%，0.34%；当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h速度岔中时，垂向力峰值分别降低2.13%，2.50%，3.35%，4.66%；当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h速度岔后时，垂向力峰值分别降低1.16%，0.91%，0.51%，0.31%。通过个性化道岔钢轨打磨，列车通过道岔时轮轨垂向力几乎未有改变。

表3 轮轨垂向力峰值变化表Tab.3 Wheel/rail vertical force maximum value before and after grinding kN

3）轮轨磨耗功。表4为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，轮轨磨耗功峰值变化。由表4可知，随着列车运行速度的增加，列车轮轨磨耗功峰值也逐渐增大。通过个性化道岔钢轨打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h速度通过岔前时，磨耗功峰值分别降低59.35%，33.45%，59.35%，59.35%；当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h通过速度岔中时，磨耗功峰值分别降低10.99%，38.07%，42.58%，23.13%；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67.76%，45.42%，41.86%，41.36%。通过个性化道岔钢轨打磨，列车通过道岔时轮轨磨耗功显著减小。

表4 轮轨磨耗功峰值变化情况Tab.4 Wheel/rail wear power maximum value before and after grinding W

4.2 车辆运行安全性

1）轮重减载率。表5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5可知，通过个性化道岔钢轨打磨后，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降低80.13%，75.09%，75.07%，75.69%；当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h速度通过岔中时，轮重减载率峰值分别降低95.11%，50.77%，65.78%，70.66%；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降低69.17%，49.21%，33.53%，22.91%。通过个性化道岔钢轨打磨，列车通过道岔时轮重减载率显著减小。

表5 轮重减载率峰值变化Tab.5 Wheel weight reduction maximum value before and after grinding

2）脱轨系数。表6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6可知，随着列车运行速度的增加，列车脱轨系数峰值也逐渐增大。通过个性化道岔钢轨打磨后，当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h速度通过岔前时，脱轨系数峰值分别降低44.65%，45.70%，46.89%，75.69%；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23.79%，29.29%，40.11%，45.77%；当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h速度通过岔后时，脱轨系数峰值分别降低66.80%，69.19%，70.46%，75.35%。通过个性化道岔钢轨打磨，列车通过道岔时脱轨系数峰值显著减小，同时随着列车速度越高，脱轨系数峰值降低百分比也越高。

表6 脱轨系数峰值峰值变化Tab.6 Derailment coefficient maximum value before and after grinding

4.3 车辆运行平稳性

1）车体振动加速度。表7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7可知，随着列车运行速度的增加，列车车体横向加速度峰值也逐渐增大。通过个性化道岔钢轨打磨后，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降低87.95%，90.25%，90.38%，89.73%；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16.11%，39.80%，50.08%，39.06%；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降低72.54%，79.97%，74.82%，73.79%。通过个性化道岔钢轨打磨，列车通过道岔时车体横向加速度峰值显著减小。

表8为高速列车通过打磨前后道岔岔前、岔中及岔后时，车体垂向加速度峰值变化。在没有激励的条件下，个性化道岔钢轨打磨对车体垂向加速度峰值几乎未有影响。

表7 车体横向加速度峰值变化Tab.7 Vehicle body lateral acceleration maximum value before and after grinding （m/s2）

表8 车体垂向加速度峰值变化Tab.8 Vehicle body vertical acceleration maximum value before and after grinding （m/s2）

2）构架振动加速度。表9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9可知，随着列车运行速度的增加，列车构架横向加速度峰值也逐渐增大。通过个性化道岔钢轨打磨后，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降低42.32%，81.37%，82.54%，82.65%；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12.68%，37.18%，50.73%，63.98%；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77.84%，74.68%，66.18%，67.21%。通过个性化道岔钢轨打磨，列车通过道岔时构架横向加速度峰值显著减小。17.72%，16.08%，50.21%；当列车分别以100，200，300 km/h及400 km/h速度通过岔后时，构架垂向加速度峰值分别降低4.31%，23.72%，1.81%，11.34%。通过个性化道岔钢轨打磨，列车通过道岔时构架垂向加速度峰值减小。