小半径曲线段钢轨打磨方案比选及动力特性研究

张 斌, 汪龙洋, 杨宗超, 孙 奇, 万文超, 汤金伟

(1.华东交通大学 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室,南昌 330013;2.华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,南昌 330013;3.中铁物总运维科技有限公司,北京 100036;4.中国铁路南昌局集团有限公司,南昌 330002;5.中国铁路广州局集团有限公司 惠州工务段,广东 惠州 516000)

铁路运输行业发展迅速,国内主要铁路干线逐渐呈现饱和运营,轮轨间磨损问题也愈发严重。相较于直线线路,小半径曲线段会产生较大的轮轨横向力,加剧轮轨磨耗,更易出现波磨、疲劳裂纹等病害。因此,小半径曲线段的钢轨维护需求十分迫切。从工务部门角度出发,钢轨打磨是一种常用于改善轮轨磨损、延长钢轨使用寿命的方法。传统打磨方式往往只对钢轨表面病害进行清除,轮轨接触关系难以有效改善,导致打磨过后一段周期内病害反复出现[1]。

针对钢轨打磨,国内外学者进行了大量研究。许自强等[2]研究了小曲线轮缘异常磨耗问题,提出优先对钢轨打磨恢复钢轨设计廓形以降低动车组轮缘磨耗速率;林凤涛等[3]提出了以延长钢轨使用寿命为目标的曲线区段钢轨打磨廓形设计方法;Fan等[4]通车体横向振动加速度等4个动力学指标验证了钢轨打磨方法的合理性;Liu等[5]设计了新型钢轨目标廓形以延长钢轨使用寿命;Zeng等[6]通过非对称钢轨打磨提高了列车曲线通过能力,减少了钢轨侧磨;Zhao等[7]通过钢轨打磨减少了地铁通过特定曲线时的车辆内部噪声;Micha⊇l等[8]研究了钢轨周期性打磨与钢轨滚动接触疲劳之间的关系;李立等[9]探讨了一种小半径曲线钢轨非对称打磨廓形的优化模型;吴磊等[10]提出了一种针对重载铁路以最小打磨量为目标的钢轨廓形设计方法;杨逸航等[11]分析了病害打磨与个性化打磨两种模式对列车动力学性能的影响;郭战伟[12]研究了轮轨蠕滑最小化问题,以期改善轮轨关系达到延长钢轨使用寿命的目的;王军平等[13]分析了实际案例中不同线路个性化钢轨廓形打磨方法;贾晋中等[14]设计了适用于小半径曲线轨道新钢轨预防性打磨的钢轨目标廓形;吴宵等[15]对铁路钢轨廓形磨耗发展规律及打磨周期进行了专题研究。目前,钢轨打磨廓形的设计方法单一,多数未考虑线路资料、通过车辆等情况,打磨效果的评价方法较少,打磨效果跟踪观测不足。本文选取两条实际运营线路作为研究对象,以改善轮轨关系、延长钢轨打磨周期为目标,设计个性化钢轨打磨方案,并对其进行9个月的跟踪观测,通过对比探究个性化打磨的优劣。

1 现场打磨及接触分析

1.1 打磨方案

制定不同打磨方案进行比选,选取两条试验线路均为沪昆普速铁路繁忙干线。曲线A半径为500 m,年通过总质量为75.506 Mt,采取个性化打磨方案;曲线B半径为500 m,年通过总质量为75.346 Mt,采取传统修复性打磨方案。个性化钢轨廓形打磨方案制定步骤主要包含钢轨打磨廓形设计、钢轨打磨模式设计与钢轨打磨结果验收等。个性化打磨实施流程如图1所示。

图1 个性化打磨实施流程Fig.1 Flow chart of personalized grinding

试验线路钢轨廓形情况如图2所示,试验线路曲线A轨道上股存在较为严重的侧磨,内侧存在疲劳裂纹,光带较宽;轨道下股轨顶存在严重的疲劳裂纹及掉块现象。试验线路曲线B轨道上股存在侧磨现象,轨距角掉块较为严重;轨道下股轨顶出现连续的疲劳剥离掉块。

图2 试验线路钢轨廓形情况Fig.2 Rail profile of test lines

试验线路曲线A钢轨病害分析:曲线上股侧磨较严重,主要是由轮轨间不良的轮轨接触关系产生较大的横、纵向蠕滑力导致;曲线下股存在明显的塑性变形,导致钢轨光带较宽。因此,对于曲线A进行个性化打磨需要从改善轮轨接触关系和减小轮轨蠕滑方面进

行考虑。作为对比方案,试验线路曲线B采用传统修复性打磨方案,以清除钢轨表面病害为目标。

1.2 廓形采集及设计

对试验曲线进行廓形采集,实测钢轨廓形与打磨设计钢轨廓形对比情况,如图3所示,由图3可知:曲线A上股左侧非工作边高于设计廓形约1.8 mm,曲线A上股右侧工作边与设计廓形较为吻合;曲线A下股整体廓形高于设计廓形约1.3 mm。曲线B上股左侧非作用边与设计廓形较为吻合,右侧作用边高于设计廓形0.5 mm;曲线B下股左侧作用边高于设计廓形约1.7 mm,右侧非作用边高于设计廓形约0.9 mm。

图3 钢轨打磨廓形设计Fig.3 Rail grinding profile design

打磨车打磨角度分布如图4所示。见图4可知,两种打磨模式主要区别在于曲线上股,修复性打磨以清除钢轨病害为目标,上股重点打磨病害区域(8°～45°),打磨量为0.5～0.8 mm;个性化打磨以目标廓形打磨兼顾病害处理为目标,将小半径曲线上股的侧边对齐时,轨距角弧度处基本贴合,非作用边和轨顶区域较高,轨顶区域(-3°～4°)打磨量为0.8～1.6mm,作用边病害打磨则采用全覆盖模式进行处理,按1～4遍进行打磨,打磨量为0.15～0.60 mm;对小半径曲线下股,重点打磨轨顶面区域,打磨量为0.4～1.0 mm,优先打磨非作用边和作用边,并对轨顶面处进行4次波磨打磨,解决波磨掉块问题。

图4 打磨角度分布Fig.4 Grinding angle distribution

1.3 钢轨表面状态变化

钢轨表面状态是判断钢轨打磨效果的重要指标,本文对两条试验曲线进行打磨效果跟踪观测。表1中照片拍摄角度均为从轨道中心线向上股或下股拍摄,即一个图幅中,上半幅为钢轨非工作边、下半幅为钢轨工作边。由表1可知,曲线A打磨后,上股轨顶的掉块及内侧的疲劳裂纹得到消除,非工作边未接触,接触光带向工作边移动,下股轨顶掉块也基本得到了清理;打磨9个月后,上股和下股的轨面伤损发展均得到较好控制。曲线B打磨后,上股内侧掉块基本得到了消除,下股轮轨接触依然集中在轨顶区域,工作边有少量接触光带,轨顶掉块情况已有大幅改善;打磨9个月后,上股轨距角处掉块伤损逐渐显现并发展,轨肩鱼鳞伤损发展明显,下股轨顶已产生明显疲劳掉块。从观测结果推论,相较于修复性打磨,个性化打磨的廓形保持能力更佳,延长了钢轨打磨周期。

表1 钢轨表面状态观测Tab.1 Observation of rail surface condition

1.4 GQI指数变化

钢轨GQI(grinding guality index)是评估钢轨打磨廓形与设计廓形贴合度的重要指标。GQI值>80则说明钢轨打磨质量合格,分数越高则实测廓形与目标廓形越接近。曲线A、曲线B的钢轨GQI变化如图5所示。

图5 钢轨GQI指数变化情况Fig.5 GQI index change of rail

曲线A通过钢轨廓形个性化打磨后,曲线上股GQI提升至平均分约87分;曲线B通过钢轨廓形修复性打磨后,曲线上股GQI也有明显提升,但是,因为轨距角位置伤损,轨肩较设计廓形低,GQI值未达到合格标准。打磨作业一段时间后,随着通过总质量的增加,GQI均有下降趋势,其中,曲线B上股GQI降幅较为明显,这与其廓形磨耗密切相关。

1.5 静态接触分析

将两种打磨方案打磨前后钢轨廓形与轮对进行匹配,轮轨静态接触分布情况如图6所示。由图6可知:曲线A打磨前,上股轨距角侧磨损较大,接触点集中在轨顶区域,横移8～10 mm接触点跳跃较大,影响曲线通过时的平稳性;下股接触点集中在轨距角区域周围,轮轨在该区域过渡时易出现两点接触,造成磨耗不均匀。曲线A打磨后,上股轮轨接触分布更加均匀,接触点跳跃现象消失,提高了车辆曲线通过能力。曲线B仅对钢轨病害进行打磨,轮轨接触几何特性未得到明显改善。

图6 轮轨静态接触分析Fig.6 Wheel-rail static contact analysis

2 动力学计算与分析

2.1 动力学模型建立

利用动力学软件UM建立普速铁路客车车辆模型,包括车体、转向架、轮对、悬挂系统、减振器和横向止挡等部件,车轮采用LM磨耗型踏面。轨道模型选取小半径曲线地段,钢轨廓形通过导入打磨前、后实测数据,对比分析两种打磨方案对轮轨系统动力学的影响。

2.2 轮轨蠕滑特性

由于列车通过曲线段时两轮存在滚动半径差,这时轮轨之间出现轮轨蠕滑。轮轨间蠕滑现象使钢轨受力状态进一步复杂化,是造成钢轨侧磨、疲劳伤损等病害的重要原因之一。列车通过曲线A、曲线B时轮轨蠕滑率时域变化对比情况如图7、图8所示。

图7 曲线A蠕滑率时域变化图Fig.7 Creep rate variation of curve A

图8 曲线B蠕滑率时域变化图Fig.8 Creep rate variation of curve B

由图7、图8可知,相较于钢轨打磨前,采用个性化打磨的曲线A横向、纵向蠕滑率分别降低60.45%,33.95%,改善效果显著。其主要原因在于个性化打磨通过具体线路与车轮踏面匹配而设计打磨方案,优化了曲线线路轨道上下股的目标廓形,提高了轮对等效锥度,轮对导向力矩增大,从而减小了轮轨冲角,轮轨横向蠕滑率降低。同时,轮对等效锥度的提高也减小了轮对在曲线上的横向位移量,轮轨纵向蠕滑率降低。蠕滑率的降低延缓了轮缘磨耗与钢轨侧磨,延长了钢轨使用寿命。曲线B采用传统修复性打磨,横向、纵向蠕滑率分别降低3.58%,2.18%,改善效果不明显。

2.3 轮轨磨耗特性

小半径曲线段是轮轨磨耗发生的重灾区,尤其在蠕滑率较高地段,轮轨磨耗发展迅速。针对轮轨磨耗,学术界有许多评定标准,本文采用爱因斯(Elkins)磨耗指数进行评价。列车通过曲线A、曲线B时磨耗指数时域变化对比情况如图9所示。

图9 磨耗指数对比图Fig.9 Comparison of wear index

由图9可知,相较于钢轨打磨前,采用个性化打磨的曲线A磨耗指数降低24.13%,改善效果显著。个性化打磨使得轮轨接触关系得到实质性改善,轮轨接触分布更加均匀,有效减小了由轮轨间应力集中产生的不良后果,延长了钢轨使用寿命与打磨周期。曲线B采用传统修复性打磨,磨耗指数降低4.85%,由于修复性打磨未对轮轨接触关系有明显改善作用,故其轮轨间磨耗问题也并未得到根本性解决。

2.4 列车运行平稳性

加速度是衡量列车运行平稳性及振动特性的重要指标,车辆通过曲线时的振动水平也直接影响旅客的舒适度。列车通过曲线A、曲线B时加速度时域变化对比情况,如图10、图11所示。

图10 曲线A车体加速度时域变化图Fig.10 Vehicle acceleration variation of curve A

图11 曲线B车体加速度时域变化图Fig.11 Vehicle acceleration variation of curve B

由图10、图11可知,相较于钢轨打磨前,采用个性化打磨的曲线A车体横向加速度、垂向加速度分别降低19.69%,30.74%。个性化打磨使得列车通过曲线时接触点跳跃现象消失,列车运行平稳性得到良好改善。曲线B采用传统修复性打磨,车体横向加速度、垂向加速度分别降低2.17%,2.86%,未起到提高车辆曲线通过能力的作用。

2.5 列车运行安全性

相较于直线线路,小半径曲线段列车的脱轨风险有所增加,脱轨系数是衡量列车运行安全性的重要指标。列车通过曲线A、曲线B时脱轨系数时域变化对比情况如图12所示。

图12 脱轨系数对比Fig.12 Comparison of derailment coefficient

由图12可知,相较于钢轨打磨前,采用个性化打磨的曲线A脱轨系数降低26.11%,个性化打磨方案消除了曲线上股的塑性变形,提高了列车运行安全性。曲线B采用传统修复性打磨方案,脱轨系数仅降低4.61%,未起到增强车辆曲线通过安全性的作用。

3 结 论

选取小半径曲线段磨耗钢轨进行打磨方案比选,跟踪观测钢轨表面状态,建立车辆-轨道动力学模型分析打磨方案对轮轨动力特性的影响,综合评价打磨效果。主要得到以下结论:

(1) 个性化打磨与修复性打磨均可以对钢轨表面病害进行清除,个性化钢轨打磨明显改善曲线上下股轮轨接触区域分布,使得轮轨接触分布更为均匀,对轮轨蠕滑特性、轮轨磨耗特性、列车运行稳定性和安全性指标改善均优于修复性打磨。

(2) 个性化打磨实施后,曲线上股钢轨GQI明显提升;打磨9个月后,修复性打磨的钢轨轨面已出现明显伤损,个性化打磨则对钢轨轨面伤损发展起到较好的控制作用。

(3) 与传统修复性打磨方案相比,个性化打磨方案综合考虑线路实际运行情况与钢轨磨耗状态,消除病害的同时提高列车运行品质,延长钢轨服役时间,对小半径曲线段钢轨现场打磨作业具有重要指导意义。