高速鐵路鋼軌型面變化的跟蹤觀測(cè)及仿真分析＊

李海鋒 陳 文 陳 雯

（同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，201804，上海／／第一作者，講師）

鋼軌型面狀態(tài)是影響輪軌接觸的重要因素之一。良好的鋼軌型面狀態(tài)可有效地減小輪軌間作用力，減緩輪軌傷損的產(chǎn)生及發(fā)展，降低輪軌振動(dòng)及噪聲，從而延長(zhǎng)輪軌使用壽命，降低輪軌系統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)維修成本。同時(shí)，為提高鋼軌管理的針對(duì)性、及時(shí)性和有效性，在高速鐵路運(yùn)營(yíng)的初期，即提出并開(kāi)展鋼軌型面變化規(guī)律跟蹤觀測(cè)的任務(wù)。

結(jié)合實(shí)施中的滬寧城際鐵路某曲線地段鋼軌型面變化的跟蹤試驗(yàn)，對(duì)所觀測(cè)的型面數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，研究其開(kāi)通運(yùn)行一年內(nèi)的鋼軌型面變化情況；同時(shí)，以所測(cè)鋼軌型面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件分析輪軌接觸位置的變化趨勢(shì)，并將理論分析與跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，從而確認(rèn)高速鐵路運(yùn)營(yíng)初期鋼軌型面的發(fā)展變化規(guī)律，以期為高速鐵路的養(yǎng)護(hù)維修工作提供參考和借鑒。

1 跟蹤試驗(yàn)條件

滬寧城際鐵路于2010年7月1日正式開(kāi)通運(yùn)行，其設(shè)計(jì)時(shí)速為350km／h。本次跟蹤觀測(cè)段設(shè)置在滬寧城際鐵路丹陽(yáng)——常州間上行線路上，試驗(yàn)段主要包含一條曲線（曲線參數(shù)如表1所示）及連接該曲線的部分直線段。

表1 跟蹤試驗(yàn)段曲線參數(shù)

沿線路每隔10m設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)（曲線內(nèi)外 股相同），共107對(duì)。

鋼軌型面測(cè)量工具以RM2007型鋼軌磨耗測(cè)量?jī)x為主。

2 鋼軌型面觀測(cè)及其數(shù)據(jù)分析

2.1 鋼軌型面數(shù)據(jù)采集

在正式通車前，滬寧城際鐵路于2010年5月進(jìn)行了鋼軌預(yù)打磨。為此，在2010年5月至2011年6月間，共完成了4次鋼軌型面觀測(cè)。具體觀測(cè)信息如表2所示。

表2 鋼軌型面觀測(cè)信息

典型的鋼軌型面測(cè)量結(jié)果如圖1所示。

圖1 典型鋼軌型面測(cè)量數(shù)據(jù)

圖中，實(shí)線為標(biāo)準(zhǔn)60kg／m鋼軌軌頭輪廓線，虛線為測(cè)點(diǎn)所在的鋼軌橫截面輪廓線。利用測(cè)量?jī)x自身附帶的軟件可以計(jì)算出測(cè)點(diǎn)位置鋼軌的垂直磨耗和側(cè)面磨耗。

2.2 鋼軌型面自動(dòng)匹配軟件的研制

在鋼軌橫截面的測(cè)量過(guò)程中，由于測(cè)試結(jié)果受到測(cè)量?jī)x擺放的水平姿態(tài)（程度）以及軌底坡的影響，偶爾會(huì)出現(xiàn)傾斜角度過(guò)大的情況，如圖2所示。因此，據(jù)此計(jì)算出的磨耗量也是不準(zhǔn)確的（圖2中所示測(cè)點(diǎn)位置的鋼軌側(cè)磨差異最大可選－0.242 mm）。

為消除因測(cè)量數(shù)據(jù)所帶來(lái)的數(shù)據(jù)分析誤差，并實(shí)現(xiàn)鋼軌型面匹配與分析的自動(dòng)化，特編寫了鋼軌型面自動(dòng)匹配程序，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的預(yù)處理（如旋轉(zhuǎn)和平移等），并可計(jì)算任意指定角度（位置）的磨耗量，從而實(shí)現(xiàn)了鋼軌型面匹配與分析的自動(dòng)化及精確化。

圖2 失真的鋼軌型面測(cè)量數(shù)據(jù)

典型分析結(jié)果如圖3所示。圖中實(shí)線為標(biāo)準(zhǔn)60kg／m鋼軌橫斷面，虛線為測(cè)點(diǎn)位置所在鋼軌的輪廓線。

圖3 鋼軌型面的自動(dòng)匹配與磨耗量的計(jì)算

2.3 鋼軌型面數(shù)據(jù)的綜合分析

利用自行研制的鋼軌型面自動(dòng)匹配與分析程序，對(duì)所測(cè)量的鋼軌型面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并計(jì)算各指定角度下的鋼軌磨耗量。

2.3.1 鋼軌預(yù)打磨效果分析

由于線路在正式運(yùn)營(yíng)前完成了鋼軌的預(yù)打磨，這導(dǎo)致了第一次測(cè)量的鋼軌截面與標(biāo)準(zhǔn)軌截面間產(chǎn)生了較明顯的差異（見(jiàn)圖3）?？梢钥闯觯A(yù)打磨在鋼軌的作用邊區(qū)域（圖3右側(cè)）打磨量較大，而在軌頂附近及偏向非作用邊區(qū)域打磨量較小。具體打磨量如圖4所示。

預(yù)打磨采用的這種“中間低，兩邊高”的打磨模式可以使鋼軌頂面產(chǎn)生一個(gè)小坡度梯形平臺(tái)，從而使輪軌接觸范圍集中在這一平臺(tái)區(qū)域，減小列車的蛇形運(yùn)動(dòng)程度。圖5和圖6分別為打磨前后鋼軌的狀態(tài)。由圖6可知，打磨后列車通過(guò)一次的輪軌接觸帶集中在軌頂中央附近，寬度約為20mm。同時(shí)，預(yù)打磨還消除了鋼軌表面的銹皮、碰傷等病害。

圖4 觀測(cè)段打磨量（平均值）示意圖

圖5 打磨前鋼軌

圖6 打磨后鋼軌

2.3.2 鋼軌磨耗量統(tǒng)計(jì)分析

由于預(yù)打磨使第一次測(cè)量的磨耗量（實(shí)為打磨量）已經(jīng)很大，因此，對(duì)于磨耗分析均以第一次所測(cè)鋼軌橫截面為基準(zhǔn)，計(jì)算其后各次測(cè)量的鋼軌橫斷面指定角度上的磨耗量。計(jì)算所有測(cè)點(diǎn)磨耗量的平均值，匯總?cè)绫?和表4所示。

圖7和圖8為表3和表4數(shù)據(jù)的圖形表示。從表3及表4圖中可看出，3次觀測(cè)的磨耗值呈逐步遞增狀態(tài)。內(nèi)軌磨耗大于0.1的區(qū)域主要集中在鋼軌頂面－5°～10°位置，平均最大磨耗值為0.24mm（位于頂面中點(diǎn)0°附近）。外軌磨耗大于0.1的區(qū)域主要集中在－5°～20°位置，平均最大磨耗值為0.34mm（位于20°附近）。與內(nèi)軌相比，外軌發(fā)生最大磨耗的位置略偏向于軌道內(nèi)側(cè)。內(nèi)軌在0°附近的磨耗量增長(zhǎng)較快，而外軌在0°和20°附近磨耗量增長(zhǎng)較快?？傮w而言，內(nèi)外軌的磨耗量均處于較小范圍內(nèi)，說(shuō)明鋼軌型面變化不大，軌道養(yǎng)護(hù)狀態(tài)良好。

表3 內(nèi)軌型面觀測(cè)平均磨耗值統(tǒng)計(jì)mm

表4 外軌型面觀測(cè)平均磨耗值統(tǒng)計(jì) mm

圖9為第四次測(cè)量的內(nèi)外軌平均磨耗值的比較?？梢钥闯?，在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)（－10°～70°）外軌的磨耗量略大于內(nèi)軌。內(nèi)外軌主要磨耗位置均集中在－5°～20°區(qū)域內(nèi)。

圖7 內(nèi)軌磨耗發(fā)展示意圖

圖8 外軌磨耗發(fā)展示意圖

圖9 內(nèi)外軌磨耗比較

3 輪軌接觸狀態(tài)分析

為進(jìn)一步從理論上探討鋼軌型面變化對(duì)輪軌接觸位置的影響，以所測(cè)鋼軌型面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，考察輪軌接觸位置的變化。典型的分析結(jié)果如圖10所示。圖中反映的是第四次測(cè)量中測(cè)點(diǎn)9、29和78所在鋼軌截面位置的輪軌接觸狀態(tài)。

輪軌接觸仿真分析的結(jié)果表明，輪軌接觸主要發(fā)生在鋼軌頂面中心附近，并略偏向軌道內(nèi)側(cè)。接觸帶的寬度大約為15～20mm。其中圖10（c）的外軌接觸帶寬度略大?？傮w而言，仿真得到的接觸帶寬度小于磨耗分析得出的－5°～20°的主要磨耗范圍，這是由于仿真結(jié)果只能代表一個(gè)轉(zhuǎn)向架通過(guò)時(shí)可能發(fā)生接觸的所有位置。不同轉(zhuǎn)向架經(jīng)過(guò)某一位置時(shí)都會(huì)或多或少地發(fā)生橫移，因此使得實(shí)際的接觸光帶寬度較大。

現(xiàn)場(chǎng)光帶觀測(cè)（見(jiàn)圖11）表明，觀測(cè)段內(nèi)大部分軌道的接觸光帶位于軌頂中心附近。個(gè)別地段存在外軌光帶變寬的現(xiàn)象，這主要是由于輪對(duì)橫移變化在此處增大所致，與圖10（c）的仿真結(jié)果基本一致。

圖10 輪軌接觸狀態(tài)的仿真分析

圖11 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的鋼軌接觸光帶

4 結(jié)論

（1）滬寧城際高鐵開(kāi)通1年內(nèi)的觀測(cè)段內(nèi)曲線鋼軌平均磨耗量最大值為0.34mm，說(shuō)明鋼軌型面狀態(tài)良好。

（2）輪軌接觸帶主要集中在軌頂中心附近，主要接觸范圍為－5°～20°，接觸帶寬度大約為20～25mm，略大于仿真分析的結(jié)果；個(gè)別地段外軌接觸帶變寬，系由于此處的輪對(duì)橫移變化較大所致。

（3）內(nèi)軌在0°附近磨耗發(fā)展較快，外軌在0°和20°附近磨耗發(fā)展較快。在主要接觸范圍內(nèi)外軌磨耗量略大于內(nèi)軌。

（4）輪軌接觸狀態(tài)的仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況較為吻合，可為高速鐵路鋼軌型面變化分析及其養(yǎng)修對(duì)策提供可資借鑒的建議。

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