重載鐵路個性化鋼軌廓形打磨技術(shù)研究

周杰神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司

摘要：本文研究提出了一種基于車輪與軌道間接觸應(yīng)力分析的鋼軌打磨方案優(yōu)化實施方案。根據(jù)輪軌接觸幾何關(guān)系，使用APDL語言建立車輪與鋼軌接觸有限元參數(shù)模型，基于該模型設(shè)計建立鋼軌與車輪的最佳接觸應(yīng)力分布。針對重載鐵路輪軌間接觸應(yīng)力分布和傷損特點，對重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)型和磨耗型75kg/m鋼軌進(jìn)行打磨目標(biāo)廓形優(yōu)化設(shè)計，從而得到與車輪匹配的打磨目標(biāo)廓形。通過分析，優(yōu)化后的輪軌接觸廓形可以顯著降低鋼軌與車輪之間的接觸應(yīng)力，為重載鐵路鋼軌打磨目標(biāo)型面的設(shè)計、實施提供指導(dǎo)。同時對預(yù)防鋼軌表面滾動接觸疲勞和延長鋼軌使用壽命等具有積極意義。關(guān)鍵詞：蠕滑力；輪廓；磨耗；接觸應(yīng)力

重載鐵路個性化鋼軌廓形打磨技術(shù)研究

周杰
神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司

摘要：本文研究提出了一種基于車輪與軌道間接觸應(yīng)力分析的鋼軌打磨方案優(yōu)化實施方案。根據(jù)輪軌接觸幾何關(guān)系，使用APDL語言建立車輪與鋼軌接觸有限元參數(shù)模型，基于該模型設(shè)計建立鋼軌與車輪的最佳接觸應(yīng)力分布。針對重載鐵路輪軌間接觸應(yīng)力分布和傷損特點，對重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)型和磨耗型75kg/m鋼軌進(jìn)行打磨目標(biāo)廓形優(yōu)化設(shè)計，從而得到與車輪匹配的打磨目標(biāo)廓形。通過分析，優(yōu)化后的輪軌接觸廓形可以顯著降低鋼軌與車輪之間的接觸應(yīng)力，為重載鐵路鋼軌打磨目標(biāo)型面的設(shè)計、實施提供指導(dǎo)。同時對預(yù)防鋼軌表面滾動接觸疲勞和延長鋼軌使用壽命等具有積極意義。
關(guān)鍵詞：蠕滑力；輪廓；磨耗；接觸應(yīng)力

一、鋼軌打磨方式

鋼軌打磨是通過打磨砂輪的旋轉(zhuǎn)磨削清除鋼軌軌頭表面魚鱗紋剝落掉塊以及沖擊磨耗等因素引起的鋼軌肥邊。隨著重載鐵路運輸朝著高效快速、長編組和高密度方向的發(fā)展，鋼軌磨損與滾動接觸疲勞更加明顯。由此引發(fā)的頻繁更換鋼軌又制約了重載鐵路的運輸能力，并且更換鋼軌的費用也是巨大的。為了延長鋼軌使用壽命，各條鐵路維護(hù)單位都在進(jìn)行研究研究，并且提出了改善軌道彈性、改善輪軌關(guān)系、加強(qiáng)小半徑曲線的養(yǎng)護(hù)維修質(zhì)量、周期性開展鋼軌打磨等多種渠道，鋼軌打磨作為一項成熟的、廣泛使用的延長鋼軌使用壽命方式，進(jìn)一步研究研究優(yōu)化的必要性充足。目前，國內(nèi)外常見的幾種鋼軌打磨組織方式分別為經(jīng)驗法、打磨模板法和恢復(fù)原廓形法。

二、個性化鋼軌廓形打磨方法

根據(jù)蠕滑最小理論，針對線路既有情況和通過車輛情況，通過目標(biāo)廓形設(shè)計、打磨方案設(shè)計，利用打磨車作業(yè)，實現(xiàn)目標(biāo)廓形和合理的輪軌接觸關(guān)系，從而達(dá)到減緩鋼軌病害發(fā)生、延長鋼軌使用壽命、提升列車運行平順性等目的。蠕滑是由車輪和鋼軌速度差引起。在很小的輪軌接觸斑范圍內(nèi)，有黏著區(qū)和滑動區(qū)，滑動區(qū)越大，蠕滑率越大，輪軌材料越易磨損。

圖1 輪軌應(yīng)力接觸點

圖2 蠕滑區(qū)和滑動區(qū)示意圖

圖3 鋼軌法向接觸應(yīng)力示意圖

曲線內(nèi)外軌期望的摩擦系數(shù)范圍，一般希望踏面上的摩擦系數(shù)在合理范圍內(nèi)，這里0.25-0.4，0.25是維持牽引和制動所必須的，0.4是上限，好的話控制在0.35以下，因為較小的踏面摩擦系數(shù)也會使輪緣反作用力減小，反之則增大。

輪緣接觸點因較大的宏觀滑動希望摩擦系數(shù)較小，從而減小磨耗量，但過小的磨耗量也會在較大的輪緣壓力下發(fā)生疲勞裂紋，因此側(cè)面的摩擦系數(shù)最佳的控制是根據(jù)疲勞裂紋的發(fā)展可調(diào)，即有時讓摩擦系數(shù)大一些，將疲勞層磨掉。摩擦系數(shù)控制不好容易造成車輪打滑。

三、個性化鋼軌廓形打磨技術(shù)思路

個性化鋼軌廓形打磨首先需要通過線路調(diào)查及車輛調(diào)查得出實際鋼軌廓形和輪對廓形，通過優(yōu)化方案設(shè)計進(jìn)而得出針對性目標(biāo)廓形輪廓，然后進(jìn)行打磨方案設(shè)計。通過現(xiàn)場技術(shù)交底，打磨作業(yè)現(xiàn)場指導(dǎo)進(jìn)行個性化分段實施，完成后按照個性化目標(biāo)輪廓設(shè)計文件進(jìn)行驗收和定期觀測效果評價分析。

（一）線路調(diào)查要素

線路調(diào)查內(nèi)容包括線名、鋼軌規(guī)格、鋼軌材質(zhì)、生產(chǎn)廠家、年通過總重，打磨路段起止位置，打磨路段線路總廠，線路分布狀況（曲線、直線分布，起止里程等信息），累計通過總重、年通過總重以及上次打磨時間。以及左右股鋼軌肥邊、魚鱗傷、側(cè)磨、波磨情況。

（二）車輛調(diào)查要素

車輛調(diào)查內(nèi)容包括貨車牽引機(jī)車車型、數(shù)量，貨車車輛車型、數(shù)量?？蛙嚑恳龣C(jī)車車型、數(shù)量，客車車輛車型、數(shù)量。

（三）個性化目標(biāo)輪廓設(shè)計

以實際線路條件為基礎(chǔ)，建立車輛-軌道耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)中線路以實際線路資料為準(zhǔn)，車輛參數(shù)采用對應(yīng)線路上運行的主要車型，設(shè)計出適用于對應(yīng)線路的鋼軌打磨目標(biāo)廓形。需考慮的因素包括：合適的輪軌等效錐度、合適的輪軌接觸位置、良好的輪軌貼合性、適當(dāng)?shù)谋砻婕羟心堋⒔档徒佑|應(yīng)力至安定極限以下、保證一定的脫軌安全性、轉(zhuǎn)向架具有較好的導(dǎo)向能力。

圖4 車輛-軌道耦合模型示例

（四）打磨方案設(shè)計

基于個性化目標(biāo)廓形，以打磨量最小化為原則，設(shè)計出針對不同實際鋼軌廓形的打磨方案。

圖5 鋼軌廓形打磨方案示意圖

（六）定期觀測效果評價分析

定期觀測效果評價指標(biāo)體系包括：鋼軌廓形變化、接觸位置變化（主光帶）、病害發(fā)展情況、軌控指標(biāo)變化、鋼軌傷損情況、其他相關(guān)指標(biāo)。

圖6 鋼軌打磨質(zhì)量分析表

四、結(jié)論

本文通過對鋼軌打磨的方式方法進(jìn)行總結(jié)和延伸，根據(jù)輪軌蠕滑形成機(jī)理的研究，提出了重載鐵路鋼軌個性鋼軌打磨的方法和理論依據(jù)，研究提出了個性化鋼軌打磨的實施方案和可行性，通過有針對性的方案設(shè)計，可以更加有針對性的消除鋼軌磨耗病害，實現(xiàn)改善輪軌關(guān)系，達(dá)到延長鋼軌使用壽命的目的。理論計算和現(xiàn)場試驗表明，實施鋼軌個性化鋼軌打磨后，滾動半徑差減小，鋼軌擴(kuò)面形狀與車輪形成貼合性接觸，可以大幅度降低輪軌蠕滑力和輪軌滑動阻力，改善輪軸轉(zhuǎn)向特性，使鋼軌的側(cè)磨、垂磨、波磨大幅度減小約40%，鋼軌使用壽命延長約50%以上。

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