鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)在朔黃重載鐵路道岔上的應(yīng)用

張一 劉永乾 吳瀟 郭貝僑

1.國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司肅寧分公司，河北肅寧062350；2.中鐵物總運(yùn)維科技有限公司，北京100036

重載鐵路在鐵路貨運(yùn)中的地位越來(lái)越重要。道岔是重載鐵路線路的重要組成部分和薄弱環(huán)節(jié)。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易導(dǎo)致內(nèi)部軌件嚴(yán)重?fù)p傷。常見(jiàn)病害包括嚴(yán)重魚(yú)鱗紋、掉塊等。

鋼軌打磨是鐵路線路常用的維修手段，能夠有效消除鋼軌表面波磨、疲勞損傷等病害，恢復(fù)鋼軌廓形，優(yōu)化輪軌關(guān)系，從而抑制鋼軌表面疲勞損傷的快速發(fā)展［1-2］。傳統(tǒng)的修理性打磨著重處理軌面病害，未考慮打磨后鋼軌廓形。2013 年以來(lái)，中鐵物總運(yùn)維科技有限公司引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)線路和車輛的實(shí)際情況提出了個(gè)性化鋼軌廓形設(shè)計(jì)打磨方法［3］，從優(yōu)化輪軌關(guān)系的角度出發(fā)，將鋼軌廓形修正至根據(jù)實(shí)際線路參數(shù)及運(yùn)行車輛情況設(shè)計(jì)出的目標(biāo)廓形，達(dá)到改善輪軌接觸幾何關(guān)系、緩解鋼軌病害的產(chǎn)生及發(fā)展、延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的目的［4-5］。此外，對(duì)道岔進(jìn)行打磨還可以消除線岔結(jié)合部的廓形差異，提高車輛通過(guò)岔區(qū)的平穩(wěn)性。

朔黃鐵路上行線年通過(guò)總質(zhì)量超過(guò)3.5 億t，道岔使用條件較為惡劣。本文以朔黃鐵路道岔打磨為背景，對(duì)比研究廓形設(shè)計(jì)打磨和修理性打磨的效果。

1 打磨方案

選取 2#、8#、215#和236#道岔作為試驗(yàn)組，采用廓形設(shè)計(jì)打磨；選取 203#、207#、240#和 242#道岔作為對(duì)照組，采用修理性打磨。其中，除215#和207#道岔打磨曲股外，其余道岔均打磨直股。

進(jìn)行廓形設(shè)計(jì)打磨時(shí)，先根據(jù)朔黃鐵路實(shí)際運(yùn)行車輛參數(shù)、實(shí)測(cè)車輪踏面等對(duì)輪軌幾何接觸關(guān)系、輪軌接觸應(yīng)力、輪軌蠕滑力、輪軌蠕滑率等動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，得到適合朔黃鐵路道岔的鋼軌目標(biāo)廓形。打磨時(shí)采用先局部修理再貫通打磨的方法消除廓形差異，提高岔區(qū)軌面平順性，保證道岔和正線鋼軌廓形良好過(guò)渡。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌廓形和病害情況，設(shè)計(jì)打磨功率為額定功率的75%，打磨速度為6 km/h，共打磨14 遍。廓形設(shè)計(jì)打磨采用單獨(dú)打磨或跳打方式處理岔區(qū)內(nèi)廓形差異較大的軌件，每打磨3 ～4遍進(jìn)行一次廓形檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整作業(yè)模式。

進(jìn)行修理性打磨時(shí)，用同一打磨模式對(duì)整個(gè)岔區(qū)進(jìn)行貫通打磨。

2 打磨效果對(duì)比

2.1 打磨后GQI對(duì)比

打磨質(zhì)量指數(shù)（Grinding Quality Index，GQI）是評(píng)價(jià)鋼軌廓形與設(shè)計(jì)廓形貼合程度的重要指標(biāo)，貼合度越好則GQI越高，滿分為100，合格為70。每組道岔打磨后，在岔前、岔中、岔后進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，取其平均GQI作為整組道岔鋼軌的GQI。

試驗(yàn)組和對(duì)照組在不同打磨方式下的道岔鋼軌GQI 對(duì)比見(jiàn)表1?？芍孩倮卧O(shè)計(jì)打磨后，直股道岔左右股鋼軌GQI 顯著提升，均達(dá)到70 以上；215#道岔曲上股和曲下股鋼軌廓形差異較大，在保證曲上股廓形到位的同時(shí)，曲下股鋼軌GQI 提升70.8%。②修理性打磨后道岔鋼軌GQI 有所提高，但由于采取前后貫通打磨的形式進(jìn)行打磨，打磨過(guò)程中重點(diǎn)處理軌面病害而未考慮鋼軌廓形，不能兼顧道岔內(nèi)各軌件廓形，因此打磨后道岔整體鋼軌廓形質(zhì)量較低，多數(shù)道岔未達(dá)合格標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同打磨方式下道岔鋼軌GQI對(duì)比

2.2 打磨后鋼軌表面狀態(tài)對(duì)比

兩種方式打磨前后道岔鋼軌表面狀態(tài)如圖1 所示?？芍孩僭囼?yàn)組道岔鋼軌在打磨前道岔軌距角存在嚴(yán)重魚(yú)鱗紋和掉塊，軌面基本滿光帶；廓形設(shè)計(jì)打磨后病害完全去除，光帶收窄至35 mm 左右，位置居中合理。②對(duì)照組道岔鋼軌打磨前光帶寬度約為60 mm，表面存在輕微麻點(diǎn)；修理性打磨后病害基本消除，曲下股光帶寬度約為55 mm，未見(jiàn)明顯改善。

圖1 兩種方式打磨前后道岔鋼軌表面狀態(tài)（單位：mm）

3 廓形打磨對(duì)輪軌關(guān)系及動(dòng)力學(xué)性能的影響

為研究廓形打磨對(duì)輪軌關(guān)系及動(dòng)力學(xué)性能的影響，利用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件建立采用ZK6轉(zhuǎn)向架的C80貨車模型，如圖2所示。ZK6轉(zhuǎn)向架主要由搖枕、側(cè)架、交叉拉桿、彈簧、軸箱、輪對(duì)等部件構(gòu)成。建模過(guò)程中，將交叉拉桿和彈簧簡(jiǎn)化為等效力元，搖枕、側(cè)架、軸箱和輪對(duì)以剛體的形式表示，車輪型面為L(zhǎng)M型踏面［6］。計(jì)算過(guò)程中，車輛以60 km/h 直向通過(guò)道岔，軌道激勵(lì)采用朔黃鐵路實(shí)測(cè)線路數(shù)據(jù)。

圖2 C80貨車動(dòng)力學(xué)模型

3.1 廓形打磨對(duì)輪軌關(guān)系的影響

選取采用廓形設(shè)計(jì)打磨的236#和采用修理性打磨的240#直股道岔進(jìn)行對(duì)比分析，打磨前后輪軌匹配關(guān)系見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 236#直股道岔廓形設(shè)計(jì)打磨前后輪軌匹配關(guān)系

圖4 240#直股道岔修理性打磨前后輪軌匹配關(guān)系

由圖3、圖4 可知：打磨前車輪與鋼軌的接觸帶均較寬，由軌頂延伸至軌距角處；236#直股道岔經(jīng)廓形設(shè)計(jì)打磨后輪軌接觸帶收窄且位置居中；而240#直股道岔經(jīng)修理性打磨后輪軌接觸帶依然較寬，且在鋼軌表面呈現(xiàn)多個(gè)不連續(xù)的接觸區(qū)間，可能導(dǎo)致軌面出現(xiàn)主次光帶現(xiàn)象?？梢?jiàn)，廓形設(shè)計(jì)打磨后輪軌關(guān)系明顯改善，軌距角接觸情況得到明顯優(yōu)化。

3.2 廓形打磨對(duì)輪軌作用力的影響

C80貨車通過(guò)采用廓形設(shè)計(jì)打磨的236#和采用修理性打磨的240#直股道岔時(shí)的輪軌作用力均方根值見(jiàn)表2。

由表2 可知：236#道岔打磨前輪軌橫向力均方根值為3.25 kN，廓形設(shè)計(jì)打磨后為2.91 kN，降低了10.4%，這是因?yàn)榇蚰ズ筝嗆壗佑|點(diǎn)居中，橫向分力減??；240#道岔打磨前輪軌橫向力均方根值為2.97 kN，修理性打磨后輪軌接觸點(diǎn)位置分布依然較寬且出現(xiàn)跳躍，使得輪軌橫向力均方根值增大到3.27 kN，上升了10.1%；廓形設(shè)計(jì)和修理性打磨對(duì)輪軌垂向力的影響不大。

3.3 廓形打磨對(duì)鋼軌磨耗的影響

輪軌相互作用力是產(chǎn)生輪軌磨耗的直接原因。不同輪軌匹配時(shí)輪軌相互作用力、作用位置不同，導(dǎo)致輪軌間出現(xiàn)不同程度、不同位置的磨耗。輪軌磨耗反映車輛通過(guò)曲線的能力。輪軌接觸斑內(nèi)所消耗的摩擦功即磨耗指數(shù)，用于評(píng)價(jià)輪軌各部分的磨耗［7］，表達(dá)式為WD=Txγx+Tyγy。其中：WD為磨耗指數(shù)，N；Tx、Ty分別為縱向、橫向蠕滑力，N；γx、γy分別為縱向、橫向蠕滑率。

采用廓形設(shè)計(jì)打磨的236#和采用修理性打磨的240#直股道岔打磨前后輪軌蠕滑率及磨耗指數(shù)見(jiàn)表3。表中數(shù)據(jù)均為均方根值。

表3 兩種方式打磨前后蠕滑率及磨耗指數(shù)的變化

由表3 可知：236#道岔，廓形設(shè)計(jì)打磨后縱向蠕滑、橫向蠕滑率、磨耗指數(shù)分別降低了43.6%、43.2%、66.4%；240#道岔修理性打磨后縱向蠕滑、橫向蠕滑率、磨耗指數(shù)分別降低了22.2%、32.3%、45.2%?？梢?jiàn)，相比修理性打磨，廓形設(shè)計(jì)打磨后縱向蠕滑率、橫向蠕滑率以及磨耗指數(shù)降低更明顯。

4 結(jié)論

本文以朔黃鐵路道岔打磨為背景，通過(guò)分析打磨前后道岔鋼軌廓形、軌面狀態(tài)、輪軌幾何接觸關(guān)系和動(dòng)力學(xué)性能的變化，對(duì)比研究廓形設(shè)計(jì)打磨和修理性打磨的效果。主要結(jié)論如下：

1）廓形設(shè)計(jì)打磨后道岔鋼軌整體GQI 顯著提高，岔區(qū)內(nèi)鋼軌廓形一致性較好；修理性打磨后廓形質(zhì)量改善較小，與設(shè)計(jì)廓形還存在明顯差距。

2）廓形設(shè)計(jì)打磨后鋼軌表面魚(yú)鱗紋、掉塊病害明顯去除，光帶明顯收窄，且光帶位置居中；修理性打磨后光帶變化較小，鋼軌表面依然存在麻點(diǎn)，病害去除效果不明顯。

3）廓形設(shè)計(jì)打磨后輪軌關(guān)系明顯改善，軌距角接觸情況得到明顯優(yōu)化；修理性打磨后輪軌接觸位置仍然較寬并且出現(xiàn)接觸點(diǎn)分布不連續(xù)情況，可能導(dǎo)致軌面出現(xiàn)主次光帶現(xiàn)象。

4）相比修理性打磨，廓形設(shè)計(jì)打磨后輪軌橫向力顯著降低，縱向蠕滑率、橫向蠕滑率以及磨耗指數(shù)降低更明顯。

5）廓形設(shè)計(jì)打磨效果明顯優(yōu)于修理性打磨。