高速鐵路道岔受限區(qū)鋼軌打磨對列車動力學(xué)性能的影響

楊逸航 肖乾

1.中鐵物總運(yùn)維科技有限公司，北京 100036；2.華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013

隨著高速鐵路運(yùn)量不斷增加，道岔鋼軌廓形不良、鋼軌疲勞裂紋、光帶寬度不均勻等病害逐漸產(chǎn)生，鋼軌打磨作為鋼軌病害預(yù)防及修理最有效的手段越來越受到工務(wù)部門的重視［1-4］。道岔尖軌轍叉部位及心軌轍叉部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成部件較多，無法使用國內(nèi)大型道岔打磨車進(jìn)行打磨，故稱為道岔受限打磨區(qū)［5］。此區(qū)域需要使用小型機(jī)械（人工）打磨進(jìn)行補(bǔ)充，控制其軌面病害發(fā)展［6］。

國內(nèi)外諸多專家對高速鐵路鋼軌打磨進(jìn)行了研究。Mach［7］對道岔打磨進(jìn)行了研究，表明通過道岔打磨可以減小道岔維修成本。Zarembski［8］對專用道岔打磨設(shè)備進(jìn)行了細(xì)致的分析。Xin等［9］建立三維顯式有限元模型分析打磨對道岔性能的影響，發(fā)現(xiàn)打磨修復(fù)操作不當(dāng)可能會導(dǎo)致鋼軌材料性能發(fā)生不良變化，進(jìn)而鋼軌出現(xiàn)缺陷。張鵬飛等［10］研究了岔區(qū)軌件打磨對高速鐵路列車動力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明鋼軌打磨是改善岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系、提升動車組運(yùn)行品質(zhì)的有效手段。宗聰聰?shù)龋?1］對道岔尖軌段打磨目標(biāo)廓形進(jìn)行了優(yōu)化，有效降低了輪軌間的接觸應(yīng)力峰值。楊逸航等［12］對傳統(tǒng)道岔病害打磨方式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)打磨后鋼軌內(nèi)側(cè)出現(xiàn)棱角，車輛動力學(xué)特性未得到明顯改善。王平等［13］設(shè)計了適合時速400 km寬軌距的高速道岔，為此類道岔打磨提供了理論基礎(chǔ)。

目前關(guān)于道岔受限打磨區(qū)（簡稱道岔受限區(qū)）鋼軌打磨的研究仍然較少。本文對高速鐵路18號道岔受限區(qū)小型機(jī)械（簡稱小機(jī)）打磨前后鋼軌廓形幾何特性進(jìn)行分析，并建立車輛-道岔耦合動力學(xué)模型，研究道岔受限區(qū)小機(jī)打磨前后高速列車直向通過時的動力學(xué)特性。

1 輪軌接觸幾何特性分析

1.1 車輪踏面廓形

選取高速列車S1002CN型車輪，通過測量80個磨耗車輪的踏面廓形，采用算術(shù)平均法［14］選取出一個代表性磨耗車輪，并與全新車輪廓形進(jìn)行對比，如圖1所示?？芍?，磨耗車輪踏面磨耗深度為0.61 mm，輪緣磨耗深度為4.1 mm。

圖1 磨耗車輪與全新車輪踏面廓形對比

1.2 尖軌轉(zhuǎn)轍部位鋼軌廓形

尖軌轉(zhuǎn)轍部位降低值為尖軌與基本軌的相對高差，偏差允許范圍為±1 mm。降低值過大，輪軌接觸關(guān)系不合理，可能導(dǎo)致行車平穩(wěn)性下降；降低值不足，尖軌提前受力，易造成疲勞傷損，降低尖軌使用壽命［15］。18號高速道岔尖軌轉(zhuǎn)轍部位特征斷面位置及標(biāo)準(zhǔn)降低值見表1。

表1 尖軌轉(zhuǎn)轍部位特征斷面位置及標(biāo)準(zhǔn)降低值mm

打磨前后尖軌轉(zhuǎn)轍部位特征斷面廓形見圖2。可知，廓形打磨后各斷面尖軌工作邊均明顯低于打磨前，尖軌15斷面（15.0 mm寬斷面簡稱15斷面，以此類推）、35斷面、40斷面最大打磨磨削量分別為0.65、0.81、0.80 mm。

圖2 打磨前后尖軌轉(zhuǎn)轍區(qū)特征斷面廓形

對尖軌或基本軌頂面進(jìn)行打磨可改善降低值。若降低值較大，需要對基本軌軌頂進(jìn)行打磨；若降低值較小，需要對尖軌軌頂進(jìn)行打磨。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，打磨前尖軌15斷面、35斷面、40斷面的降低值分別為3.5、0.1、0.9 mm，打磨后分別變?yōu)?.1、0.3、0.4 mm，顯然打磨后各斷面的降低值均更接近標(biāo)準(zhǔn)降低值。

1.3 心軌轍叉部位鋼軌廓形

18號高速道岔心軌轍叉部位特征斷面位置及標(biāo)準(zhǔn)降低值見表2。

表2 心軌轍叉部位特征斷面位置及標(biāo)準(zhǔn)降低值/mm

打磨前后心軌轍叉部位特征斷面廓形見圖3?？芍未蚰ズ笮能壒ぷ鬟吘黠@低于打磨前，其中22.5斷面、40斷面、50斷面最大打磨磨削量分別為0.82、0.75、0.78 mm。

圖3 打磨前后心軌轍叉部位特征斷面廓形

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，打磨前心軌22.5斷面、40斷面、50斷面降低值分別為4.4、1.5、0.3 mm，打磨后分別變?yōu)?.0、1.4、0.2 mm，顯然打磨后各斷面的降低值均更接近標(biāo)準(zhǔn)降低值。

1.4 受限區(qū)輪軌接觸等效錐度

輪軌接觸幾何特性對輪軌動力學(xué)特性影響很大，等效錐度是輪軌幾何接觸中的重要參數(shù)。等效錐度過大容易導(dǎo)致列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架失穩(wěn)，過小則容易導(dǎo)致列車車體晃動［16］。當(dāng)CRH380B型車S1002CN車輪踏面與鋼軌接觸時，等效錐度變化理想范圍為0.050～0.179［17］。采用UIC519［18］計算打磨前后道岔受限打磨區(qū)特征斷面鋼軌廓形與全新車輪踏面及磨耗車輪踏面匹配的等效錐度，結(jié)果見表3。

表3 打磨前后受限區(qū)特征斷面輪軌接觸等效錐度

由表3可知：

①對于道岔尖軌轍叉部位，打磨前的特征斷面與全新車輪接觸時，輪軌接觸等效錐度均在理想范圍內(nèi)；打磨前的尖軌40斷面與磨耗車輪接觸時，輪軌接觸等效錐度不在理想范圍內(nèi)。打磨后各特征斷面與全新車輪接觸時的輪軌接觸等效錐度均明顯降低，其中尖軌40斷面降低幅度最大，為5.04%；打磨后各特征斷面與磨耗車輪接觸時的輪軌接觸等效錐度也均有明顯降低，其中尖軌40斷面降低幅度最大，為17.20%

②對于道岔心軌轍叉部位，打磨前的特征斷面與全新車輪接觸時，輪軌接觸等效錐度均在理想范圍內(nèi)；打磨前的心軌40斷面、50斷面與磨耗車輪接觸時，輪軌接觸等效錐度不在理想范圍內(nèi)。打磨后各特征斷面與全新車輪接觸時的輪軌接觸等效錐度均明顯降低，其中心軌50斷面降低幅度最大，為27.72%；打磨后各特征斷面與磨耗車輪接觸時的輪軌接觸等效錐度也均有明顯降低，其中心軌50斷面降低幅度最大，為52.36%

2 車輛-道岔耦合動力學(xué)模型建立

基于動車組各項(xiàng)參數(shù)，建立動車組車輛精細(xì)模型［19］。車輛模型共計50個自由度，包括1個車體、2個構(gòu)架、8個軸箱和4個輪對，其中車體、構(gòu)架、輪對各6個自由度，軸箱相對輪對有1個轉(zhuǎn)動自由度。輪對與構(gòu)架通過一系懸掛相連，二系懸掛則連接車體與構(gòu)架。建模過程中充分考慮橫向止擋，懸掛力元等非線性特性。二系空氣彈簧使用彈簧阻尼力元模擬，轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)使用特殊力元模擬。

車輛模型中充分考慮非線性輪軌蠕滑特性和非線性輪軌接觸幾何關(guān)系，同時將擬合處理好后的道岔線型輸入至動力學(xué)軟件中，建立車輛-道岔耦合動力分析模型。在道岔模型上每隔一段距離設(shè)定間距0.63 m的獨(dú)立力元。道岔前后正線扣件為WJ?8型扣件，岔區(qū)采用Ⅱ型彈條扣壓鋼軌，垂向剛度35 kN/mm，橫向剛度50 kN/mm，阻尼75 kN·s/m。軌道不平順設(shè)定為德國低干擾譜，數(shù)值分析方法采用基于二階變步長的隱式求解法的有限差分方法。

3 車輛動力學(xué)特性仿真分析

3.1 構(gòu)架橫向加速度

打磨前后列車通過道岔受限區(qū)時構(gòu)架最大橫向加速度隨車速的變化曲線見圖4。

圖4 構(gòu)架最大橫向加速度隨車速的變化曲線

由圖4可知：①隨著車速逐漸提高，構(gòu)架最大橫向加速度呈增大趨勢。②全新車輪與打磨前后的鋼軌接觸時構(gòu)架最大橫向加速度均明顯小于磨耗車輪。③對鋼軌廓形打磨后，不同車速下全新車輪與鋼軌接觸時的構(gòu)架最大橫向加速度均減小，且各車速下的減小幅度差異不大，其中車速300 km/h時減小幅度最大，為10.08%；車速250 km/h時減小幅度最小，為10.04%。④對鋼軌進(jìn)行廓形打磨后，不同車速下磨耗車輪與鋼軌接觸時的構(gòu)架最大橫向加速度均減小，且各車速下的減小幅度差異不大，其中車速250 km/h時減小幅度最大，為9.91%；車速300 km/h時減小幅度最小，為9.77%。

綜上，在不同的列車運(yùn)行速度下，道岔受限區(qū)鋼軌打磨均可有效減小構(gòu)架橫向振動。

3.2 車體橫向加速度

打磨前后列車通過道岔受限區(qū)時車體最大橫向加速度變化曲線見圖5。

圖5 車體最大橫向加速度隨車速的變化曲線

由圖5可知：①隨著車速逐漸提高，車體最大橫向加速度呈增大趨勢。②全新車輪與打磨前后的鋼軌接觸時，車體最大橫向加速度均明顯小于磨耗車輪。③對鋼軌廓形打磨后，不同車速下全新車輪與鋼軌接觸時的車體最大橫向加速度均減小，且各車速下的減小幅度差異不大，其中車速350 km/h時減小幅度最大，為10.1%；車速為300 km/h時減小幅度最小，為8.34%。④對鋼軌廓形打磨后，不同車速下磨耗車輪與鋼軌接觸時的車體最大橫向加速度均減小，且各車速下的減小幅度差異不大，其中車速250 km/h時減小幅度最大，為11.19%；車速350 km/h時減小幅度最小，為10.00%。

綜上，在不同的列車運(yùn)行速度下，道岔受限區(qū)鋼軌打磨均可有效減小車體橫向振動。

4 現(xiàn)場測試

基于RVT?8平穩(wěn)性添乘儀，工務(wù)部門實(shí)時添乘測量道岔受限區(qū)打磨前后列車車尾通過時的車體橫向加速度，結(jié)果見圖6。

圖6 實(shí)時添乘測量道岔受限區(qū)打磨前后車體橫向加速度

由圖6可知：對于尖軌轍叉部位（里程1.955～12.917 m），打磨前最大車體橫向加速度為0.50 m/s2，打磨后降為0.24 m/s2，降低51.81%；對于心軌轍叉部位（里程57.365～59.225 m），打磨前最大車體橫向加速 度 為0.58 m/s2，打 磨 后 降 為0.39 m/s2，降 低32.54%?？梢?，道岔受限區(qū)打磨后列車運(yùn)行橫向穩(wěn)定性得到改善。

道岔受限區(qū)打磨前后動檢車通過時的車體橫向加速度見圖7。

圖7 動檢車通過打磨前后道岔受限區(qū)橫向加速度

由圖7可知：對于尖軌轍叉部位，打磨前最大橫向加速度為0.69 m/s2，打磨后降為0.59 m/s2，降低14.29%；對于心軌轍叉部位，打磨前最大橫向加速度為0.58 m/s2，打磨后降為0.29 m/s2，降低50.00%?？梢姡啦硎芟迏^(qū)打磨后列車運(yùn)行橫向穩(wěn)定性得到較好的提升。

5 結(jié)論

1）廓形打磨后，尖軌轍叉部位及心軌轍叉部位內(nèi)側(cè)工作邊明顯低于打磨前，且打磨后降低值得到明顯優(yōu)化，更貼近標(biāo)準(zhǔn)降低值。通過分析輪軌接觸幾何特性可知，全新車輪及磨耗車輪與打磨后道岔尖軌轍叉部位及心軌轍叉部位特征斷面接觸時，等效錐度均得到明顯改善，且均在理想范圍。

2）通過建立車輛-道岔耦合動力學(xué)仿真模型仿真計算可知，在不同運(yùn)行速度下，全新車輪及磨耗車輪與打磨后列車通過道岔時的構(gòu)架橫向加速度及車體橫向加速度也明顯降低，列車運(yùn)行橫向穩(wěn)定性得到較好提升。

3）尖軌轍叉部位打磨后實(shí)時添乘測量列車車尾及動檢車的車體橫向加速度均減小，分別減小51.81%、14.29%，同時，心軌轍叉部位打磨后實(shí)時添乘測量車尾列車及動檢車橫向加速度減小，分別降低32.54%、50.00%，進(jìn)一步說明道岔受限區(qū)打磨后列車運(yùn)行橫向穩(wěn)定性得到了明顯的改善。