钢轨打磨对车辆系统动力学的影响

以道岔钢轨为研究对象，对线路钢轨实施个性化廓形打磨，采用Simpack建立车辆系统动力学模型，分析钢轨打磨前后轮轨动力学性能变化。实验结果表明，钢轨实施打磨后轮轨接触几何分布较打磨前均匀，车轮横向力、磨耗系数、脱轨系数等指标均有所改善，分别下降了16.95%、11.61%、10.26%，通过道岔钢轨打磨可以有效提升车辆运行稳定性，同时对延长轮轨服役时间具有积极作用。

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引言

随着我国铁路向高速、重载方向发展，轮轨不可避免地会产生严重的磨耗问题，直接恶化轮轨关系，影响车辆运行安全性、平稳性及舒适性，甚至会造成严重的行车安全事故[1]。

目前主要通过钢轨打磨手段调整钢轨廓形，消除钢轨表面病害以改善轮轨关系，延缓轮轨磨耗，进而延长钢轨服役寿命[2]。杨宗超等人通过仿真计算研究了钢轨廓形打磨对车辆通过小曲率半径线路的动力学影响[3]；李贵宇等人研究了不同打磨模式对高速动车组运行性能的影响，提出一个钢轨打磨限值廓形[4]；王军平等人基于轮轨接触特性提出多指标钢轨廓形打磨优化设计方法，改善了轨面疲劳损伤与波磨[5]；李立等人基于车辆系统动力学指标提出一种针对小半径曲线非对称打磨廓形的设计方法，改善了列车小半径曲线动力学性能[6]。

本文以道岔钢轨为研究对象，建立了车辆系统动力学模型，通过数值仿真分析打磨效果对轮轨动力学的影响。

 

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钢轨打磨实施

图1所示为湖航高铁下行线道岔钢轨打磨前后钢轨表面，采用北京同和时代MS-10C实施钢轨打磨，实际打磨速度为1.2 km/h，打磨功率70%，打磨后钢轨打磨质量采用钢轨打磨质量指数（Grinding Quality Index，GQI）评价，其具体计算公式为：

式中：K1、K2为权重系数；GD为钢轨廓形法向偏差指数；GA为面值偏差指数。

图2给出了钢轨打磨前后几何廓形图，可以看出实施打磨后的钢轨几何廓形较打磨前更加平滑，消除了几何凸起及尖角等问题，采用公式（1）计算出的质量指数为93.1，打磨质量良好。

 

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轮轨动力学响应分析

根据车辆系统参数采用Simpack构建车辆系统动力学模型，具体如图3所示。所建模型由1个车体和2个转向架组成，转向架由1个构架、2个轮对、4个轴箱组成，其中轮对与构架通过一系悬挂连接，转向架与车体通过二系悬挂连接。

2.1  轮轨几何接触分析

为研究道岔钢轨打磨前后轮轨几何接触关系，取轨距1 435 mm，轨底坡1/40，采用迹线法计算了钢轨打磨前后轮对左右横移12 mm范围内接触点分布，其几何接触关系如图4所示。可以看出打磨后轮轨接触点分布宽度较钢轨打磨前的轮轨接触点分布更加均匀，轮轨发生磨耗的范围更宽，减少了轮轨触应力集中等问题，降低了轮轨滚动接触疲劳失效概率。

 

2.2  车轮横向力

合理的轮轨接触横向力可以引导车轮转向，便于车辆通过小半径曲线。但过大的横向力将引起轮轨剧烈磨损，加剧轮轨疲劳，甚至会引发车辆脱轨，因此必须合理控制轮轨横向力。图5比较了钢轨打磨前后轮轨横向力，打磨后轮轨横向力较打磨前明显下降，打磨前轮轨横向力最大值达到28.9 kN，而打磨后轮轨横向力最大值为24 kN，轮轨横向力下降了16.95%。

2.3  轮轨磨耗指数

轮轨磨耗指数用于衡量轮轨服役过程中的轮轨磨耗程度，轮轨磨耗指数越大，则轮轨磨耗越严重，反之轮轨磨耗程度越小，其计算方法如式（2）所示：

式中：Fx，ξ，Fy，ξ分别为纵向蠕滑力、纵向蠕滑距离、横向蠕滑力及横向蠕滑距离。

图6比较了钢轨打磨前后轮轨磨耗指数，可以看出车辆运行在钢轨打磨前线路中的轮轨磨耗指数较高，而打磨后轮轨磨耗指数较低，较打磨前平均降低了11.61%。

2.4  脱轨系数

脱轨系数是衡量轨道车辆运行安全性的重要指标之一，其值由轮轨横向力与垂向力的比值所确定。图7所示为钢轨打磨前后脱轨系数图，可以看出打磨后的脱轨系数较打磨前小，打磨前脱轨系数最大值为0.43，打磨后脱轨系数最大值为0.39，脱轨系数降低了10.26%。根据《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB 5599—85），打磨后脱轨系数符合安全裕度标准。

 

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结论

本文通过建立车辆系统动力学模型，研究了钢轨打磨对车辆系统动力学的影响，主要结论如下：

（1）车辆通过打磨后的道岔钢轨线路时，轮轨横向力减小，较打磨前平均下降了16.95%，脱轨系数较打磨前下降了10.26%，提升了车辆道岔通过性能。

（2）道岔钢轨线路打磨后，轮轨磨耗指数下降，平均下降了11.61%，延缓了轮轨接触磨耗，延长了轮轨服役寿命。

　　

      审核编辑：彭静