道岔鋼軌打磨對輪軌動力學(xué)影響分析

摘

要：以道岔鋼軌為研究對象，對線路鋼軌實施個性化廓形打磨，采用Simpack建立車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析鋼軌打磨前后輪軌動力學(xué)性能變化。實驗結(jié)果表明，鋼軌實施打磨后輪軌接觸幾何分布較打磨前均勻，車輪橫向力、磨耗系數(shù)、脫軌系數(shù)等指標(biāo)均有所改善，分別下降了16.95%、11.61%、10.26%，通過道岔鋼軌打磨可以有效提升車輛運行穩(wěn)定性，同時對延長輪軌服役時間具有積極作用。關(guān)鍵詞：鋼軌打磨；道岔；磨耗；動力學(xué)0引言隨著我國鐵路向高速、重載方向發(fā)展，輪軌不可避免地會產(chǎn)生嚴重的磨耗問題，直接惡化輪軌關(guān)系，影響車輛運行安全性、平穩(wěn)性及舒適性，甚至?xí)斐蓢乐氐男熊嚢踩鹿?。目前主要通過鋼軌打磨手段調(diào)整鋼軌廓形，消除鋼軌表面病害以改善輪軌關(guān)系，延緩輪軌磨耗，進而延長鋼軌服役壽命。通過仿真計算研究了鋼軌廓形打磨對車輛通過小曲率半徑線路的動力學(xué)影響；研究了不同打磨模式對高速動車組運行性能的影響，提出一個鋼軌打磨限值廓形；基于輪軌接觸特性提出多指標(biāo)鋼軌廓形打磨優(yōu)化設(shè)計方法，改善了軌面疲勞損傷與波磨；基于車輛系統(tǒng)動力學(xué)指標(biāo)提出一種針對小半徑曲線非對稱打磨廓形的設(shè)計方法，改善了列車小半徑曲線動力學(xué)性能。本文以道岔鋼軌為研究對象，建立了車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型，通過數(shù)值仿真分析打磨效果對輪軌動力學(xué)的影響。1鋼軌打磨實施圖1所示為湖航高鐵下行線道岔鋼軌打磨前后鋼軌表面，采用北京同和時代MS-10C實施鋼軌打磨，實際打磨速度為1.2km/h，打磨功率70%，打磨后鋼軌打磨質(zhì)量采用鋼軌打磨質(zhì)量指數(shù)（GrindingQualityIndex，GQI）評價，其具體計算公式為：式中：K1、K2為權(quán)重系數(shù)；GD為鋼軌廓形法向偏差指數(shù)；GA為面值偏差指數(shù)。圖2給出了鋼軌打磨前后幾何廓形圖，可以看出實施打磨后的鋼軌幾何廓形較打磨前更加平滑，消除了幾何凸起及尖角等問題，采用公式（1）計算出的質(zhì)量指數(shù)為93.1，打磨質(zhì)量良好。2輪軌動力學(xué)響應(yīng)分析根據(jù)車輛系統(tǒng)參數(shù)采用Simpack構(gòu)建車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型，具體如圖3所示。所建模型由1個車體和2個轉(zhuǎn)向架組成，轉(zhuǎn)向架由1個構(gòu)架、2個輪對、4個軸箱組成，其中輪對與構(gòu)架通過一系懸掛連接，轉(zhuǎn)向架與車體通過二系懸掛連接。2.1

輪軌幾何接觸分析為研究道岔鋼軌打磨前后輪軌幾何接觸關(guān)系，取軌距1435mm，軌底坡1/40，采用跡線法計算了鋼軌打磨前后輪對左右橫移12mm范圍內(nèi)接觸點分布，其幾何接觸關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯龃蚰ズ筝嗆壗佑|點分布寬度較鋼軌打磨前的輪軌接觸點分布更加均勻，輪軌發(fā)生磨耗的范圍更寬，減少了輪軌觸應(yīng)力集中等問題，降低了輪軌滾動接觸疲勞失效概率。2.2

車輪橫向力合理的輪軌接觸橫向力可以引導(dǎo)車輪轉(zhuǎn)向，便于車輛通過小半徑曲線。但過大的橫向力將引起輪軌劇烈磨損，加劇輪軌疲勞，甚至?xí)l(fā)車輛脫軌，因此必須合理控制輪軌橫向力。圖5比較了鋼軌打磨前后輪軌橫向力，打磨后輪軌橫向力較打磨前明顯下降，打磨前輪軌橫向力最大值達到28.9kN，而打磨后輪軌橫向力最大值為24kN，輪軌橫向力下降了16.95%。2.3

輪軌磨耗指數(shù)輪軌磨耗指數(shù)用于衡量輪軌服役過程中的輪軌磨耗程度，輪軌磨耗指數(shù)越大，則輪軌磨耗越嚴重，反之輪軌磨耗程度越小，其計算方法如式（2）所示：式中：Fx，ξ，F(xiàn)y，ξ分別為縱向蠕滑力、縱向蠕滑距離、橫向蠕滑力及橫向蠕滑距離。圖6比較了鋼軌打磨前后輪軌磨耗指數(shù)，可以看出車輛運行在鋼軌打磨前線路中的輪軌磨耗指數(shù)較高，而打磨后輪軌磨耗指數(shù)較低，較打磨前平均降低了11.61%。2.4

脫軌系數(shù)脫軌系數(shù)是衡量軌道車輛運行安全性的重要指標(biāo)之一，其值由輪軌橫向力與垂向力的比值所確定。圖7所示為鋼軌打磨前后脫軌系數(shù)圖，可以看出打磨后的脫軌系數(shù)較打磨前小，打磨前脫軌系數(shù)最大值為0.43，打磨后脫軌系數(shù)最大值為0.39，脫軌系數(shù)降低了10.26%。根據(jù)《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》（GB5599—85），打磨后脫軌系數(shù)符合安全裕度標(biāo)準(zhǔn)。3結(jié)論本文通過建立車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型，研究了鋼軌打磨對車輛系統(tǒng)動力學(xué)的影響，主要結(jié)論如下：（1）車輛通過打磨后的道岔鋼軌線路時，輪軌橫向力減小，較打磨前平均下降了