朔黄铁路小半径曲线轨道钢轨打磨目标型面研究

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中 国 铁 道 科 学 第 ３５ 卷
并在车轮和钢轨的对称面上施加对称约束，如图８ 所示。采用八节点 六 面 体 一 阶 单 元 Ｓｏｌｉｄ４５ 模 拟 车 轮、车轴和钢轨；车轮与钢轨之间的相互作用可以 看 作 柔 体—柔 体 间 的 接 触 问 题， 通 过 使 用 Ｔａｒｇｅ１７０和 Ｃｏｎｔａ１７４单元定 义 ３－Ｄ 接 触 对， 建 立 车轮与钢轨间的接触关系；接触对间的摩擦和运动 状态根据库仑摩擦模型确定，轮轨接触表面作用模 式为法向单边接触。采用支持有大滑动和摩擦的大 变形的 ＡＮＳＹＳ面—面接触算法和扩展的拉格朗日 算法，能够为工程计算提供很好的计算结果。钢轨 的材料选用 ＰＤ３，其弹性模量 Ｅ 为２１４ＧＰａ，泊松
关键词：钢轨打磨；预防性打磨；型面匹配；轮轨接触；小半径曲线；重载铁路
中 图 分 类 号 ：Ｕ２１６．４２４ 文 献 标 识 码 ：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４６３２．２０１４．０４．０３
朔黄重载铁路 （以下简称朔黄铁路） 西起山西 省神池县神池南站，东至河北省黄骅市黄骅港口货 场，正线总 长 近 ６００ｋｍ （其 中 小 半 径 曲 线 （Ｒ＜ ６００ｍ） 的里程约占全线的５％）， 为我国西煤东运 的主干道 之 一。 随 着 Ｃ８０ 货 车 投 入 运 营 和 万 吨 列 车开行，使得朔黄铁路的轴重和年运量逐年攀升， 小半径曲线轨道的外侧钢轨也发生严重侧磨 （严重 地段的侧 磨 量 达 到 １９ ｍｍ， 已 接 近 限 值 ２１ ｍｍ）， 内侧钢轨的踏面表层也开始出现鱼鳞状裂纹，并逐 步发展而 产 生 鱼 鳞 状 剥 落 掉 块 现 象 （截 止 到 ２００６ 年２月底已发现有３０条曲线轨道共计４．５７１ｋｍ 长 的钢轨出现大范 围 的 剥 落 掉 块 ）， 而 且 这 些 轮 轨 接 触病害严重威胁到行车安全。
的钢轨磨耗形状基本一致，而且钢轨与车轮踏面接 触时存在明显的两点接触，分别位于轨顶和轨侧， 两接触点 处 的 车 轮 滚 动 圆 半 径 差 达 ３０ ｍｍ。 由 于 轨侧接触点的存在，轮缘根部无法与轨肩接触，形 成有害的 轮 径 差， 使 得 轮 对 难 以 自 导 向 性 通 过 曲 线，而且轮轨间出现异常磨损。
面，其轮廓大致可用４段圆弧表示，分别为轮缘根 部小圆弧段 （半径为１４ ｍｍ）、 过 渡 圆 弧 段 （半 径 为１００ ｍｍ）、 踏 面 中 部 圆 弧 段 （半 径 为 ５００ ｍｍ）
收 稿 日 期 ：２０１４－０４－０１； 修 订 日 期 ：２０１４－０５－１０ 基金项目：国家科技支撑计划项目 （２０１３ＢＡＧ２０Ｂ００） 作 者 简 介 ： （１９６３— ）， 男 ， 河 北 井 陉 人 ， 高 级 工 程 师 ， 硕 士 。
近年来，朔黄铁路为延长小半径曲线钢轨的使 用寿命，开展了钢轨打磨、润滑和轨道几何参数调 整等一系列试验研究，并将钢轨打磨作为重点。本 文通过分 析 小 半 径 曲 线 轨 道 上 轮 轨 型 面 的 磨 耗 规 律，开展朔黄铁路小半径曲线钢轨打磨目标型面的 研究。
１ 轮轨型面磨耗分析
１．１ 车 轮 踏 面 图１中 ＬＭ 踏面为我国铁路货车车轮的主型踏
图５描述了小半径曲线轨道外侧钢轨不同磨耗 阶段的钢轨型面。从图中可以看出，随着钢轨磨耗 程度的加剧，轨距角处的圆弧半径不断增大。在钢 轨磨耗发展初期阶段，轨距角处的磨耗最大，而且 磨耗开始时的垂磨与侧磨的速率基本相当，但当侧 磨量达到４ｍｍ 后，侧磨速率不断增大， 而垂磨 速 率相对减小；钢轨磨耗进入相对稳定期后，侧磨速
２ 钢轨打磨目标型面
根据以上对轮轨型面磨耗的分析，对铺设在小 半径曲线轨道的新钢轨进行预防性打磨应实现以下 目标：①提供合理的轮径差，改善曲线通过性能； ②降低轮轨接触应力，减缓滚动接触疲劳的产生。 为此，以上通过对朔黄铁路小半径曲线轨道轮轨磨 耗和接触问题的分析，基于以下原则设计适用于小 半径曲线轨道的钢轨打磨目标型面。
最大偏转角，打磨量不宜过大，否则将增加打磨成 本，降低打磨效率。
针对朔黄铁路小半径曲线轨道设计的钢轨打磨 目标型面如图６所示。对于曲线轨道外侧钢轨，其 打磨区域主要分布在轨头中心内侧和轨距角处；对 于曲线轨道内侧钢轨，其打磨区域集中在轨头中心 外侧轨顶处。
图 ５ 磨 耗 钢 轨 的 型 面
１．３ 轮 轨 接 触 状 态 分 析 当钢轨侧磨进入相对稳定期后，不同磨耗阶段
工况３：磨耗轮型面与 新 轨 型 面 接 触， 即 磨 耗 轮型面—新轨型面；
工况４：将新轨打磨成钢 轨 目 标 型 面 后 与 磨 耗 轮型面接触，即磨耗轮型面—钢轨目标型面。
磨耗轮型面取自朔黄铁路常见的磨耗车轮，如 图７所示。 ３．１ 轮 轨 静 态 接 触 分 析
１） 轮轨接触有限元模型 采用有限 元 软 件 ＡＮＳＹＳ 并 为 提 高 计 算 效 率， 利用载荷结构的对称性，选用二分之一轮对和一段 １００ｍｍ 长的 钢 轨 建 立 轮 轨 接 触 有 限 元 计 算 模 型，
为了考察所设计钢轨目标型面的接触特性，分 别采用有限元法和动力学计算对以下４种轮轨接触 工况的轮轨静态接触特性和钢轨目标型面的动态曲 线通过性能进行分析。
工况１：新 轮 型 面 与 新 轨 型 面 （标 准 钢 轨 型 面）接触，即新轮型面—新轨型面；
工况２：将新轨打磨成钢 轨 目 标 型 面 后 与 新 轮 型面接触，即新轮型面—钢轨目标型面；
贾 晋 中１， 司 道 林２
（１．朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 ０６２３５０； ２．中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 １０００８１）
摘 要：为解决朔黄铁路小半径曲线轨道的钢轨严重侧磨问题，通过分析朔黄铁路轮轨型面的磨耗特点、 接触特征，研究和设计适用于朔黄铁路小半径曲线轨道新钢轨预防性打磨的钢轨打磨目标型面。研究结果表明， 新轮的标准 ＬＭ 踏面与７５ｋｇ·ｍ－１钢轨的标准型面接触时发生两点 接 触 的 几 率 较 大 ， 且 经 过 一 定 运 量 后 车 轮 踏 面磨耗存在明显的不对称性；小半径曲线轨道外侧钢轨在不同时期的侧磨外形接近，与车轮接触时，形成明显 的两点接触；设计的钢轨打磨目标型面与新轮、磨耗轮接触时，可明显增加轮轨接触面积，减小轮轨接触应力， 显著改善车辆的曲线通过性能；钢轨打磨目标型面表现出良好的动力学特性，延缓钢轨接触疲劳，有利于延长 钢轨的使用寿命。
第３ ５卷 ，第４期 中 国 铁 道 科 学 ２ ０ １ ４ 年 ７ 月 ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．４
Ｊｕｌｙ，２０１４
文章编号：１００１－４６３２ （２０１４）０４－００１５－０７
朔黄铁路小半径曲线轨道钢轨打磨目标型面研究
与标准型面相比，车轮磨耗集中体现在名义滚 动圆位置 （距 轮 缘 背 部 ７０ ｍｍ） 处， 导 致 磨 耗 后 的车轮轮缘根部锥度增大，踏面锥度减小或左右侧 不对称，从而影响车辆运行的稳定性。车轮型面不 对称磨耗与初始轮径差、制动力不一致、转向架菱 形、车辆偏载、钢轨润滑和线路条件等因素有关。 １．２ 钢 轨 型 面
新车轮在使用初期，磨耗集中在踏面中部圆弧 段和轮缘根部小圆弧段上，而在过渡圆弧段未出现 明显磨耗，如图２和图３所示。在轮缘根部和轨距 角处出现接触间隙，接触点发生跳跃，由此说明标 准 ＬＭ 踏 面 与 ７５ｋｇ·ｍ－１钢 轨 型 面 匹 配 时 在 新 轮 新轨运行初期发生两点接触的几率较大。
图 ２ 磨 耗 初 期 的 车 轮 踏 面 外 移
钢轨打磨技术经过几十年的发展，已经从消除 轨头表面伤损的相对简单的打磨方式，逐渐发展到 以控制伤损发展和轮轨接触位置为目标的预防性钢 轨打磨。预防性钢轨打磨就是通过控制轨头外形断 面从而控制钢轨伤损的发展，以达到延长钢轨使用 寿命的 目 的。 国 内 外 的 研 究 和 实 践 已 经 证 明 ， ［１－７］ 预防性钢轨打磨是治理由滚动接触疲劳所引起的钢 轨波浪形磨耗和裂纹，以及控制钢轨伤损形成和发 展的有效手段之一。
预防性钢轨打磨成功的关键是设计合理的钢轨 打磨目标 型 面， 而 对 钢 轨 打 磨 目 标 型 面 的 设 计 要 求，归根结底就是实现轮轨型面的良好匹配。迄今 为止，已形成多种轮轨型面匹配的设计模型或设计 方法 。 ［８－１４］ 但这些研究往往 只 专 注 一 方 （车 轮 型 面 或钢轨型面），因此具 有 一 定 的 局 限 性。 目 前 具 体 针对有大轴重运输背景的朔黄铁路钢轨打磨目标型 面研究尚未见报道。
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和外侧反圆 弧 段 （半 径 为 ２２０ ｍｍ）。 其 中 半 径 为 １００ｍ 的弧段是磨耗型踏面在轮缘根部和踏面之间 的过渡弧段，是磨耗型踏面的关键段，如该段设计 的合理便可避免轮轨两点接触。半径为 ５００ ｍｍ 的 踏面中部圆弧段也是主要的磨耗段，该段的圆弧半 径如果取值较小，将产生较大的等效锥度，从而影 响车辆运行的稳定性，但如果取值太大，又不利于 产生轮径差，从而降低车辆的曲线通过性能，增大 横向导向力，增加轮缘和轨侧的磨损。车轮外侧的 反圆弧段既可避免交叉点处的斜率突变，又可增大 车辆通过小半径曲线时的轮径差。
（１） 合 理 提 高 轮 径 差， 改 善 轮 轨 蠕 滑 自 导 向 能力；
（２） 提高轮轨共形度，增加接触面积，减小接 触应力；
（３） 减小接触间隙，消除两点接触。 此外，钢轨打磨目标型面应具有较好的可实施 性，即要求钢轨打磨区域的角度小于打磨车磨头的
图６ 钢轨打磨目标型面 （单位：ｍｍ）
３ 钢轨打磨目标型面的接触特性分析
图 ３ 磨 耗 初 期 轮 轨 接 触 点 分 布
车轮经过一段时间使用后，车轮的踏面磨耗存 在明显的不对称性，如图４所示，主要体现在滚动 圆半径和踏面锥度上面。滚动圆半径差势必导致不 对称的车辆动力学性能，使得轮对在直线区段运行 时难以自动对中，而通过曲线时又会形成反向轮径
图 ４ 车 轮 踏 面 不 对 称 磨 耗 外 形