地鐵線路控制鋼軌波磨的鋼軌打磨技術應用研究
杜星，郭俊，陳婧，崔大賓
(西南交通大學機械工程學院， 四川成都 610031 )
摘要:介紹了國內軌道交通工具輪軌形面匹配的情況和存在的問題。基于多體動力學軟件( SIMPACK )建立了地鐵車輛的動力學模型。首先，利用SIMPACK的前處理功能導入標準的鋼軌型面和設計后的鋼軌型面，及實測的現場線路數據，作為仿真計算的輸入。然后以輪軌橫向力、垂向力以及脫軌系數為例，對打磨前后鋼軌對車輛動力學響應進行了分析。比較了在相同車輪型面和實測線路不平順條件下，采用標準鋼軌型面和設計型面對地鐵動車的動力學響應。計算結果表明，在相同激擾條件下，使.用設計鋼軌型面的輪軌垂向力、橫向力大大的減小。
關鍵詞:鋼軌打磨;接觸疲勞;型面優化;動力學
中圖分類號: U216.424 文獻標識碼: A 文章編號: 1006 - 0316 (2011) 10- 0009- 05
Study on application of the rail grinding on controlling the corrugation in metro
DU Xing，GUO Jun，CHEN Jing，CUI Da-bin
( School of Mechanical Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, China )Abstract : This paper introduces the existence of the domestic rail transport rail-shaped surface of the wheelmatches the situation and problems. The dynamic analysis model of metro vehicle is set up by automateddynamic analysis of mechanical system SIMPACK software. Firstly, used preprocess of the SIMPACK dealwith the standard rail profile and design of rail profiles and the field lines and measured data input thesimulation model. Secondly, the vehicle dynamic response is analyzed after the rail grinding, which iswheel-rail lateral force, vertical force and derailment coefficient. Compared the wheel surface and measuredthe same uneven track conditions, the use of standard rail profile and design of rail profile of the dynamicresponse of the MTR EMU. The results show that the same excitation conditions, the use of the design railprofile of the wheel-rail vertical force, lateral force greatly reduced.
Key words : rail grinding ; profile design; rolling contact fatigue; vehicle-track coupling dynamic
隨著我國經濟的高速發展，城 市的不斷壯發展的時期。城市軌道交通在我國得到了廣泛大，我國城市交通發展成為城市發展的核心要的發展，同時輪軌接觸問題也表現的尤為突素，從而我國的城市軌道交通進入了一個快速出，鋼軌型面是輪軌系統中的關鍵因素之--，它不僅關系到車輛的動力學性能，也關系到輪軌之間的接觸問題。選 擇好的鋼軌型面，不僅可改善車輛動力學性能，而且可大大降低輪軌接觸應力，減少輪軌維修成本，提高車輛運行[1]的安全性和舒適性，延長鋼軌的使用壽命由于長期采用單一的車輛、統- -的軸重、同一曲線區段采用相同的速度運營，所以出現了的鋼軌表面滾動接觸疲勞裂紋、剝離掉塊、曲線上股鋼軌側磨、曲線下股鋼軌頂面波磨、軌頭壓潰、焊接接頭不平順、內軌肥邊等[2]典型的傷損圖片如圖1 所示。這些傷損情況嚴重的影響了車輛的安全運營，影響了車輛的乘坐舒適度。
鋼軌打磨型面研究問題---直是鐵路維修工程中十分復雜而又迫切需要解決的問題。
其解決與否直接影響到軌道交通的飛速發展。本文使用多體動力學軟件SIMPACK建立地鐵車輛動力學模型，仿真計算了實測軌道不平順下，標準鋼軌型面和設計型面對車輛系統動力學的響應。
1、模型介紹純粹的商業化鐵路方面的的多體動力學軟件主要有Adams/rail 和SIMPACK，以及其他一-些少數的程序，其中目前SIMPACK 的市場占有率為49% 而Adams/rail 的市場占有率僅有15%SIMPACK可以進行整車系統的振動特性、各 部件的受力情況、加速度、位移等分析能力。其軌道模塊是德國宇航中心(DLR )總結20年來的輪軌接觸模擬經驗和現代先進的模擬技術開發出來的。
1.1 SIMPACK的優點
(1) 采用全新的輪軌接觸模型。采用運動學約束計算方法可以有效地提高動力學的計算速度，采用Kalker的簡化線性滾動接觸理論，SIMPACK 自 帶有- -種高度自動化并經過大量實驗驗證的輪軌接觸線性化模型能夠。即等效線性化和協函數線性化。
(2) 自動建立微分方程，便于查錯。
在車輛系統建模中，不需要建立微分方程，程序根據模型的拓撲關系，自動生成微分方程，便于尋找模型中的錯誤。方 便建立模型。
(3)實現有效的數據后處理結果。
SIMPACK具有較強的數據后處理能力,利用動畫、圖表等 形式和其他的形式直觀的輸出結果。
1.2 車輛模型
車輛系統模型由一個車體、二 個構架、四條輪軌構成，每- -組 構件均考慮為剛形體。鋼軌型面數據時有專門的前處理程序來實現,及采用樣條函數擬合截面外形，可以將實測的數據和設計型面數據處理為仿真使用數據。對懸掛系統的建模，分別在輪軌、構架和車體.上設置不同的連接點，作為懸掛系統的始末坐標點，同時建立懸掛系統的彈簧和阻尼力元。車體建模只需要輸入車體的長、寬、高以及質量、轉動慣量、質心高度坐標即可。對于輪軌接觸模型，在輪軌建模中主要采用兩種不同形式的模型:彈性或剛性約束的輪軌接觸模型，本文采用的是鋼軌約束的輪軌接觸模型。具體的車輛模型如圖所示。
2評價指標
本文采用不考慮作用時間的脫軌系數作為主要的評價指標。分析脫軌系數時主要針對輪軌橫向力H>0和H=0的情況。不同的情況下評價車輪的脫軌指標，是根據車輪受力平衡條件得出來的。Nadal提出脫軌系數為每一時刻作用在車輪上的橫向力Q和垂向力P的比值。
式中: Q為作用于輪緣上的橫向力; P為作用于車輪上的垂向力; a為車輪輪緣角; μ為摩
擦系數。由于我國車輛車輪輪緣角為68°~70° ,摩擦系數為0.20∪0.30，再確定脫軌系數允許限度時，可取摩擦系數的上限為0.3000.35。據國標《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》(GB5599-85) 規定，為了防止脫軌, .車輛脫軌系數應該符合條件:
3結果和分析
計算模型中選取的參數:軌距為1435 mm，軌底坡為1/40， 車輪型面為LM，車輛為我國某地地鐵車輛。通過仿真模型計算比較了地鐵動車車輛動力學響應受鋼軌打磨型面前后的影響，其中評定脫軌的重要指標為法國.Nadal提出的脫軌系數，綜合考慮以上因素，本文討論了以60km/h通過曲線段時對車輛脫軌系數、輪軌垂向力、輪軌橫向力等影響。曲線參數為曲線半徑為800 m,前直線為150 m,緩和曲線長55 m,超高為75 mm，曲線總長為670m。曲線激擾為實測鋼軌曲線波磨鋼軌激擾。
3.1鋼軌型面輸入
本模型采用標準的CN60軌和設計的鋼.軌型面，如圖3和圖4所示，模型中采用非對稱打磨方式，對于曲線外軌使用HS踏面，內軌使用CPL踏面。而對于標準踏面則使用是相同的踏面。
在模型中所使用的鋼軌打磨設計型面是基于輪軌接觸結合特征設計得到的。主要考慮到輪軌基礎點和滾動圓半徑差等因素。
在模型中采用的線路激擾為國內某條地鐵線路，同時也是該車輛參數所運行的線路。
其中在打磨前，即較為嚴重的條件下的線路激擾如圖5所示。
同時也測得打磨后的鋼軌表面的激擾，相對于打磨前的激擾較平緩,沒有較大的峰值。詳見圖6所示。
3.2存在激擾條件下的結果分析
模型中參數輸入，分別輸入標準CN60鋼軌和設計型面在打磨前后的激擾、速度設50m/h的沒有激擾的條件下，1~4 位輪對橫移量對比。由圖7可以看出，在沒有激擾的條件下，使用設計型面與使用標準CN60鋼軌的橫移量相差2.3 mm，即在相同的速度下使用設計的鋼軌型面可以增大滾動圓半徑差,當車輛通過曲線時，可以提供足夠的向心力，提高車輛的通過曲線的自導向能力。減小輪軌相互作用的橫向力,減小由于過大的輪軌橫向力而引起的軌角接觸疲勞和過度磨耗。
在存在激擾的條件下，打磨前后最大脫軌系數比較如圖8所示。在打磨前后，關于脫軌系數的比較。從圖中可以看出，在打磨前后，消除了鋼軌波浪性磨損后的脫軌系數與打磨
前的脫軌系數基本一致， 只是有部分輪對小于打磨前的脫軌系數。筆者認為在沒有較大軌道激擾的條件下，由于本模型在軌道設置過中，直線段也同樣采用曲線段設計的鋼軌型面，可能會造成進入曲線后出現較大的輪對沖擊，從而產生較大的脫軌系數。
圖9給出了分別在打磨后1天、24天、57天、92天和142天后的動力計算結果，在實測的軌道軌面不平順上，進行動力學仿真，在圖中不難看出，在打磨后24天的輪軌垂向力發生了迅速的增長，而且過了這一段時間后，在57天后，鋼軌的垂向力有較大的降低，并恢復到剛剛打磨的水平.上，并 且有降低的趨勢。動力學仿真等到的結果與后期觀測等到的結果顯示一致，這 個時期鋼軌波磨反彈速度較快，隨后進入一個相對穩定的時期，并且波磨深度有所下降。
由于該線路鋪設的鋼軌母體硬度在250~ 270HB之間，具有較軟的材質，在鋼軌.打磨清楚表面的波磨后，裸露 出鋼軌母體，同時由于車輪的硬度較大，大約在320HB，所以經過- -段時間的碾壓，鋼軌表面發生一定的性硬化，同時 由于采用的軌枕形式不匹配的原因，造成波浪形磨損的產生。
4結論
通過對標準型面和有設計型面在不同的速度等級、不同時期下的軌道激勵條件下的動力學指標的比較，可以得到以下結論:
(1)在曲線段鋼軌打磨中使用非對稱性的設計型面，可以有效的改善輪軌接觸狀態，車輪鋼軌踏面材料承受載荷，頻次相對降低，同時可以延長車輪和鋼軌的使用壽命。
(2)在不同的激勵條件下的曲線上使用非對稱鋼軌型面更加有利于車輛的曲線通過,可以有效的減小輪軌橫向力和垂向力，在激擾存在的條件下，有效的降低脫軌系數。
(3)在波磨發展的不同時期，鋼軌采用鋼軌打磨可以有效的降低輪軌相互作用力，控
制波磨的快速反彈，延長鋼軌打磨周期,從而節省成本。
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