我國普速鐵路線路運行車型有多種車輪型面，主要有LMA，JM3，LM等;而鋼軌僅有60kg/m軌頭廓形。不同車輪型面與單一軌頭廓形相互磨合，輪軌匹配關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。對于直線地段，輪軌匹配關(guān)系不合理會造成輪軌接觸不在軌頭踏面中心，而是嚴重偏向軌距角。由于軌距角處接觸所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力大于軌頭踏面中心接觸所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，車輪長期在軌距角處接觸會造成鋼軌過早出現(xiàn)疲勞傷損。對于曲線地段，因列車提速造成欠超高，機車輪緣潤滑過多致使鋼軌軌距角的摩擦因數(shù)降低，造成曲線上股鋼軌長期無磨耗，輪軌難以磨合。曲線上股鋼軌軌距角處長期承受很大的接觸應(yīng)力，導(dǎo)致剝離掉塊及核傷的頻發(fā)[1]。大量研究證明，在不能統(tǒng)一車輪型面又無法改變軌底坡設(shè)置的情況下，鋼軌軌頭廓形打磨是改善輪軌匹配關(guān)系行之有效的方法[2-6]。通過鋼軌打磨形成適合車輪型面的軌頭廓形，加快輪軌磨合，使得輪軌匹配良好。針對我國普速鐵路輪軌匹配的實際情況，本文利用輪軌接觸關(guān)系理論，提出普速鐵路鋼軌打磨廓形設(shè)計的基本原則和總體目標，給出廓形設(shè)計的方法及步驟，設(shè)計出300m小半徑曲線磨耗鋼軌的打磨廓形，并通過仿真數(shù)值模擬來評價廓形設(shè)計的效果。

　　1普速鐵路輪軌匹配情況

　　1)我國普速鐵路的線路條件我國普速鐵路標準軌距1435mm，軌底坡1/40，輪對內(nèi)側(cè)距1353mm。2)主要鋼軌軌面我國既有鐵路所采用的鋼軌有3種：50，60，75kg/m鋼軌。其中主要鐵路干線上廣泛使用60kg/m鋼軌，僅重載鐵路重車線上使用75kg/m鋼軌，年通過總質(zhì)量小于25Mt的次重型軌道及站線等使用50kg/m鋼軌。3)主要車輪型面我國普速鐵路運行的車輪主要有3種，即運行速度高于160km/h的客車LMA車輪、運行速度低于160km/h的機車JM3車輪和普通客貨車LM車輪。3種車輪均為磨耗型車輪型面，有利于減少車輪的磨耗和提高曲線的通過性能[7]。3種車輪型面與60kg/m鋼軌匹配情況見圖1。從圖1可知，LMA車輪型面與60kg/m鋼軌匹配最好，JM3車輪型面次之，LM車輪型面最差。對于LMA車輪型面，在直線和曲線工況下，輪軌主要在軌頭踏面中心區(qū)域接觸。對于JM3和LM車輪型面，在直線工況下，輪軌接觸不在軌頭踏面中心區(qū)域，而是明顯偏向軌距角;在曲線工況下，輪緣不能與軌距角形成共形接觸。

　　2廓形優(yōu)化設(shè)計的基本原則和總體目標

　　廓形優(yōu)化設(shè)計以經(jīng)典的輪軌接觸幾何學(xué)和輪軌接觸力學(xué)為理論依據(jù)，設(shè)計出直線與曲線工況下的鋼軌打磨廓形，優(yōu)化輪軌接觸幾何關(guān)系。優(yōu)化后的廓形不僅能夠降低輪軌作用力，還能減緩輪軌磨耗，延長輪軌使用壽命，提高車輛運行的安全性和平穩(wěn)性[8]。

　　2.1基本原則

　　廓形優(yōu)化設(shè)計的基本原則：①在直線和大半徑曲線上，輪軌應(yīng)在軌頭踏面中心區(qū)域接觸;②在小半徑曲線上車輪貼靠鋼軌時，輪緣與軌距角應(yīng)形成共形接觸。上述2種輪軌接觸狀態(tài)具有輪軌接觸應(yīng)力小、橫向蠕滑率及蠕滑力小等特點，是輪軌合理匹配的最佳狀態(tài)，也是廓形優(yōu)化設(shè)計所追求的目標[9]。

　　2.2總體目標

　　1)輪對處于任意位置時，輪軌接觸點處的法向間隙應(yīng)盡量小且變化盡量平緩。這樣可以增大輪軌間的接觸面積，減小輪軌接觸應(yīng)力，緩解因接觸壓力過高而產(chǎn)生的鋼軌傷損，防止鋼軌發(fā)生早期滾動接觸疲勞。2)保持合適的等效錐度。對于直線地段，為保證車輛運行的穩(wěn)定性，要求等效錐度盡可能小，這樣可提高輪對的對中能力，列車不易發(fā)生蛇行運動;對于曲線地段，為減小輪緣導(dǎo)向及優(yōu)化輪軌相互作用，需要較大的等效錐度，這樣可使輪對和軌道間保持較小的沖角，使列車具有較好的曲線通過能力。3)根據(jù)鋼軌打磨車的切削能力，結(jié)合現(xiàn)場維修養(yǎng)護條件，在有限的作業(yè)天窗內(nèi)實現(xiàn)作業(yè)效率最大化;在改善輪軌接觸狀態(tài)的前提下，最大限度地減少打磨量。

　　3廓形優(yōu)化設(shè)計的方法及步驟

　　由于軌道狀態(tài)千變?nèi)f化，不同通過總質(zhì)量的鋼軌型面磨損程度不同，不同運營里程車輛輪對型面的磨耗程度不同，且車輛運行速度、軸重、動力學(xué)性能等也不同，很難找到一種最優(yōu)的型面適用于所有軌道形式和車輛[10]。理想的輪軌型面匹配狀態(tài)應(yīng)該能有效地降低接觸應(yīng)力和磨耗，提高直線運行時列車蛇行失穩(wěn)的臨界速度，同時改善列車曲線通過性能。考慮到車輛運營一定里程后會進行車輪鏇修以恢復(fù)車輪原始標準型面狀態(tài)，因此以輪軌匹配關(guān)系最差的普通客貨車標準LM車輪型面為基礎(chǔ)，依據(jù)鋼軌廓形設(shè)計的基本原則和總體目標，分別對標準鋼軌和磨耗鋼軌進行軌頭廓形優(yōu)化設(shè)計。鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計的方法及步驟如圖2所示。以初始鋼軌型面(標準鋼軌型面和磨耗鋼軌型面)為基礎(chǔ)型面，通過改變輪軌關(guān)鍵接觸區(qū)域鋼軌幾何尺寸獲得不同鋼軌擬合型面，如改變鋼軌軌頭R300，R80，R13圓弧的半徑及長度，各圓弧間采用相切關(guān)系平滑連接，擬合出不同的鋼軌型面。然后利用車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型和輪軌接觸有限元模型，輸入實際車輛參數(shù)、線路參數(shù)、實測軌道幾何不平順、標準LM車輪型面、鋼軌擬合型面，仿真分析車輛運行的安全性和平穩(wěn)性、輪軌接觸特性、鋼軌服役性能，同時結(jié)合鋼軌打磨作業(yè)的經(jīng)濟性，綜合提出優(yōu)化的鋼軌型面。

　　4廓形優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用及效果評價

　　曲線工況下，當(dāng)輪軌間蠕滑力難以完成導(dǎo)向而致使輪緣擠壓鋼軌側(cè)面產(chǎn)生較大的橫向力或輪軌存在較大的沖角時，會引起輪緣與鋼軌側(cè)面接觸，輪緣磨損上股鋼軌軌距角，形成上股鋼軌側(cè)面磨耗。輪軌磨合后接觸面積過大(即過共形)，遠離輪軌接觸滾動中心區(qū)域，輪緣與鋼軌側(cè)面將產(chǎn)生較大的相對滑動，增加鋼軌側(cè)磨;同時產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，形成接觸疲勞裂紋[11]。不同曲線半徑下，通過非對稱打磨的方式將鋼軌廓形打磨成不同的目標廓形，可以有效地改善輪軌接觸應(yīng)力狀態(tài)，控制鋼軌側(cè)面磨耗，抑制鋼軌疲勞傷損，減少因輪軌不良接觸造成的軌頭塑性變形等鋼軌病害，提高車輛的曲線通過能力。但是，一種特定的打磨廓形只適合一類問題。針對不同的鋼軌病害情況(側(cè)磨、波磨、疲勞傷損、塑性變形等)，需要設(shè)計不同的鋼軌打磨廓形[12]。

　　4.1小半徑曲線鋼軌廓形優(yōu)化

　　通常情況下，小半徑曲線地段上股鋼軌更換下道的主要原因是側(cè)磨超限。因此，以側(cè)磨為主的磨耗鋼軌TB60MH為基礎(chǔ)，按照鋼軌廓形優(yōu)化設(shè)計的方法對300m小半徑曲線(累計通過總質(zhì)量30Mt)鋼軌打磨的目標廓形進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后的鋼軌打磨目標廓形TB60MH-D與初始磨耗鋼軌廓形TB60MH的對比見圖3�？芍�，上股鋼軌重點優(yōu)化了軌頂面及外側(cè)非工作邊，下股鋼軌重點優(yōu)化了內(nèi)外側(cè)軌角部位。通過增大輪對滾動圓半徑差，減小輪緣對鋼軌側(cè)面的沖擊，降低側(cè)向力，有效地控制側(cè)磨，延長鋼軌使用壽命，同時提高了曲線通過導(dǎo)向性能。

　　4.2效果評價

　　為校核TB60MH-D的適用性，將優(yōu)化前后的鋼軌廓形分別與標準LM車輪型面匹配，分析其輪軌接觸幾何關(guān)系、輪軌接觸應(yīng)力、動力學(xué)性能指標。磨耗廓形TB60MH和設(shè)計廓形TB60MH-D與LM車輪型面匹配時的輪軌接觸點分布見圖4。可知：①磨耗廓形TB60MH與LM車輪型面匹配時，左上股輪軌接觸點集中分布于軌頂中心區(qū)域，右下股輪軌接觸點集中分布于工作邊一側(cè)軌肩位置;設(shè)計廓形TB60MH-D與LM車輪型面匹配時，左上股輪軌接觸點集中分布于軌頂中心區(qū)域，右下股輪軌接觸點集中分布的位置由工作邊一側(cè)軌肩移至軌頂中心。②設(shè)計廓形TB60MH-D的接觸點比磨耗廓形TB60MH的更為集中。磨耗廓形TB60MH和設(shè)計廓形TB60MH-D對應(yīng)的輪軌接觸應(yīng)力、磨耗指數(shù)、脫軌系數(shù)、輪重減載率等各項指標的最大值見表1。由表1可知：優(yōu)化后輪軌接觸應(yīng)力、磨耗指數(shù)的最大值分別降低了12%，22%;優(yōu)化后脫軌系數(shù)和輪重減載率最大值分別降低了9%，3%，且優(yōu)化前后均小于車輛運行安全性指標的安全限值(0.8)。

　　5結(jié)論

　　1)與60kg/m鋼軌匹配時，LMA車輪型面匹配情況最好，輪軌主要在軌頭踏面中心區(qū)域接觸;JM3及LM車輪型面匹配情況較差，輪軌接觸不在軌頭踏面中心區(qū)域，而是嚴重偏向軌距角。2)根據(jù)普速鐵路輪軌匹配的實際情況，利用輪軌接觸關(guān)系理論，提出了廓形優(yōu)化設(shè)計的基本原則、總體目標及設(shè)計方法和步驟。3)對300m小半徑曲線磨耗鋼軌打磨的目標廓形進行了優(yōu)化設(shè)計及仿真計算分析。廓形優(yōu)化設(shè)計后，輪軌接觸應(yīng)力、磨耗指數(shù)、脫軌系數(shù)、輪重減載率的最大值分別減小了12%，22%，9%，3%。4)針對不同鋼軌病害情況下對應(yīng)的鋼軌軌頭廓形，須分析其變化規(guī)律，設(shè)計不同的鋼軌打磨廓形。

　　參考文獻

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　　《普速鐵路鋼軌打磨廓形優(yōu)化設(shè)計研究》來源：《鐵道建筑》，作者：張金 俞喆 楊超 毛少虎

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