杜成義，黃運華，劉啟靈，賈一平

(1．西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031； 2．株洲中車時代電氣股份有限公司 軌道工程機械事業(yè)部，湖南 株洲 412007)

0 引言

鐵路運輸在我國的交通運輸體系中占有重要的位置，軌道是鐵路運輸重要的基礎設施，而鋼軌是軌道系統(tǒng)重要的組成部分。鋼軌在使用階段很可能發(fā)生如裂紋和磨耗等損傷，這種損傷使輪軌接觸惡化，輪軌作用力加大，嚴重影響列車的運行平穩(wěn)性和安全性[1-4]。鋼軌打磨技術的出現(xiàn)有效地改善了鋼軌磨損帶來的危害，顯著地減緩了鋼軌性能惡化的速度，因此近幾年對鋼軌打磨設備的研制成為鐵路領域重要的研究課題[5-7]。鋼軌打磨車在非作業(yè)工況時，打磨小車被懸掛在鋼軌打磨車車體下部，打磨小車輪對不與軌道接觸；鋼軌打磨車處于作業(yè)工況時，打磨小車通過相關機構被放置在鋼軌上，并跟隨鋼軌打磨車緩慢運行。鋼軌打磨車在曲線上作業(yè)時，其通過速度一般低于曲線設計速度，故鋼軌打磨車處于過超高狀態(tài)通過曲線。鋼軌打磨車在不同軌道半徑和超高的曲線上進行打磨作業(yè)時，位于鋼軌打磨車下部的打磨小車能夠順利地通過小半徑曲線是確保鋼軌打磨質量的重要先決條件[8]，因而研究打磨小車小半徑曲線通過的安全性有著重要的意義。

1 鋼軌打磨車及打磨小車模型

鋼軌打磨車分為打磨車主體和打磨小車。鋼軌打磨車主體主要由車體和兩臺轉向架組成；打磨小車主要由輪對、搖籃、承載鞍和打磨單元等組成。鋼軌打磨車處于作業(yè)工況時，打磨小車被放置在鋼軌上，通過牽引桿與打磨車車體相連接，傳遞縱向力。打磨小車示意圖如圖1所示。

利用多體動力學仿真軟件SIMPACK建立鋼軌打磨車動力學模型，牽引拉桿通過剛性球鉸連接打磨小車車架和打磨車車體底架，牽引拉桿和球鉸之間有1個軸向位移自由度和繞z軸和y軸的旋轉自由度。打磨小車之間也通過剛性球鉸連接，兩小車之間具有繞z軸和y軸的旋轉自由度。打磨小車車輪踏面類型為LM型，鋼軌為60 kg/m型面，軸箱定位方式為導框式，軸箱與打磨小車車架為剛性接觸，在縱向單側留有2 mm間隙，橫向單側留有5 mm間隙，二者相對運動產(chǎn)生的摩擦力在動力學模型中用100號力元處理。在動力學模型中引入輪軌接觸幾何關系和輪軌蠕滑力等非線性因素[9-10]。建立的鋼軌打磨車動力學模型如圖2所示。

圖1 打磨小車示意圖

圖2 鋼軌打磨車動力學模型

2 計算與分析

評價打磨小車曲線通過安全性的指標有輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力和輪重減載率等。本文所研究的打磨小車的1號小車和3號小車通過球鉸鉸接在2號小車上，故1位輪對和4位輪對車輪的靜載荷與2位輪對和3位輪對車輪的靜載荷不同，車輪靜載荷分別為：Pst1=Pst4=24.191 kN，Pst2=Pst3=17.421 kN。

根據(jù)GB/T17426—1998和GB/T5599—1985規(guī)定，各安全性評價允許限度如表1、表2和表3所示。

表1 輪軌橫向力允許限度

表2 輪軸橫向力允許限度

2.1 通過速度的影響

根據(jù)我國鐵路的實際情況，在模型中設定半徑為300 m、外軌超高為120 mm的小半徑曲線。由于打磨車的作業(yè)速度為2 km/h～16 km/h，因此計算打磨車在2 km/h、4 km/h、6 km/h、8 km/h、10 km/h、12 km/h、14 km/h和16 km/h速度等級下以過超高的狀態(tài)通過預先設定好的軌道時，打磨小車1位輪對和2位輪對的曲線通過性能。打磨小車以不同速度通過預先設定好的300 m小半徑曲線時各項安全性指標如圖3所示。

表3 脫軌系數(shù)和輪重減載率評定標準

圖3 曲線通過安全性指標

從圖3中可以得出：打磨小車以不同的速度等級通過300 m的曲線時，各安全性指標均符合GB/T17426-1998和GB/T5599—1985所規(guī)定的允許限度；打磨小車以過超高的狀態(tài)通過曲線時，右側車輪的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)相較于左側車輪大很多；速度高于4 km/h時，2位輪對的輪重減載率相對于1位輪對較大；小車以2 km/h的速度等級通過曲線時，各項安全性指標較?。恍≤囈? km/h～16 km/h的速度通過曲線時，各項指標均趨于穩(wěn)定，且通過速度對曲線通過性能影響不顯著。

2.2 曲線參數(shù)的影響

本文所研究的打磨小車4條輪對的靜載重不盡相同，小車以過超高的狀態(tài)通過曲線時各輪對的受力狀態(tài)均有較大差異，考慮到打磨小車對不同曲線的適應性，有必要研究曲線參數(shù)對打磨小車各輪對曲線通過性能的影響。為了留有一定的安全余量，打磨小車以16 km/h的最高作業(yè)速度通過不同超高值和不同曲率的小半徑曲線時，計算所得的各輪對安全性指標如圖4～圖7所示。

圖4 輪軌橫向力

圖5 脫軌系數(shù)

從圖4中可以看出：曲線半徑越大，輪軌橫向力越?。怀咧翟酱?，輪軌橫向力越大；曲線半徑值和外軌超高值對輪軌橫向力影響程度相當；在同一曲線工況下，4條輪對輪軌橫向力差異不顯著。

從圖5中可以看出：曲線半徑越大，脫軌系數(shù)越??；超高值越大，脫軌系數(shù)越大；超高值對脫軌系數(shù)的影響比曲線半徑值更為顯著；曲線參數(shù)對2位輪對和3位輪對的脫軌系數(shù)相較于1位輪對和4位輪對而言影響顯著；同種線路條件下，2位導向輪對的脫軌系數(shù)略大于3位輪對脫軌系數(shù)；在同一線路條件下，1位輪對和4位輪對的脫軌系數(shù)小于2位輪對和3位輪對的原因在于4條輪對輪軌橫向力大小相當，而1位輪對和4位輪對所承受的重量較大，故脫軌系數(shù)較小。

圖6 輪軸橫向力

圖7 輪重減載率

由圖6中可以看出：曲線半徑越大，各輪對輪軸橫向力越小；超高值越大輪軸橫向力越大，且超高值對各輪對輪軸橫向力影響更為顯著；在同一曲線工況下，4條輪對輪軸橫向力差異不顯著。

由圖7中可以看出：超高值越大，輪重減載率越大；曲線參數(shù)對2位輪對和3位輪對輪重減載率影響顯著，超高值對輪重減載率的影響比曲線半徑值更為顯著；1位輪對和4位輪對輪重減載率在多數(shù)曲線工況下趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結論

通過對打磨小車曲線通過性能的計算分析得出以下結論：

(1) 各曲線工況下的安全性指標均符合GB/T17426—1998和GB/T5599—1985所規(guī)定的允許限度。

(2) 同一曲線工況下，打磨小車作業(yè)速度為4 km/h～16 km/h時，通過速度對曲線通過性能影響不顯著，各動力學指標趨于穩(wěn)定。

(3) 打磨小車以16 km/h的最高作業(yè)速度通過不同參數(shù)的曲線時，外軌超高值對各輪對的安全性指標影響更為顯著；1位輪對和4位輪對與2位輪對和3位輪對的脫軌系數(shù)和輪重減載率有較大的差異，曲線參數(shù)對2位輪對和3位輪對的脫軌系數(shù)和輪重減載率的影響更為顯著；在同一曲線工況下4條輪對的輪軌橫向力、輪軸橫向力差別不大。

參考文獻：

[1] 金學松，郭俊.鋼軌打磨技術研究進展[J].西南交通大學學報，2010，45(1):1-11.

[2] 王璐穎.鋼軌打磨車抗脫軌穩(wěn)定性研究[D].成都：西南交通大學，2012：13-17.

[3] Yukio Satoh,Kengo Iwafuchi.Effel of rail grinding on rolling contact fatigue in railway rail used in conventional line in Japan[J].Wear，2008，256:1342-1348.

[4] Wang W J,Guo J,Liu Q Y,et al.Study on relationship between oblique fatigue crack and rail wear in curve track and prevention[J].Wear，2009，267:540-544.

[5] 李洪濤.貨車動力學性能仿真及脫軌原因分析[D].大連：大連鐵道學院，2003：32-39.

[6] Megel E,Roney M,Sroba P.The blending of the theory and practice in modern rail grinding[J].Wear，2002，253(10):308-316.

[7] 繆闖波.鋼軌打磨對輪軌作用力影響[J].鐵道標準設計，2002(7):31-32.

[8] 顧建華.PGM-48鋼軌打磨小車曲線通過性能分析及其改進[J].機車電傳動，2013(6):91-93.

[9] 張科元.鋼軌打磨小車曲線通過性能研究[J].機械設計，2016，33(3):48-52.

[10] 李海濱.GMC96B型鋼軌打磨車試驗研究[J].鐵道技術監(jiān)督，2011，39(12):38-44.