周 杰，司道林，王樹(shù)國(guó)，王 璞

(1.神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300;中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

大準(zhǔn)鐵路西起內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，東至山西大同市，將準(zhǔn)格爾旗內(nèi)的煤炭資源運(yùn)至大同后經(jīng)大秦鐵路到達(dá)秦皇島，是西煤東運(yùn)的重要通道。近年來(lái)，隨著運(yùn)量和列車軸重的提高，鋼軌傷損和磨耗病害不斷凸顯，半徑不足800 m的小半徑曲線尤為突出。以半徑500 m曲線為例，U78CrV熱處理鋼軌僅使用1.5年，上股鋼軌表面即出現(xiàn)嚴(yán)重的接觸疲勞傷損，并伴隨著鋼軌側(cè)磨；下股軌頂塑性變形顯著，鋼軌軌頂外形呈扁平狀，同時(shí)出現(xiàn)明顯掉塊。接觸傷損已成為小半徑曲線鋼軌更換的主要原因。大準(zhǔn)鐵路重車線半徑800 m以下的曲線百余條，每年需支付高昂的換軌費(fèi)用。急需研究減小曲線區(qū)段鋼軌傷損發(fā)展速率的技術(shù)措施，延長(zhǎng)鋼軌壽命，降低運(yùn)營(yíng)成本。

上述傷損是由較大的輪軌接觸法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力所致[1-2]，主要存在于鋼軌表層。鋼軌打磨不僅可以有效消除或控制鋼軌表面接觸傷損的發(fā)展，而且可以改變輪軌接觸特征，改善動(dòng)力學(xué)性能，因此鋼軌打磨已成為國(guó)內(nèi)外重載鐵路延長(zhǎng)鋼軌壽命的有效技術(shù)措施[3-5]。

由于每條鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境不同，鋼軌打磨技術(shù)措施不可復(fù)制。因此，本文將基于大準(zhǔn)鐵路小半徑曲線區(qū)段的輪軌廓形磨耗、傷損特點(diǎn)，分析輪軌廓形匹配特征，提出適合于大準(zhǔn)鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境的鋼軌打磨廓形。

1 輪軌型面磨耗特征分析

為分析輪軌型面磨耗特點(diǎn)及接觸特征，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了一定數(shù)量的鋼軌和車輪型面。圖1(a)展示了曲線上股鋼軌廓形及表面?zhèn)麚p情況。鋼軌磨耗主要分布在工作邊側(cè)軌肩區(qū)域，與理論型面相比，軌肩處法向磨耗量達(dá)到3.5 mm；同時(shí)，此區(qū)域還存在明顯的接觸疲勞傷損，由此可判定車輪與曲線上股鋼軌的主要接觸區(qū)域?yàn)楣ぷ鬟厒?cè)軌肩。曲線下股磨耗和傷損主要集中在軌頂區(qū)域，輪軌接觸區(qū)域?qū)挾?5～50 mm，原有的R500 mm圓弧形軌頂被磨耗成扁平狀，且軌頂表面存在明顯的疲勞裂紋，嚴(yán)重處出現(xiàn)剝離掉塊，如圖1(b)所示。

圖1 曲線鋼軌廓形及表面?zhèn)麚p情況(單位：mm)

大準(zhǔn)鐵路主要運(yùn)營(yíng)軸重25 t專用敞車C80，為系統(tǒng)分析車輪磨耗的主要特征，實(shí)測(cè)了500組運(yùn)營(yíng)車輛的車輪型面，如圖2所示。分析發(fā)現(xiàn)：輪緣、踏面各區(qū)域的磨耗量極不均勻，導(dǎo)致車輪磨耗特征具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，車輪磨耗特征的形成與車輛動(dòng)力學(xué)性能、軌道不平順、鏇輪周期等因素密切相關(guān)。

圖2 實(shí)測(cè)車輪型面

2 輪軌型面接觸特征分析

由于車輪磨耗特征存在一定隨機(jī)性，為合理地反映輪軌接觸特征，對(duì)實(shí)測(cè)車輪型面數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到反映大準(zhǔn)鐵路車輪整體磨耗水平的擬合車輪型面，如圖3所示。與理論型面相比，在距輪背50～100 mm 踏面區(qū)、輪緣頂面以下12 mm輪緣區(qū)均存在明顯磨耗，輪緣根部區(qū)的磨耗量較小。由車輪踏面的磨耗特征可判定，盡管輪緣并非實(shí)時(shí)接觸區(qū)域，但其磨耗量與實(shí)時(shí)接觸的踏面區(qū)相當(dāng)，說(shuō)明輪緣處的磨耗速率明顯高于踏面。

圖3 擬合車輪型面(單位：mm)

圖4展示了擬合車輪型面與實(shí)測(cè)鋼軌廓形的輪軌匹配特性。車輪與曲線上股鋼軌廓形形成過(guò)共形接觸，接觸區(qū)域分布較寬，車輪踏面和輪緣同時(shí)接觸，接觸范圍內(nèi)車輪滾動(dòng)圓半徑變化大，輪緣處的滾動(dòng)圓半徑R2明顯大于踏面處滾動(dòng)圓半徑R1。車輪運(yùn)動(dòng)時(shí)必定以踏面處的接觸點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，在輪對(duì)沖角作用下輪緣與軌側(cè)間必然處于較高的蠕滑水平[6]，甚至相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生較大剪切應(yīng)力，從而在軌肩處形成接觸疲勞及磨耗。

圖4 擬合車輪型面與實(shí)測(cè)鋼軌廓形的輪軌匹配特性

曲線下股鋼軌軌頂呈扁平狀，車輪型面與下股匹配時(shí)輪軌接觸點(diǎn)接近輪緣根部，使得下股車輪踏面處滾動(dòng)圓半徑R3大于上股車輪踏面處滾動(dòng)圓半徑R1，形成反向輪徑差，致使曲線通過(guò)時(shí)無(wú)法提供必需的輪徑差，增加了輪軌動(dòng)力作用，降低了曲線通過(guò)性能。

3 鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)

提高車輛曲線通過(guò)時(shí)的導(dǎo)向性能、降低輪軌動(dòng)力作用是曲線區(qū)段鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)的根本要求。曲線上股鋼軌長(zhǎng)度大于下股，若使輪對(duì)順利通過(guò)曲線，上股車輪滾動(dòng)圓半徑須大于下股，形成一定輪徑差方能使輪對(duì)以無(wú)沖角狀態(tài)通過(guò)曲線。理論輪徑差、曲線半徑、車輪滾動(dòng)圓半徑間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可用下式描述。

式中：Δrs為輪徑差，mm；r0為車輪滾動(dòng)圓半徑，mm；R為曲線半徑，mm；a為1/2軌距，mm。

C80貨車的車輪名義滾動(dòng)圓半徑為420 mm，通過(guò)半徑400～2 000 m 曲線時(shí)理論輪徑差見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)：隨著曲線半徑的減小，所需輪徑差快速增加，且增加速率不斷提高。大準(zhǔn)鐵路常見(jiàn)的半徑400，500，600，800 m 曲線對(duì)應(yīng)的理論輪徑差分別為1.51，1.21，1.01，0.75 mm。

圖5 曲線半徑與理論輪徑差的對(duì)應(yīng)關(guān)系

提供適當(dāng)輪徑差是進(jìn)行曲線鋼軌打磨廓形設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，同時(shí)還應(yīng)減小接觸應(yīng)力，降低接觸疲勞的萌生和發(fā)展速率?；谶@兩方面設(shè)計(jì)需求，以擬合車輪型面為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)得到小半徑曲線段的鋼軌打磨廓形，如圖6所示。上、下股打磨廓形尺寸呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性，以實(shí)現(xiàn)曲線段特殊的動(dòng)力學(xué)性能。擬合車輪型面與打磨廓形匹配時(shí)，上股接觸區(qū)域主要分布在軌頂中心至軌肩范圍內(nèi)，并保持一定接觸寬度。下股接觸區(qū)域主要分布在軌頂中心區(qū)域，并偏向非工作邊側(cè)。

圖6 小半徑曲線段鋼軌打磨廓形

圖7 打磨廓形的輪軌匹配特性

與圖4相比，打磨廓形顯著改善了輪軌匹配特性(見(jiàn)圖7)，上股車輪滾動(dòng)圓半徑增加，下股車輪滾動(dòng)圓半徑減小，使上、下股車輪滾動(dòng)圓形成一定半徑差，提高曲線通過(guò)性能。與此同時(shí)，上股形成合理的共形接觸，在不增加接觸應(yīng)力的同時(shí)，避免了由于過(guò)共形接觸而導(dǎo)致輪緣與軌側(cè)間處于較高的蠕滑水平。

4 鋼軌打磨廓形力學(xué)性能分析

圖8 動(dòng)力學(xué)指標(biāo)時(shí)程曲線

在輪軌動(dòng)力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行輪軌接觸特性分析，采用文獻(xiàn)[10]中的方法建立輪軌接觸有限元模型，如圖9所示。將上述動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到的輪對(duì)沖角、輪軌橫向力作為荷載輸入，分析擬合車輪型面分別與鋼軌實(shí)測(cè)廓形、打磨廓形接觸時(shí)接觸應(yīng)力幅值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)：對(duì)曲線上股而言，實(shí)測(cè)廓形與打磨廓形的法向接觸應(yīng)力基本相當(dāng)，打磨廓形的剪切應(yīng)力較實(shí)測(cè)廓形降低29%；對(duì)曲線下股而言，打磨廓形的法向應(yīng)力較實(shí)測(cè)廓形降低15%，剪切應(yīng)力降低22%。打磨廓形可明顯降低輪軌應(yīng)力水平，從而有利于減緩輪軌接觸疲勞的萌生和發(fā)展。

圖9 輪軌接觸有限元模型

工況接觸面積/mm2法向應(yīng)力/MPa剪切應(yīng)力/MPa實(shí)測(cè)廓形上股1221 506450下股851 906360打磨廓形上股1151 595320下股1131 620280

5 鋼軌打磨工藝

采取合理可行的鋼軌打磨工藝是實(shí)現(xiàn)打磨廓形的關(guān)鍵。電機(jī)壓力、電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度和打磨遍數(shù)是描述打磨工藝的主要參數(shù)。電機(jī)壓力決定每次打磨的深度，為防止鋼軌打磨致使鋼軌表面熱量過(guò)度聚集，通常電機(jī)壓力取額定值的70～80%，相對(duì)固定。電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度取決于打磨廓形與實(shí)測(cè)廓形的差異，是打磨工藝的核心內(nèi)容。當(dāng)鋼軌打磨量較大時(shí)，需要打磨多遍才能達(dá)到打磨目的。根據(jù)打磨區(qū)域和表面?zhèn)麚p情況研究確定合理的打磨順序。因此，打磨電機(jī)偏轉(zhuǎn)角度和打磨遍數(shù)是制定打磨工藝的重點(diǎn)。

圖10展示了打磨廓形和實(shí)測(cè)廓形的差異，圖中陰影部分即為需要打磨的區(qū)域。由圖可見(jiàn)：軌頭各區(qū)域的打磨深度差異明顯，曲線上股軌頂中心至非工作邊側(cè)軌肩是重點(diǎn)打磨區(qū)域，下股軌頂中心至工作邊側(cè)軌肩是主要打磨區(qū)域。為清晰表述鋼軌廓形各區(qū)域打磨深度，以軌頂中心線為基準(zhǔn)，每間隔10 mm注明打磨深度,M為軌頂中心，i為工作邊側(cè)，o非工作邊側(cè)，A,B和C分別代表距軌頂中心10,20，30 mm處。因此，Co～Ci范圍內(nèi)覆蓋了寬60 mm的輪軌接觸區(qū)域。此區(qū)域外通常不會(huì)與車輪接觸，為非重點(diǎn)打磨區(qū)域。

圖10 實(shí)測(cè)廓形與打磨廓形的差異

表2列出了上、下股鋼軌軌頂各區(qū)域打磨深度，軌頂中心至非工作邊側(cè)軌肩是上股重點(diǎn)打磨區(qū)域，Ao處打磨深度最大，達(dá)到1.9 mm。下股鋼軌自工作邊向非工作邊側(cè)打磨深度不斷減小，Ci處的打磨深度最大，達(dá)到1.5 mm。

表2 軌頂各處打磨深度 mm

本次鋼軌打磨由全自動(dòng)打磨列車實(shí)施。全列車共有96個(gè)打磨頭，每股鋼軌分配48個(gè)打磨頭，每2個(gè)打磨頭為1組，因此48個(gè)打磨頭可分布在24個(gè)不同角度。電機(jī)角度偏轉(zhuǎn)范圍為-10°～50°，負(fù)值代表鋼軌非工作邊側(cè)，正值代表鋼軌工作邊側(cè)。根據(jù)打磨量與打磨車能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用4遍打磨方案，打磨工藝如圖11所示。曲線上股鋼軌第1遍打磨區(qū)域集中在工作邊側(cè)軌肩(Bi～Ci區(qū)域)，主要去除鋼軌表面接觸傷損；第2遍打磨區(qū)域?yàn)楣ぷ鬟厒?cè)軌肩至軌頂中心(Bi～M區(qū)域)，去除接觸疲勞裂紋；第3遍和第4遍打磨軌頂中心至非工作邊側(cè)軌肩(M～Co區(qū)域)，防止車輪在此區(qū)域接觸鋼軌，減小接觸區(qū)域的寬度。曲線下股鋼軌第1遍和第2遍打磨區(qū)域?yàn)楣ぷ鬟厒?cè)軌肩(Ci～Ai區(qū)域)，防止輪緣根部接觸；第3遍打磨輪軌主要接觸區(qū)域(Ai～Bo區(qū)域)，去除軌頂接觸疲勞傷損；第4遍打磨區(qū)域?yàn)榉枪ぷ鬟厒?cè)軌肩(Bo～Co區(qū)域)，去除肥邊，避免接觸點(diǎn)出現(xiàn)在非工作邊側(cè)軌肩。

圖11 鋼軌打磨工藝

6 結(jié)論

針對(duì)大準(zhǔn)鐵路小半徑曲線段鋼軌傷損和磨耗狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)輪軌型面特點(diǎn)進(jìn)行分析，研究輪軌型面匹配特征?；谲囕v曲線通過(guò)時(shí)對(duì)輪軌接觸參數(shù)的需求，設(shè)計(jì)出小半徑曲線段鋼軌打磨廓形，并建立有限元模型和動(dòng)力學(xué)模型，驗(yàn)證其動(dòng)力學(xué)性能。得出結(jié)論如下。

1)小半徑曲線段上、下股鋼軌型面磨耗和傷損特征存在明顯差異，上股鋼軌工作邊側(cè)軌肩為磨耗和傷損的主要區(qū)域，與車輪型面匹配時(shí)形成過(guò)共形接觸，接觸區(qū)域較寬，滾動(dòng)圓半徑減小。下股鋼軌磨耗覆蓋整個(gè)軌頂范圍，軌頂中部區(qū)域呈扁平狀，與車輪型面接觸時(shí)接觸點(diǎn)接近輪緣根部，滾動(dòng)圓半徑增大。車輪型面與實(shí)測(cè)鋼軌廓形匹配時(shí)形成的不利接觸狀態(tài)無(wú)法提供通過(guò)曲線段所需的輪徑差，降低了曲線通過(guò)性能。

2)基于車輛曲線通過(guò)時(shí)對(duì)輪軌接觸參數(shù)的特定需求設(shè)計(jì)出鋼軌打磨廓形，由此改變輪軌接觸點(diǎn)位置、共形程度。動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，打磨廓形可使輪對(duì)沖角、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、磨耗指數(shù)和輪軌接觸應(yīng)力明顯改善，顯著提高曲線通過(guò)性能。

3)基于打磨量和打磨車性能，采用4遍打磨工藝實(shí)現(xiàn)打磨廓形，上股鋼軌第1遍和第2遍打磨軌頂中心至工作邊側(cè)軌肩，去除接觸疲勞傷損，第3遍和第4遍打磨非工作邊側(cè)軌肩至軌頂中心，優(yōu)化接觸區(qū)域；下股鋼軌第1遍和第2遍打磨工作邊側(cè)軌肩，防止輪緣根部接觸，第3遍打磨輪軌主要接觸區(qū)域，去除軌頂接觸疲勞傷損，第4遍打磨非工作邊軌肩，避免接觸點(diǎn)出現(xiàn)在非工作邊側(cè)軌肩。