重庆轨道交通（集团）有限公司 重庆 401120
摘要：本文主要基于轮轨摩擦耦合自激振动导致钢轨波磨的观点，建立轮轨系统有限元模型。对地铁线路小半径曲线轨道钢轨波磨进行研究。通过计算结果表明，在饱和蠕滑力作用下会产生钢轨波磨的趋势，扣件横向刚度和垂向刚度对自激振动的影响具有一定的差距，垂向刚度比较明显。当垂向刚度约为20MN/mm时，最容易发生钢轨波磨。
关键词：地铁车辆；钢轨波磨；扣件刚度
波磨的形成机理可以分为两大类，第一：由于钢轨表面的初始不平顺导致轮轨间瞬时动态接触特性的变化而产生；第二：由于轮轨间粘着滑现象引发的自激振动导致轮轨间摩擦功发生变化而产生。磨擦严重的需要更换钢轮，成本很高。下边建立小半径曲线轨道上更为准确的轮轨系统模型，采取方法对稳定性和动态特性进行分析，讨论扣件刚度对钢轨波磨的影响。
1、轮轨系统的磨擦自激振动模型
1.1动车轮对---钢轨的接触模型
现场调研发现，当地铁线路的曲线半径R≥650～800m时，很少发生钢轨波磨；当曲线半径R≤350 m时，产生波磨。这是由于当轮对通过小半径曲线轨道时转向架导向轮对左右两轮与钢轨间的蠕滑力趋于饱和状态，在饱和蠕滑力作用下，轮轨系统容易发生摩擦自激振动，从而产生钢轨波磨。因此，本文的主要研究对象为动车转向架前轮对一钢轨系统。
外侧车轮与高轨的接触点位于车轮轮缘与轨头侧面之间，接触角为δL内侧车轮与低轨的接触点则位于车轮踏面与轨头之问，接触角为δR。通过Simpack模拟仿真可知，当车辆以70km/h的速度通过半径为300 m的曲线时，左侧轴箱的垂向和横向悬挂力分别为FSVL=42.7kN和几FSLL=6.4kN，右侧轴箱的垂向和横向悬挂力分别为FSVR=35.6kN和FSLR=6.3 kN．同时，通过试验验证及参考文献：可以得到轨道的支撑刚度和阻尼，其具体参数设置如下：扣件的垂向和横向刚度分别设置为KRV=40.73 MN/m和KRL=8.79MN/m；垂向和横向阻尼分别设置为CRV=9898.70 N?s/m和CRL=1927.96N?s/m。
轨枕底部、道床和路基的联合支撑刚度设置为Ksv=89MN/m和KsL=50 MN/m，阻尼设置为Csv=89800N?s/m 和CsL=40 000 N?s/m。
1.2动车轮对---钢轨的有限元模型
结合实际轮轨的几何参数，利用Abaqus建立了小半径曲线轨道上轮轨系统的有限元模型，如图2所示．该轨道的曲线半径为300 m，由一系列间距为600 mm的普通短轨枕支撑。在钢轨与轨枕、轨枕与地面之间均采用弹簧和阻尼连接．车轮与钢轨之间的摩擦因数设为0.4．在该有限元模型中，轮轨系统的材料属性设置如下：动车轮对、齿轮箱、钢轨的密度为7800 kg/m3，弹性模量210GPa，泊松比为0.3；普通短轨枕的密度2 800 kg/m3，弹性模量为190 GPa，泊松比为0.3。
1.3磨摩擦自激振动分析的理论公式
本文对该轮轨系统的仿真模型分别进行了复特征值和瞬时动态分析．在复特征值分析中，由于存在轮轨摩擦滑动作用，由于动车轮的蠕滑力达到饱和状态，轮轨系统变得不稳定，其特征值将会出现复数．根据其特征方程，复特征值分析是从频域角度对轮轨系统进行了模态仿真，而瞬时动态分析则是从时域角度得到了系统的瞬时动态响应。在该分析中，系统总体平衡方程是建立在每一个时间增量步的开始。
2、磨耗钢轨维修更换施工方案及其施工应对措施
2.1资源配置及施工流程简介
主要施工机械设备：轨道牵引车、轨道平板车（配有小型起重机）、钢轨焊轨机、气压焊焊轨设备、锯轨机、钢轨打磨设备、正火设备、锯轨机、小型轨道平板车、电动扳手、配电箱及电缆、钢轨打磨机、万能道尺、钢轨探伤仪等
主要工种：轨道车司机、起重机司机、焊轨工、打磨工、线路工、探伤工、电工、专职安全员、施工调度员等。
2.2磨耗钢轨维修更换施工方案
2.2.1前期施工准备
建立项目经理部后，项目总工程师组织技术人员编制施工方案、安全交底等，确定施工计划安排、施工机械配置、劳动力组织、新钢轨的采购计划等。然后向轨道交通调度室申报施工作业计划，组织施工人员、机械、材料进场，并对人员进行安全培训。
在车辆基地制定位置建立焊轨基地，基地内新建轨道线路与车辆基地既有轨道连接。基地内设置钢轨存放区、焊轨区、打磨区、探伤区、长轨条存放区等。
新钢轨进场后，根据配轨计划，焊接长轨条，钢轨焊缝探伤合格后，存放至长轨条存放区。待申请动车点后，采用轨道车将长轨条运输至钢轨维修更换位置，存放在道床两侧。
2.3减少轮轨磨耗的措施
2.3.1轮轨润滑—降低轮缘与钢轨轨距角之间的摩擦系数
这里讲到的轮轨润滑只是为了降低轮缘与钢轨轨距角之间的摩擦系数，减少轮缘与钢轨轨距角的磨耗。实际上，轮轨润滑还有其他好处，如降低能耗、减少运行阻力，提高脱轨系数的限界值，减少车轮爬轨的危险等。
2.3.2采用径向转向架可以大大降低轮轨磨耗
径向转向架是为了提高列车曲线通过能力、减轻轮轨磨耗而设计的转向架，最初广泛应用于货车和摆式列车上，现在，城市轨道交通车辆上，如直线电机地铁车辆也采用径向转向架。径向转向架与普通转向架的优点是，可使车轮沿钢轨切线方向运行（不会完全做到），减少通过曲线时的冲角，降低了导向轮对的横向力，减轻了轮轨磨耗。径向转向架设计的关键还要求在保证轮对按照预想的轨迹通过曲线的同时，还应保证转向架具有较高的直线运行稳定性，即直线运行时不产生蛇行运动失稳，但是，这二种要求在参数选择上相互矛盾，需要加以兼顾。
轮轨磨耗的机理就是在轮轨接触区存在力和滑动，即接触面压和滑动率。这也是减少轮轨磨耗的基本出发点。作为减少钢轨轨距角磨耗的措施有，定期打磨钢轨，修正轨头形状，经常保持轨头形状的最佳化，改善轮轨接触状况，抑制在曲线区间外轨和车轮间产生大的滑动，减少钢轨轨距角的磨耗；进行轮轨润滑，可以降低摩擦系数，减慢磨耗的进展速度。
作为减少车轮轮缘磨耗的措施有，保持最佳的车轮形状，从车轮踏面到轮缘，依次从半径大的圆弧过渡到半径小的圆弧，以轮缘根部浅的部位与钢轨接触，降低接触面压和滑动率，有利于减少轮缘磨耗。
2.3.3轮轨润滑可以降低轮轨间的摩擦系数，提高脱轨系数的限界值，亦即车轮不容易脱轨，提高脱轨的安全性。此外，在建设地下铁道时，除非在不得已的情况下，地铁线路曲线半径不要太小，曲线半径大有利于提高脱轨系数的限界值，若曲线半径小，冲角变大，脱轨系数和轮重减载率的限界值都降低，影响脱轨的安全性；此外，应推广采用径向转向架，有利于降低车轮通过曲线时导向力，减小车轮运行在曲线上的冲角，提高脱轨的安全性。
2.3.4为了减少轮轨磨耗，首先要保持轮轨间良好的接触状态，车轮采用形状经过优化的磨耗型踏面，对钢轨要定期进行打磨，保持正确的轨头形状；还应对轮轨进行可靠而有效的润滑，减小轮轨间的摩擦系数，从而减少轮轨磨耗。对于踏面异常磨耗应优化制动模式，降低电制动消失点，空气制动应由动车和拖车合理分担；采取措施减少车轮热负荷，包括闸瓦的选择和车轮形状的优化。
3、结束语
通过以上的分析可以得到以下结论：（1）当车辆通过小半径曲线轨道时，动车转向架前轮对轮轨间的蠕滑力达到饱和，从而导致轮轨系统发生摩擦自激振动，产生钢轨波磨．该不稳定振动主要发生在动车轮的内轮和低轨上，其频率约为500Hz。（2）在轮对结构中，动车轮上齿轮箱的安装位置对波磨的影响较小。在轨道支撑结构中，扣件的横向刚度对波磨的影响较小，而其垂向刚度影响较为明显．轮轨系统的摩擦自激振动随扣件垂向刚度的增加呈现先增大后减小的趋势。（3）在小半径曲线轨道上，轮轨系统中轨道支撑结构比轮对结构对钢轨波磨的影响更为明显，因此，着重改善轨道支撑结构更有利于消除和抑制钢轨波磨。
参考文献：
[1]GB50157-2003《地铁设计规范》[S].北京：中国计划出版社，2013.8.
[2]GB/T7928-2003《地铁车辆通用技术条件》[S].北京：中国标准出版社，2013.12
[3]俞展猷，李富达，李谷.车轮脱轨及其评价[J].铁道学报，2016（3）
[4]俞展猷.轮轨磨耗机理与轮轨润滑[J].铁道机车车辆，2010（5）