武光强
中国铁路济南局集团有限公司青岛工务段 山东 青岛 370202
摘要：受运量不断增大、车速不断提高的列车影响，轮轨磨耗问题开始引起业界重视。基于此，本文将围绕曲线钢轨磨耗演变预测方法开展研究，并深入探讨曲线钢轨磨耗对车辆动力学的影响，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。
关键词：曲线钢轨；磨耗；车辆动力学
前言：对于存在廓形差异的60和60N钢轨来说，磨耗状况差异明显，这种差异在车辆动力学性能受到的影响方面同样存在。为满足研究需要，本文采用简化理论和算法，轨道磨损计算选用多点接触法，钢轨磨耗计算需要叠加单独计算得出的各接触斑内磨耗深度。
1.曲线钢轨磨耗演变预测方法
1.1仿真模型
为预测曲线钢轨磨耗演变预测，需建立钢轨型面磨耗仿真模型，模型建设采用多体动力学软件，以此建立货车（C70）动力学模型，该货车转向架为ZK6，轴箱、轮对、侧架、弹簧、摇枕、交叉拉杆为主要转向架部件，图1为货车运动学拓扑图[1]。
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在具体建模环节，简化弹簧和交叉拉杆为等效力元，以刚体表示轴箱、轮对、侧架、摇枕，基于LM型踏面的车轮型面及60、60N轨进行研究。以60轨为依据，60N轨划分5段轨顶圆弧为7段，以此在轨头中部集中轮轨接触点，避免剥离掉块问题在曲线段轨距角处出现，稳定性更高的车辆运行能够顺利实现。
进一步开展磨耗模型建设，对于拥有较为复杂过程的轮轨磨耗来说，各种因素影响的全面考虑存在较高难度，需基于一定假设进行定量分析，因此本文研究需要设法简化轮轨磨耗过程。在已有研究中，接触状态表述可采用接触区域、滑动磨损等角度，如通过材料磨损理论模型研究材料硬度与磨损率的关系。轮轨磨损过程也可以通过软件系统进行研究，车辆轨道在不同线路条件下存在的横向动力学响应能够得到较好模拟，磨耗量可在模拟中通过质量密度损进行表示。也可以采用新的方法计算车轮磨耗数值，如基于磨耗模型研发新方法，以此对比现场实测廓形与车轮磨耗计算结果，即可证明计算方法的实用性。本文研究采用损耗模型，该模型基于车轮磨损的双盘实验测试结果建立，模型能够将接触斑在每个步长内划分为黏着区与滑动区，并认为仅有滑动区内存在磨耗[2]。
1.2仿真流程
对于存在相互制约关系的钢轨型面与动力学模型（车辆?轨道系统），钢轨廓形在仿真过程中需要持续更新，以此保证动力学响应的顺利获取，后续计算也能够以此获得依据，钢轨磨耗仿真流程可概括为：“动力学模型→动力学仿真→轮轨滚动接触理论→损耗模型→损耗深度→平滑处理→钢轨磨损更新策略→更新钢轨型面→轮轨几何接触→动力学仿真→循环”。结合仿真流程进行分析可以发现，廓形更新策略、平滑处理磨耗深度、钢轨磨耗模型、轮轨滚动接触理论、轮轨几何接触关系、动力学模型均属于其中关键，轮轨接触参数可通过动力学计算获取，基于轮轨滚动接触理论和磨损仿真程序（编写）可明确各接触斑内磨损深度。基于各接触斑几何位置和参数，对磨损深度进行叠加，钢轨截面磨损深度即可顺利获取。平滑处理磨耗深度后，钢轨型面更新需要基于0.1mm的累积磨耗深度进行，以此在车辆动力学模型中重新导入并开展计算，重复流程，以此开展多次迭代，钢轨廓形磨耗的具体演变趋势需要开展严格绘制。
1.3磨耗演变
研究对象选择小半径曲线，缓和曲线长、圆曲线长、曲线半径、超高分别为60m、50m、300m、85mm，轨道激励、曲线上行车速度分别为美国5级谱、60km/h，为计算总重变化对钢轨带来的磨耗，仿真设定总重为10～50Mt，钢轨初始廓形表示为0Mt。通过对比钢轨曲线段磨耗可以发现，轨顶圆弧较小的60N轨存在较窄的磨耗分布范围，同时存在较大轨顶垂磨量，具体为60轨的1.33倍。在10～30Mt总重范围，存在迅速增大的钢轨侧磨速率，60轨侧磨速率在30Mt时相较于10Mt时出现265%的最大增大，60N轨侧磨速率则为50%，这是由于轨距角较低的60N轨侧磨出现于磨耗初始阶段。轨顶圆弧较小的60N轨存在较大垂磨速率，增加的总重则导致整体下降的轨顶垂磨速率出现，10～50Mt范围内60轨、60N轨分别存在30%、35%的轨顶垂磨速率下降。
2.曲线钢轨磨耗对车辆动力学的影响
2.1仿真工况
对于保障车辆安全运行来说，轮轨接触关系的良好与否极为关键，但对于钢轨磨损来说，总重的增加会导致磨损的扩大，较为严重的侧磨往往出现于曲线上股，接触关系因此恶化的轮轨会导致车辆安全运行受到严重威胁。车辆行驶安全性可通过轮重减载率和脱轨系数进行表示，车辆运行中第1轮受力会直接受到轮轨接触关系影响，因此研究将比较分析第1轮对左轮的轮轨力和安全指标，分析轮重减载率和脱轨系数变化可以发现，二者处于安全区间。通过总重的增加使得60轨存在增大趋势的脱轨系数，最大值为0.52，出现于40Mt总重时，相较于初始廓形出现46%的增长。60N轨存在处于0.43～0.52区间的钢轨磨耗，拥有20%的最大增长，这说明60轨在钢轨磨耗影响下存在较大脱轨系数变化；轮重减载率受到的钢轨磨耗影响较小，均处于0.404～0.414区间。分析60轨左轮（第1轮）的轮轨力发现，总重的增加会导致增大的轨轮轨横向力出现，最大值为73.7kN，出现在40Mt总重时，相较于初始廓形出现46%的增长。通过总重增大会导致60N轨出现先变大后降低的轮轨横向力，存在26%的最大增长，可见60轨受到的影响较大。轮轨垂向力在仿真中得出的结果基本一致，均处于160kN左右，这说明轮轨垂向力几乎不受钢轨磨耗影响。
2.2几何关系
结合模拟可以确定，总重增加会导致线性增加的轮对横移量出现，存在较为集中轮轨接触点的60N轨存在更大的轮对横移量，这说明钢轨侧磨对其带来的影响较大。总重的增大会导致轮轨冲角增大趋势出现，这在60轨中较为显著，60N轨则出现反复减小、变大情况，可见60轨在钢轨磨耗下存在较大的轮轨冲角影响。
结论：综上所述，曲线钢轨磨耗对车辆动力学的影响较为深远。深入分析可以发现，60轨和60N轨受到的曲线钢轨磨耗影响差异明显，这与轨距角等因素存在直接关联，围绕这种关联的更深入研究将成为笔者下一步研究方向。
参考文献：
[1]张斌，王超.考虑压钩力作用的重载铁路曲线钢轨磨耗研究[J].机械，2021,48(05):37-42+51.
[2]王军平.基于廓形打磨的小半径曲线钢轨磨耗控制方法研究[J].铁道学报，2021,43(01):128-134.