鋼軌軌底坡對重載鐵路輪軌關系影響的研究

2010-05-08 12:05:32司道林王繼軍

鐵道建筑 2010年5期

司道林，王繼軍，孟宏

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.南車二七車輛有限公司產品開發部，北京 100072)

0 引言

由于車輪踏面與鋼軌頂面主要接觸區域具有一定錐度，為使鋼軌軸心受力，減小附加橫向彎矩，鋼軌應有一個向內的傾斜度，此即形成軌底坡。鋼軌軌底坡的合理設置，可使輪軌接觸集中于軌頂中部，提高鋼軌的橫向穩定能力，減輕軌頭不均勻磨耗，同時也有利于減小軌頭塑性變形，延長使用壽命。

世界各國鋼軌軌底坡的取值不盡相同，歐洲大部分國家、澳大利亞、東南亞、香港等國家和地區按 UIC標準采用1/20的軌底坡，這是因為他們的車輪大多采用了1/20的錐型踏面或接近1/20的磨耗型踏面，日本、美國等國采用了1/40軌底坡，也有個別國家(瑞典)采用1/30軌底坡［1］，我國鐵路自1965年起，直線地段的軌底坡標準統一由原來的1/20改為1/40，據文獻［1-2］介紹，主要是由于①當時的軌道結構標準較低，采用鉤頭道釘扣壓鋼軌，經過一段時期的運營后，鋼軌動態翻轉較普遍，使鋼軌內扣道釘浮起，實際軌底坡變小，接近1/40;②車輪踏面經過一定時間的磨耗后，原1/20踏面錐度接近1/40。分析其形成原因，文獻［1-2］作者均建議將軌底坡改回1/20;文獻［3-4］建議采用1/20軌底坡。曲線地段軌底坡的設置應與超高對應，不僅能改善車輛的曲線通過性能［5-7］，而且對減緩曲線區段外軌的側磨起到積極作用［8-9］。由此可見，軌底坡的取值不僅取決于輪軌型面，而且與線路條件密切相關，通過對實際運營效果的分析，得出合理軌底坡取值。

隨著我國重載鐵路的不斷發展，某些運煤干線采用了75 kg/m重型鋼軌，而且曲線地段鋼軌出現嚴重側磨，鑒于以上軌底坡調整對車輛運行狀況的改善，本文將著重分析75 kg/m鋼軌與LM踏面車輪匹配時，軌底坡的取值對輪軌接觸參數以及車輛曲線通過性能的影響。

1 重載貨車模型

本文采用多體動力學分析軟件SIMPACK，建立了我國重載貨車動力學模型，模型中合理考慮了楔塊的運動自由度，楔塊摩擦副產生的摩擦力取決于法向正壓力(如圖1(a)所示)，充分反應楔塊主、副摩擦面的摩擦減振功能，以及抗菱形變形中所起的作用。三大件式貨車轉向架軸箱采用導框或橡膠墊定位，搖枕和側架之間采用螺旋簧連接(如圖1(b)所示)，從而減小二系橫向剛度，車體與搖枕之間采用彈性雙作用常接觸旁承，提高車輛的回轉摩擦力矩和車體的抗側滾能力，每節貨車均由車體和兩臺結構性能參數相同的二軸轉向架組成(表1中給出了各剛體的自由度)。所建立模型已通過了試驗驗證［10］。

圖1 動力學模型

表1 模型自由度的選取

2 75 kg/m鋼軌斷面屬性

鋼軌是鐵路軌道的重要組成部件，承受車輪載荷并引導列車的車輪運行。鋼軌頭部是直接接觸車輪的部分，應具有抵抗壓潰和耐磨的能力，故軌頭應大而厚，其外形應與車輪踏面相適應。隨著重載鐵路的不斷發展，我國運煤干線鋪設了75 kg/m重型鋼軌，與60 kg/m軌相比，機械性能均有所提高(技術參數如表2所列［10］)。軌頂圓弧半徑由300 mm增為500 mm(詳細尺寸見文獻［11］)，有利于增大接觸面積，提高軌頂的承載能力，與此同時，鋼軌頂面錐度亦有所減小。

3 靜態接觸參數分析

鋼軌軌底坡的改變將直接影響輪軌接觸點的分布，繼而改變接觸角差、輪徑差，并影響到輪對重力剛度［7］。圖2給出了1/40、1/20兩種軌底坡情況下，輪對橫移幅值為10 mm范圍內輪軌接觸點分布情況，從中可以看出，1/40軌底坡下輪軌接觸點集中分布在鋼軌中軸線以內，1/20軌底坡下的接觸點分布在鋼軌中軸線兩側，且更為均勻。

表2 鋼軌技術參數

圖2 接觸點分布

圖3描述了兩種軌底坡條件下輪徑差和接觸角差，從中可以看出，對輪徑差而言，輪對橫移量在0～4 mm內，1/20軌底坡對應的輪徑差和接觸角差大于1/40軌底坡，輪徑差尤為顯著，再由式(1)［12］中輪對重力剛度的表達式可知，由于軌底坡的增大，同一輪對橫移量下輪對重力剛度得以提高，不僅改善了輪對恢復對中能力，還能在一定程度上平衡曲線通過時的離心力，對減緩曲線上鋼軌磨耗起到積極作用［7］。在輪對橫移量接近10 mm時，曲線發生突變，出現輪緣接觸;不難發現，1/40軌底坡時的輪軌接觸較1/20軌底坡更易發生輪緣接觸。

圖3 接觸幾何參數

式中，Kgy為輪對重力剛度，W為輪重，y為輪對橫移量，δR、δL分別為右輪、左輪輪軌接觸角，φ為輪對側滾角。

4 動態響應分析

軌底坡的取值影響到輪軌接觸點的位置，改變輪軌接觸參數，使得輪軌動態接觸行為發生變化，車輛的動力學響應隨之發生改變。文獻［8-9］中作者從試驗的角度闡述了軌底坡對車輛曲線性能的影響，本文采用動態仿真的方法，以C70貨車時速55 km通過600 m曲線半徑(超高為60 mm)為例(車輛以勻速通過曲線)，對兩種軌底坡工況下的輪對橫移量、沖角、輪軌力等動力學指標進行對比分析，以此對重載鐵路鋼軌軌底坡取值對車輛曲線通過性能的影響進行評價。為著重反映軌底坡的影響，未設置軌道不平順。

圖4給出了車輛通過曲線時導向輪的動力響應。從圖4(a)可以看出，當軌底坡由1/40改為1/20后，圓曲線上輪對橫移量由7.3 mm變為6.5 mm，據文獻［7］的結論，輪對橫移量的減小由輪對重力剛度增大所致，輪對沖角、輪軌橫向力的減小亦和輪對重力剛度的增大有關，并均有所減小，提高了輪對蠕滑導向的能力;可見，軌底坡的增大對減小曲線鋼軌的磨耗起到積極作用。與此同時，輪軌接觸斑面積有所增大(如圖4(d)所示)，降低了接觸應力，減少了輪軌接觸疲勞損傷。