高速鐵路鋼軌型面變化的跟蹤觀測及仿真分析＊

李海鋒 陳 文 陳 雯

（同濟大學交通運輸工程學院，201804，上海／／第一作者，講師）

鋼軌型面狀態是影響輪軌接觸的重要因素之一。良好的鋼軌型面狀態可有效地減小輪軌間作用力，減緩輪軌傷損的產生及發展，降低輪軌振動及噪聲，從而延長輪軌使用壽命，降低輪軌系統的養護維修成本。同時，為提高鋼軌管理的針對性、及時性和有效性，在高速鐵路運營的初期，即提出并開展鋼軌型面變化規律跟蹤觀測的任務。

結合實施中的滬寧城際鐵路某曲線地段鋼軌型面變化的跟蹤試驗，對所觀測的型面數據進行整理分析，研究其開通運行一年內的鋼軌型面變化情況；同時，以所測鋼軌型面數據為基礎，利用動力學仿真軟件分析輪軌接觸位置的變化趨勢，并將理論分析與跟蹤觀測數據進行對比分析，從而確認高速鐵路運營初期鋼軌型面的發展變化規律，以期為高速鐵路的養護維修工作提供參考和借鑒。

1 跟蹤試驗條件

滬寧城際鐵路于2010年7月1日正式開通運行，其設計時速為350km／h。本次跟蹤觀測段設置在滬寧城際鐵路丹陽——常州間上行線路上，試驗段主要包含一條曲線（曲線參數如表1所示）及連接該曲線的部分直線段。

表1 跟蹤試驗段曲線參數

沿線路每隔10m設置一個觀測點（曲線內外 股相同），共107對。

鋼軌型面測量工具以RM2007型鋼軌磨耗測量儀為主。

2 鋼軌型面觀測及其數據分析

2.1 鋼軌型面數據采集

在正式通車前，滬寧城際鐵路于2010年5月進行了鋼軌預打磨。為此，在2010年5月至2011年6月間，共完成了4次鋼軌型面觀測。具體觀測信息如表2所示。

表2 鋼軌型面觀測信息

典型的鋼軌型面測量結果如圖1所示。

圖1 典型鋼軌型面測量數據

圖中，實線為標準60kg／m鋼軌軌頭輪廓線，虛線為測點所在的鋼軌橫截面輪廓線。利用測量儀自身附帶的軟件可以計算出測點位置鋼軌的垂直磨耗和側面磨耗。

2.2 鋼軌型面自動匹配軟件的研制

在鋼軌橫截面的測量過程中，由于測試結果受到測量儀擺放的水平姿態（程度）以及軌底坡的影響，偶爾會出現傾斜角度過大的情況，如圖2所示。因此，據此計算出的磨耗量也是不準確的（圖2中所示測點位置的鋼軌側磨差異最大可選－0.242 mm）。

為消除因測量數據所帶來的數據分析誤差，并實現鋼軌型面匹配與分析的自動化，特編寫了鋼軌型面自動匹配程序，實現了測試數據的預處理（如旋轉和平移等），并可計算任意指定角度（位置）的磨耗量，從而實現了鋼軌型面匹配與分析的自動化及精確化。

圖2 失真的鋼軌型面測量數據

典型分析結果如圖3所示。圖中實線為標準60kg／m鋼軌橫斷面，虛線為測點位置所在鋼軌的輪廓線。

圖3 鋼軌型面的自動匹配與磨耗量的計算

2.3 鋼軌型面數據的綜合分析

利用自行研制的鋼軌型面自動匹配與分析程序，對所測量的鋼軌型面數據進行分析，并計算各指定角度下的鋼軌磨耗量。

2.3.1 鋼軌預打磨效果分析

由于線路在正式運營前完成了鋼軌的預打磨，這導致了第一次測量的鋼軌截面與標準軌截面間產生了較明顯的差異（見圖3）。可以看出，預打磨在鋼軌的作用邊區域（圖3右側）打磨量較大，而在軌頂附近及偏向非作用邊區域打磨量較小。具體打磨量如圖4所示。

預打磨采用的這種“中間低，兩邊高”的打磨模式可以使鋼軌頂面產生一個小坡度梯形平臺，從而使輪軌接觸范圍集中在這一平臺區域，減小列車的蛇形運動程度。圖5和圖6分別為打磨前后鋼軌的狀態。由圖6可知，打磨后列車通過一次的輪軌接觸帶集中在軌頂中央附近，寬度約為20mm。同時，預打磨還消除了鋼軌表面的銹皮、碰傷等病害。

圖4 觀測段打磨量（平均值）示意圖

圖5 打磨前鋼軌

圖6 打磨后鋼軌

2.3.2 鋼軌磨耗量統計分析

由于預打磨使第一次測量的磨耗量（實為打磨量）已經很大，因此，對于磨耗分析均以第一次所測鋼軌橫截面為基準，計算其后各次測量的鋼軌橫斷面指定角度上的磨耗量。計算所有測點磨耗量的平均值，匯總如表3和表4所示。

圖7和圖8為表3和表4數據的圖形表示。從表3及表4圖中可看出，3次觀測的磨耗值呈逐步遞增狀態。內軌磨耗大于0.1的區域主要集中在鋼軌頂面－5°～10°位置，平均最大磨耗值為0.24mm（位于頂面中點0°附近）。外軌磨耗大于0.1的區域主要集中在－5°～20°位置，平均最大磨耗值為0.34mm（位于20°附近）。與內軌相比，外軌發生最大磨耗的位置略偏向于軌道內側。內軌在0°附近的磨耗量增長較快，而外軌在0°和20°附近磨耗量增長較快。總體而言，內外軌的磨耗量均處于較小范圍內，說明鋼軌型面變化不大，軌道養護狀態良好。

表3 內軌型面觀測平均磨耗值統計mm

表4 外軌型面觀測平均磨耗值統計 mm

圖9為第四次測量的內外軌平均磨耗值的比較。可以看出，在統計范圍內（－10°～70°）外軌的磨耗量略大于內軌。內外軌主要磨耗位置均集中在－5°～20°區域內。

圖7 內軌磨耗發展示意圖

圖8 外軌磨耗發展示意圖

圖9 內外軌磨耗比較

3 輪軌接觸狀態分析

為進一步從理論上探討鋼軌型面變化對輪軌接觸位置的影響，以所測鋼軌型面數據為基礎，借助動力學仿真分析軟件，考察輪軌接觸位置的變化。典型的分析結果如圖10所示。圖中反映的是第四次測量中測點9、29和78所在鋼軌截面位置的輪軌接觸狀態。

輪軌接觸仿真分析的結果表明，輪軌接觸主要發生在鋼軌頂面中心附近，并略偏向軌道內側。接觸帶的寬度大約為15～20mm。其中圖10（c）的外軌接觸帶寬度略大。總體而言，仿真得到的接觸帶寬度小于磨耗分析得出的－5°～20°的主要磨耗范圍，這是由于仿真結果只能代表一個轉向架通過時可能發生接觸的所有位置。不同轉向架經過某一位置時都會或多或少地發生橫移，因此使得實際的接觸光帶寬度較大。

現場光帶觀測（見圖11）表明，觀測段內大部分軌道的接觸光帶位于軌頂中心附近。個別地段存在外軌光帶變寬的現象，這主要是由于輪對橫移變化在此處增大所致，與圖10（c）的仿真結果基本一致。

圖10 輪軌接觸狀態的仿真分析

圖11 現場觀測的鋼軌接觸光帶

4 結論

（1）滬寧城際高鐵開通1年內的觀測段內曲線鋼軌平均磨耗量最大值為0.34mm，說明鋼軌型面狀態良好。

（2）輪軌接觸帶主要集中在軌頂中心附近，主要接觸范圍為－5°～20°，接觸帶寬度大約為20～25mm，略大于仿真分析的結果；個別地段外軌接觸帶變寬，系由于此處的輪對橫移變化較大所致。

（3）內軌在0°附近磨耗發展較快，外軌在0°和20°附近磨耗發展較快。在主要接觸范圍內外軌磨耗量略大于內軌。

（4）輪軌接觸狀態的仿真分析結果與現場觀測情況較為吻合，可為高速鐵路鋼軌型面變化分析及其養修對策提供可資借鑒的建議。

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