客運專線鐵路曲線段鋼軌型面優化

周 駿，劉林芽，萬 鵬

(華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

客運專線鐵路曲線段鋼軌型面優化

周 駿，劉林芽，萬 鵬

(華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

根據武廣客運專線某曲線段的實測數據，對指定曲線段軌道的水平加速度、鋼軌光帶及側磨情況進行分析，獲得輪軌匹配較好的平均磨耗型面。以改善輪軌接觸狀態為目的，采用輪軌接觸角曲線反求法，利用數學軟件MATLAB對獲得的平均磨耗型面進行優化設計得到共性度較高的優化型面。通過多體動力學軟件SIMPACK進行車輛軌道耦合動力學仿真，確定型面優化方案能有效改善輪軌接觸狀態，并使得列車有較優的車輛動力學性能。

客運專線；鋼軌型面；優化；接觸狀態；車輛動力學性能

高速鐵路已成為鐵路行業的發展主題,輪軌型面優化也逐漸成為鐵路發展熱點問題。Heller［1]等提出了基于車輛動力學性能的車輪踏面優化設計方法,并編寫了相應的程序實現封閉式的車輪踏面設計與仿真。Wu［2]和Zhang［3]基于輪軌型面匹配的設計概念,提出了由給定鋼軌型面設計車輪型面的設計方法。Shen等［4]用接觸角曲線反推的方法設計車輪踏面外形,使踏面外形不再局限于直線與圓弧曲線的組合。Shevtsov［5]和Shen［6]給出了與接觸角曲線反推的法相似的車輪踏面設計方法,但選用的目標是RRD曲線,在設計過程中采用MARS法求解優化問題的方程。崔大實等［7]使用基于輪軌最小法向間隙的序列二次規劃(SQP)方法,優化了車輪外形。Persson等［8]利用遺傳算法作為優化方法對BV50和UIC60鋼軌型面進行了優化設計。Ha-Young Choi等［9]以減緩地鐵曲線段鋼軌磨耗為目的,利用遺傳算法對地鐵實測的鋼軌型面進行優化設計。目前的輪軌型面的優化設計主要集中在需預先獲得目標函數的反求法上,一般適用于已知車輪踏面或鋼軌型面的輪軌型面優化設計［10-13]。本文在對接觸角曲線反求法進行一定研究和簡化的基礎上,基于給定的車輪踏面對磨耗鋼軌型面進行優化設計,獲得了優化的鋼軌打磨型面。

1 實測磨耗鋼軌型面

武廣高速鐵路運營以來,曲線路段晃車現象嚴重,一直影響著武廣高速鐵路的運營品質。在保證軌道下結構,軌上結構線性幾何尺寸、扣件系統及車輛結構參數絕對穩定的前提下,軌頭型面則成為影響行車平穩性的主要因素之一。根據已測得的軌檢車的數據,通過對車輛水平加速度不平順的分析來確定線路的軌道狀態,從中選擇軌道狀態較好的曲線段為試驗段。對已經選取好的試驗段進行軌道狀態的測試,從中選取一段列車晃車最小的試驗段作為后期的研究對象。由于經過以上的試驗測試還不足以確定該試驗段鋼軌具有最佳輪廓面,所以需要對該試驗段進行現場測試。測試的主要內容有鋼軌的光帶和側磨情況,在每公里取5個觀測點,對鋼軌光帶與鋼軌側磨進行觀測［14- 16]。

經過現場測試得到軌道狀態數據、鋼軌光帶磨耗數據、曲線段鋼軌側磨以及車輛的晃車數據,見表1。對數據進行對比分析,發現下行DK1231里程光帶寬度和距作用邊距離正常,鋼軌側磨量小于其他里程,表明輪軌匹配關系良好,得到最佳的輪廓面。并利用Simpack仿真計算了CN60型面和磨耗型面和理論設計動力學性能,表2給出了性能指標最大值對比的數據。此外,根據現場動力測試試驗的統計結果,統計了CN60型面與磨耗型面的輪軌橫向力和橫向加速度等指標。由表2可知,軌頭型面對車輛的動力學性能有較大影響,獲得的磨耗型面有較優的動力學性能。

表1 下行線DK1230+000～DK1234+000鋼軌光帶與側磨情況

表2 動力學指標（車速200 km/h)

2 磨耗鋼軌型面優化設計

由于本文車輛模型采用CRH2C型列車參數,所以選擇LMa型踏面為給定車輪外形,并選擇獲得的平均磨耗鋼軌型面為“種子”軌頭外形。對獲得的實測數據進行擬合,獲得“種子”軌頭外形Zr(Yr)及給定的車輪踏面外形Zw(Yw),利用接觸角反求法對磨耗型面進行優化設計,當輪對的橫移量為Ys和輪對的側滾角為零時,輪軌接觸面上的相互接觸點分別為(yw,zw)和(yr,zr),接觸角為A。隨著輪對的橫移,用最小距離搜索法求接觸點位置,求得接觸點的條件是

并采用雙側輪軌的接觸角差曲線ΔA(Ys)作為評價指標對獲得的軌頭外形進行評價,若ΔA(Ys)不滿足要求,則對其進行修正,重新確定接觸角曲線對鋼軌進行優化,獲得優化型面如圖1所示。優化步驟如圖2所示。

圖1 磨耗型面和優化型面

圖2 鋼軌外形設計一般流程

3 計算結果及分析

3.1 靜態輪軌幾何接觸狀態

不同的輪軌外形配合具有不同的輪軌接觸幾何關系和接觸幾何參數,當2種鋼軌型面與LMA車輪踏面配合時,從輪軌接觸幾何關系中,可得到滾動圓半徑差與輪對橫移量的關系,從圖3可以看出,優化型面半徑差在3 mm以內與磨耗型面基本相同；在3～8 mm間大于磨耗型面。可見優化型面在小半徑曲線的通過能力與磨耗型面相差不多,在中等和大半徑曲線的通過能力優于磨耗型面。

圖3 輪對滾動圓半徑差

圖4 中給出了優化前后輪軌接觸點對分布狀態,輪軌間的豎線為輪對處于中位置時輪軌接觸點位置,車輪與鋼軌踏面之間的連線代表所有情況下輪軌可能的接觸點位置。從圖4中可以看出,優化型面較磨耗型面靠近鋼軌右側輪軌接觸點對分布更加均勻,輪對對中位置的輪軌接觸點位置向左移動了4 mm,使得輪軌接觸斑面積增大,也就是輪對橫移時,輪軌接觸點位置在車輪踏面或軌頂面上移動不會發生大幅度跳躍現象,接觸壓力水平變化不會像傳統輪對接觸點從一個圓弧轉移到另一個圓弧上發生太大的波動。

圖4 輪軌接觸點分布狀態

優化前后的輪軌間隙如圖5所示,優化后間隙值在部分區域上大于初始踏面的輪軌間隙,也有部分區域上小于初始踏面的輪軌間隙值,當y∈(-4 mm, -1 mm)時,初始輪軌接觸間隙較小,輪軌壓力水平較低,而在其他區域壓力相對較高,輪軌壓力相對集中,易導致輪軌磨損和接觸疲勞。所以,優化后的車輪和原鋼軌計算接觸,使原型面輪軌過小的接觸壓力水平適當提高,而使過高的壓力水平降低,達到輪軌工作面材料受力均勻均衡。

圖5 輪軌間隙值曲線

3.2 動力學性能計算

選取了CN60鋼軌型面、磨耗鋼軌型面、優化鋼軌型面,采用的車輛模型參數,主要是參考我國高速列車中的CRH2C型車,采用武廣高速鐵路實際曲線段參數。由于獲得的軌檢車數據顯示通過指定曲線段的列車速度區間為180～220 km/h,所以計算了3種不同型面在180、200、220、240 km/h速度下,相應的輪軌橫向力、最大赫茲接觸應力、磨耗指數、Sperling平穩性指數的幅值,如圖6、圖7所示。

圖6 輪軌橫向力

圖7 最大赫茲接觸應力

圖6 、圖7所示分別為車輛通過曲線時輪軌橫向力與輪軌最大接觸應力,優化型面與磨耗型面的輪軌橫向力幅值均小于CN60型面,相較于CN60型面軌橫向力幅值分別降低22%和15%,優化型面與磨耗型面間差距較小,隨速度增大成增大趨勢,最大降低7%。優化前后型面的最大接觸應力隨速度的增大基本成增大趨勢,優化后鋼軌型面的最大輪軌接觸應力均小于優化前鋼軌型面,相較于CN60型面最大輪軌接觸應力降低27%,相較于磨耗型面最大降低11%,說明此方法優化的鋼軌型面可以使輪軌在運行過程中獲得更好的輪軌接觸狀態,有效降低輪軌橫向力與接觸應力。

圖8 磨耗指數

由于隨著速度增大曲線段接觸斑滑動區面積與滑動量會呈增大趨勢,所以摩擦功逐漸變大。從圖8中可見,優化型面摩擦功小于CHN60型面及磨耗型面,磨耗指數幅值分別降低15%和8%,這可以使鋼軌的磨耗性能得到最大程度的發揮,有利于提高輪軌的使用壽命,延緩曲線區段外側鋼軌的磨耗。采用Sperling平穩性指數對車輛平穩性進行評價,從圖9可以看出,雖然3種型面的Sperling平穩性指數都小于2.5,處在一級平穩性等級,但優化型面與磨耗型面相較于CN60型面留有更大余量,使機車車輛獲得較優的平穩性和乘坐舒適度。

圖9 Sperling平穩性指數

4 結論

(1)本文采用的接觸角曲線反求法,選用較優的實測磨耗型面進行優化設計,獲得的優化型面保持了磨耗型面較好的接觸點對分布狀態,使得LMA型面和優化型面間具有較優的輪軌接觸狀態,輪軌磨耗程度趨于平穩,能夠有效降低輪軌磨耗。優化的鋼軌型面可以通過現有的打磨技術進行實施,對我國高速鐵路鋼軌預打磨型面的優化設計進行一定的探索。

(2)由于優化獲得的優化型面與實測的磨耗型面軌頭外形相近,所以只需進行輕度鋼軌打磨即可,大大減少了鋼軌打磨的金屬打磨量,從而減少了鋼軌打磨維修費用。

(3)利用SIMPACK軟件進行車輛動力學仿真計算,通過分析輪軌幾何接觸狀態與車輛動力學性能,表明獲得的優化型面在保持較優的輪軌接觸狀態下,能有效保證車輛具有較優的動力學能力,從而提高車輛運行的安全性和穩定性。

［1] HELLER R,LAW E H.Optimizing the wheel profile to improve rail vehicle dynamic performance［C]∥Proceedings of the 6th IAVSDSymposium Technical,University Berlin,1979:179-195.

［2] WU H M.Investigations of wheel/rail interaction on wheel flange climb derailment and wheel/rail profile compatibility［D].Chicago: The Graduate College of the Illinois Institute of Technology,2000.

［3] 張劍,溫澤峰,孫麗萍,等.基于鋼軌型面擴展法的車輪型面設計［J].機械工程學報,2008,44(3):44-49.

［4] 葉志森,沈鋼.獨立輪踏面外形的設計［J].鐵道車輛,2003,41 (1):19-21.

［5] Shevtsov I Y,Markine V L,Esveld C.Optimal design of wheel profile for railway vehicles［J].Wear,2005(258):1002-1030.

［6] G Shen,X Zhong.A design method for wheel profiles according to the rolling radius difference function［J].Journal of Rail and Rapid Transit,2011,225(5):457-462.

［7] 崔大賓,李立,金學松,肖廣文.基于輪軌法向間隙的車輪踏面優化方法［J].機械工程學報,2009,45(12):205-210.

［8] Ingemar Persson,Rickard Nilsson,Ulf Bik,et al.Use of a genetic algorithm to improve the rail profile on Stockholm underground［J]. Taylor&Francis,2010,48:89-104.

［9] Ha-Young Choi,Dong-Hyong Lee,Chang Yong Song,et al. Optimization of rail profile to reduce wear on curved track［J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2013,14(4):619-625.

［10]崔大賓,李立,金學松,周亮節.鐵路鋼軌打磨目標型面研究［J].工程力學,2011,4(28):178-184.

［11]周亮節,劉建新,崔大賓,杜星.鐵路鋼軌預防性打磨型面及其對車輛運行性能的影響［J].鐵道機車車輛,2010,5(30):34-39.

［12]馬躍偉,任明法,胡廣輝,田常海.高速鐵路鋼軌預打磨型面優化分析［J].機械工程學報,2012,48(8):90-97.

［13]周清躍,劉豐收,田常海,張銀花,陳朝陽.高速鐵路輪軌形面匹配研究［J].中國鐵路,2012(9):33-36.

［14]繆闖波.鋼軌打磨對輪軌作用的影響［J].鐵道標準設計,2002 (7):31-32.

［15]史小坤.曲線地段鋼軌不均勻側磨原因分析及防治措施［J].鐵道標準設計,2002(3):54-55.

［16]左玉良.從鋼軌光帶異常看高速線路軌道平順性［J].鐵道標準設計,2009(4):13-16.

OPtimization of Rail Profile in Curved Section of Railway Passenger Dedicated Line

ZHOU Jun,LIU Lin-ya,WAN Peng
(Ministry of Education's Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise, East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Based on the measured data from a curved section of the Wuhan-Guangzhou railway passenger dedicated line,an analysis on the horizontal acceleration,rail light strip and rail lateral abrasion of the track in this curved section was carried out,and the average wearing rail profile with good wheel-rail matching was obtained.Furthermore,in order to improve the contact status between wheel and rail,the optimization design to the average wearing rail profile was carried out by wheel/rail contact angle curve inverse method and by the mathematical software MATLAB.After that,an optimized rail profile with higher degree of conformity was obtained.Through vehicle-track coupling dynamic simulation via the multi-body dynamics software SIMPACK,it can be seen that the optimized rail profile can effectively improve wheel/rail contact status and can make the trains have better vehicle dynamic performance.

passenger dedicated line；rail profile；optimization；contact status；dynamics performance of vehicle

U213.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.005

1004-2954(2014)07-0020-04

2013-10-06；

2013-12-21

國家自然科學基金資助項目(51068007)；新世紀優秀人才支持計劃項目(NECT-09-0167)

周 駿(1990―),男,碩士研究生,E-mail:zhoujunjxnc@ 163.com。