鋼軌軌底坡對重載鐵路輪軌關系影響的研究

劉暢

摘要：為從根本上提升鋼軌運的安全性及平穩性，要細致分析鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌之間的關系，計算出不同歸地坡條件下，重型鋼軌車輪踏面運行期間的各類參數數據。計算結果發現，在采用1/20的軌底坡時，重載鐵路輪軌的接觸角分布更加均勻，能夠從根本上提升車輛的接觸面，降低重載鐵路輪軌的接觸斑面積，保障重載鐵路輪軌平穩。

關鍵詞：鋼軌軌底坡;重載鐵路輪軌;關系

前言：由于鋼軌軌底坡的車輪踏面與頂面接觸面存在一定錐度，為保障鋼軌軸心受力，需注重控橫向彎矩力，計算鋼軌軌底坡數值，確保鋼軌其中接觸在軌頂中部，從根本上提升鋼軌的橫向穩定力，控制鋼軌的損耗程度，降低鋼軌與重載鐵路輪軌維護成本。

1、鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌之間的關系研究現狀

通常情況下，在鋼軌行進期間，車輪踏面與鋼軌頂部存在一定錐度，為從根本上控制橫向彎曲，確保鋼軌始終保持在一個向內的傾斜度，需設置鋼軌軌底坡數值，確保鋼軌軌底坡的設置能夠保障鋼軌接觸力集中在鋼軌頂部，從根本上提升橫向穩定性，因此需對鋼軌軌底坡的設置數值進行細致研究，就目前來看，各國研究鋼軌軌底坡的進度不同，相應的軌底坡數值存在較大差距。在歐洲大部分國家，鋼軌軌底坡數值設置通常遵循UIC標準，采用1/20軌底坡設置方式。車輪以及錐形踏面、磨耗型踏面等均為1/20;美國以及日本等國家，鋼軌軌底坡采用1/40的設置手段;瑞士等國鋼軌軌底坡為1/30。

20世紀60年代中，我國直線地段鋼軌軌底坡的數值從原有1/20更改為1/40。經過文獻資料調查發現，由于當時軌道標準不夠完善，主要采用鉤頭道扣壓鋼軌的方式，導致鋼軌在實際運行過程中經常會出現翻轉或扣道釘浮起等問題，導致鋼軌底坡不斷減少。由于鋼軌運行期間，車輪踏面會受到各種荷載力的影響，導致踏面錐度逐漸趨向于1/40。

以朔黃鐵路龍宮工務工隊的調查研究來發現，管內小半徑曲線軌枕（含普枕、橋枕）存在大量承軌槽磨損現象，導致軌枕軌底坡變化從而出現部分大軌距、軌距變化率、水平不均、三角坑等病害，增加了工隊養護維修難度。據統計，以每公里線路1667根軌枕配置進行計算，磨損軌枕總量已占到小半徑曲線軌枕量的21.94%（磨損軌枕普枕4792根、橋枕1684根）。經過原因分析，1、工隊管內上行線軌枕分別于2008年至2012年間上線，至今通過總重已達到17億至23億噸，導致產生疲勞磨損。2、出現軌枕磨損的曲線道床均存在道床板結、翻漿冒泥等病害，道床彈性不足導致軌枕承軌槽磨損。3、通過檢查磨損后承軌槽狀態，與熱塑型膠墊基本一致，熱塑型膠墊材質較硬也導致軌枕承軌槽磨損。

通過分析鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌之間的關系，發現曲線地段鋼軌軌底坡應保持在1/20，確保車輛曲線通過性能能夠得到根本上的改善，同時緩解曲線區域外軌磨損程度。因此從一定角度上來說，對鋼軌軌底坡數值的優化不僅需分析鋼軌形面特征，還應考慮到線路條件、重載鐵路輪軌等因素，計算出更加適當的鋼軌軌底坡設置數據。

2、重載鐵路輪軌模型的設立

本文采用多體動力學分析軟件，對重載鐵路輪軌動力學模型進行構建，分析模型內砌塊運行自由度，計算出砌塊摩擦產生的壓力。通過實際驗證發現，重載鐵路輪軌模型能夠展現出重載鐵路車體以及搖枕之間的作用關系，切實提升重載車輛回轉摩擦力以及車體結構的抗側滾能力，因此可在研究鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌關系時發揮出重要作用。

3、分析鋼軌斷面特征

作為鐵路軌道重要組成部分，鋼軌承載力以及抗摩擦力能夠從根本上引導列車車輪正常運行。鋼軌頂端與車輪部分直接聯系在一起，要求該部分具有較強的抗壓力以及耐磨性，確保鋼軌頭部重量與體積符合質量要求，其外形能夠與車輪踏板相互適應。

就目前來看，重軌車輪發展速度不斷加快，國內運煤干線所使用的重型軌道數量增多，機械性能不斷提高，軌道頂部的運行半徑增加了200毫米，從根本上擴大了車輪與底部的接觸面積，使軌道頂部承載能力不斷增加，頂部錐度相應減小。

4、靜態接觸參數的計算

在分析鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌結構之間關系時，應做好靜態接觸參數的計算工作。鋼軌軌底坡數值的改變可直接影響到輪轂接觸點分布情況，改變接觸角差、輪徑差等數值[3]。分析1/40與1/20軌底坡的靜態接觸參數，發現1/40軌底坡接觸面集中分布于鋼軌中軸線處，1/20軌底坡接觸面分布于鋼軌中軸線兩側，受力范圍更加均勻。

通過計算不同軌底坡數值的輪徑差以及接觸角差發現，1/40軌底坡的輪徑差與接觸角差均小于1/20的軌底坡。由于軌底坡不斷增大，鋼軌運行期間的橫移量與重力剛度進一步提升，更好改善了輪軌的恢復對中性，有效控制鋼軌在實際運行期間的摩擦損耗量。鋼軌軌道底坡的輪對橫移量接近10mm的情況下，曲線形態發生較大改變，輪緣接觸現象明顯。由此可判斷出，1/20鋼軌軌底坡，比1/40鋼軌軌底坡更容易發生輪緣接觸。

5、鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌的動態響應情況

鋼軌軌底坡參數數值的設置可直接影響到鋼軌接觸面位置，通過不斷優化鋼軌接觸量，能夠有效改善輪軌動態接觸行為，確保重載車輛的動力學響應發生改變。采用當前先進的動態仿真技術，分析重載車輛在勻速行進時，1/20鋼軌軌底坡與1/40鋼軌軌底坡的橫移量、沖角、輪軌力等數值，判斷出鋼軌軌底坡設置情況對車輛曲線通過性能的影響。

通過繪制動態仿真圖形模型，發現車輛通過曲線時，不同鋼軌軌底坡的導向車輪橫移量存在極大不同。具體而言，在1/40鋼軌軌底坡時，圓曲線車輪的橫移量為7.3mm;1/20鋼軌軌底坡時，圓曲線車輪的橫移量為6.5mm。根據此結果可發現，輪軌的橫移量數值與鋼輪的重力及剛力具有直接影響，鋼輪的重力與剛力增大，輪軌的橫移量數值減小。在沖角、橫向力減小的情況下，鋼輪的重力與高度明顯增加。鋼軌軌底坡數值由1/40轉變為1/20，能夠更好控制曲線鋼軌的磨損程度，延長鋼軌使用壽命，從根本上提升鋼軌后期運維的成本利用率。

6、鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌關系的實踐驗證

通過分析鋼軌軌底坡與重載鐵路輪軌關系，將1/20鋼軌軌底坡應用在當前鋼軌側磨損治理環節，開展鋼軌軌底坡綜合治理試驗，驗證了鋼軌軌底坡數值增大的必要性，從根本上增強鋼軌減磨效果。通過對比分析1/20與1/40鋼軌軌底坡的磨損程度，發現隨著鋼軌軌底坡數值增大，外軌道側磨損程度得到控制，從原有50%的磨損量減少到25%。

為做好國內鋼軌軌底坡優化工作，應細致判斷鋼軌實際運行情況，遵照鋼軌損耗程度以及橫移量數值，明確鋼軌軌底坡優化范圍。為有效提升鋼軌耐磨性能，相關部門要細致分析曲線鋼軌軌道的不對稱外觀特征，通過該特征對鋼軌軌底坡進行不對稱打磨，由原有1/40鋼軌軌底坡穩定朝向1/20鋼軌軌底坡數值轉變。

總結：

總而言之，通過分析鋼軌軌底坡以及重載鐵路輪軌具體特征，控制鋼軌軌底坡計算數值，采用更加先進的多體動力學軟件，分析鋼軌軌底坡靜態接觸幾何關系。發現在不同鋼軌軌底坡的輪接觸點時，輪緣接觸面積不同，受力情況需經過細致分析。同時，計算出鋼軌軌底坡運行期間的輪徑差與接觸角設置數值，確保通過控制鋼軌軌底坡以及重載鐵路輪軌結構，提高輪軌自身承載力與穩定性。

參考文獻：

[1]鐘浩，王文健，劉啟躍. 鋼軌型面對重載輪軌匹配關系影響[J]. 機械設計與制造，2014（04）：61-64.

[2]王文健. 輪軌滾動接觸疲勞與磨損耦合關系及預防措施研究[D].西南交通大學，2013.

[3]周宇，王少鋒，張杰，姜俊楠. 軌底坡對曲線線路鋼軌疲勞裂紋萌生壽命的影響[J]. 中國鐵道科學，2015，36（01）：25-32.