大西高速鐵路鋼軌廓形偏差管理及影響研究

郭猛剛

(北京鐵福軌道維護技術有限公司, 北京100036)

為改善我國高速鐵路輪軌匹配關系，提高動車組運行品質，避免動車組出現橫向加速度報警和晃車，以60 kg/m鋼軌 (簡稱60鋼軌)為原形，按照盡量少改動原鋼軌幾何尺寸的原則，對鋪設60鋼軌的高速鐵路進行鋼軌打磨廓形設計。經過多年對輪軌關系的研究，根據輪軌接觸理論，設計出適合高速鐵路鋼軌打磨的目標設計廓形[1]。現場鋼軌打磨需對鋼軌目標廓形進行廓形偏差控制管理，以達到理想的打磨目標[2]。現場打磨施工環境復雜，且磨石與鋼軌的磨削作用屬于粗磨加工，易造成現場鋼軌與目標廓形存在偏差。不同高速鐵路動車組運用情況不同，對鋼軌廓形的偏差要求也不同，本文結合大西高速鐵路的實際運用情況，對現場鋼軌廓形偏差進行研究，對比分析廓形偏差對輪軌關系及動車組動力學性能的影響，進而對實際廓形偏差的管理限值提出建議。

1 國內外鋼軌廓形偏差管理方法

鋼軌幾何廓形尺寸作為衡量高速鐵路鋼軌打磨質量的關鍵因素，直接影響動車組的運行品質。為規范高速鐵路鋼軌打磨作業，國內外均制定了鋼軌廓形偏差的管理方法。

(1)國內規范

鐵總運[2014]357號《高速鐵路鋼軌打磨管理辦法》[3]對高速鐵路鋼軌廓形打磨的質量驗收作了詳細規定。其規定的廓形分析比對方法為：在Y/Z坐標系內以軌頂切線為基準，實際廓形與目標廓形軌頂最高點上下對齊，在Z-16處對齊(若Z-16處發生側磨，則在工作邊未發生側磨的側邊對齊)。鋼軌廓形比對及偏差分析如圖1所示，不同等級線路鋼軌打磨廓形偏差驗收要求如表1所示。

圖1 國內鋼軌廓形比對及偏差分析圖

表1 鋼軌廓形偏差等級表

(2)歐盟標準

歐盟《鐵路應用.軌道.工程驗收.鋼軌輪廓修理驗收標準》[4]標準廓形數據分析的要求為：將測量剖面與參考剖面在Y+5和Z-14處對齊，比較每1處測量位置鋼軌實測廓形和目標參考廓形在軌頭工作邊Y-30、Y-25和Y+14 位置的偏差。廓形偏差驗收方法如圖2所示(歐洲標準鋼軌內側坐標為負，鋼軌外側坐標為正，與國內相反)。同時規定了0.6 mm、1.0 mm和1.7 mm 3個鋼軌打磨偏差等級，對于每 1個等級，還規定了偏差范圍(劃分為正公差和負公差)，測量結果偏差超出規定范圍的百分比不得超過要求。

圖2 歐盟/德鐵標準廓形偏差驗收方法圖

(3)德國鐵路標準

德國鐵路標準 Ril824.8310的鋼軌廓形分析方法與歐盟標準相同(如圖2所示)，廓形比對時，將實測廓形與目標廓形的Z-14和Y+5位置調整對齊。其中Z-14 mm位置應往外至少70°的切線延展伸出。徑向于鋼軌表面方向上，應檢查鋼軌內側Y-25和Y-30之間是否符合表 2中的驗收標準值。鋼軌外側，軌頭橫向剖面從Y+14開始在公差欄中切線伸出。特征曲線的偏差在Y+14時最多可超過-0.3 mm，不能出現正偏差。

表2 德鐵鋼軌工作側廓形偏差要求表

經對比發現，國內規范對鋼軌廓形偏差的管理與歐盟標準和德鐵標準略有不同。國內高速鐵路里程長，運用動車組型號較多，為更好地指導工務部門對鋼軌廓形的管理，規范對不同等級廓形偏差的管理相對嚴格，對鋼軌內外側、正負偏差均作了明確規定。在規定偏差等級的情況下，歐盟標準對鐵路鋼軌廓形正負偏差的管理更為靈活。德鐵標準對鋼軌廓形偏差的管理思路與國內相同，也對鋼軌內外側偏差作了規定，但偏差管理限值要求與國內不同。

2 鋼軌廓形偏差與輪軌關系

2.1 鋼軌廓形的不同偏差

高速鐵路現場鋼軌自然磨耗以垂直磨耗為主，鋼軌廓形偏差主要集中表現在鋼軌與車輪輪緣接觸的軌肩內側邊+20～+25 mm位置處[5]。為更加直觀地了解鋼軌工作邊廓形偏差對現場動車組運用情況的影響，本文以大西高速鐵路鋼軌的運用廓形60D為研究對象，定量分析了鋼軌廓形偏差對輪軌匹配和各型動車組動力學性能的影響，進而得到鋼軌偏差允許限值的允許范圍。

以60D鋼軌廓形為基礎，固定軌頂位置和軌距點位置(Z-16)對齊，在鋼軌廓形工作邊0～+30 mm范圍內(最大偏差在+25 mm處)，以0.2 mm偏差精度，數據點差值擬合構造不同偏差量的廓形數據，構造偏差范圍為 -1～+1 mm。

2.2 現場實測車輪踏面分析

大西高速鐵路設計速度250 km/h，主要運用車型為CRH5A、CRH2A和CRH380A型號動車組。為更加全面地對比不同型號動車組對現場鋼軌偏差度的適應性，本文選取了大西高速鐵路運用動車組的新輪和磨耗輪兩種不同狀態的車輪踏面廓形進行分析。其中，CRH5A型動車組新輪采用XP55型踏面，CRH2A和CRH380A型動車組新輪采用LMA型踏面。對于磨耗輪，為盡可能排除不同踏面磨耗量的影響，選取鏇輪前的實測踏面。其中，LMA磨耗輪踏面磨耗量為0.813 mm，輪緣磨耗為3.335 mm；XP55磨耗輪踏面磨耗量為1.231 mm，輪緣磨耗為1.539 mm，如圖3、圖4所示。

圖3 LMA磨耗輪磨耗圖

圖4 XP55磨耗輪磨耗圖

2.3 輪軌關系對比

鋼軌廓形的偏差量直接影響輪軌幾何匹配關系，輪軌匹配等效錐度是影響車輛動力學性能的關鍵因素[6]。本文對不同踏面狀態車輪與不同偏差的鋼軌輪軌接觸關系情況進行了對比。其中對LMA新輪、LMA磨耗輪、XP55新輪和XP55磨耗輪不同車輪踏面與不同偏差的60D鋼軌廓形匹配時的等效錐度進行了計算，統計結果如圖5所示。

圖5 不同踏面與60D偏差鋼軌匹配的等效錐度圖

從圖5可以看出：(1)LMA新輪和XP55新輪狀態下，鋼軌偏差對等效錐度的影響不大。只有在正偏差大于0.6 mm以后，LMA和XP55新輪的等效錐度才有所上升，但在正偏差1 mm的范圍內也低于0.1；(2)鋼軌偏差對磨耗輪的等效錐度影響較大，尤其是XP55磨耗輪，在正偏差大于0.4 mm后，等效錐度明顯上升，超過了0.35。LMA磨耗踏面的等效錐度在正偏差大于0.6 mm以后也有所上升。

LMA標準車輪、XP55標準輪與+0.4 mm和-0.4 mm偏差的鋼軌廓形及標準60D鋼軌廓形匹配時的輪軌接觸關系如圖6所示。

從圖6可以看出，當鋼軌廓形內側負偏差時，輪軌接觸點位置偏向于軌頂部分和踏面外側，這部分的斜度較小，因此等效錐度也較低。反之，在正偏差情況下，輪軌接觸點位置偏向于軌肩部分和踏面輪緣部分，這部分的斜度大，因此等效錐度明顯變大。鋼軌負偏差時，輪軌接觸點相對比較集中，因此接觸帶寬較小。隨著偏差由負向正偏差增大，接觸帶寬有增大的趨勢。

圖6 輪軌接觸關系圖

3 鋼軌廓形偏差與動力學性能

為分析不同鋼軌廓形偏差對動車組動力學性能的影響，本文建立了CRH5A、CRH2A和CRH380A型動車組的非線性數學模型，然后對不同動車組車的不同磨耗狀態車輪在-1～1 mm不同偏差鋼軌上運行時的平穩性、舒適度進行分析對比。

3.1 動力學模型

動車組是一個復雜的多體系統，不僅有各部件之間的相互作用力和相對運動，還有輪軌之間的相互作用關系。本文在多體動力學軟件 Simpack 中建立了實參數車輛-軌道多剛體系統動力學模型，變參為不同廓形偏差的鋼軌與不同磨耗狀態的動車組車輪，同時將實測線路高低不平順作為軌道譜施加到模型中作為原始激勵。

3.2 平穩性對比分析

動力學仿真計算結果表明：

(1)新輪狀態下，CRH5A型動車組在不同偏差鋼軌運行時的橫向平穩性差異較小，但磨耗輪轉態下，鋼軌偏差對CRH5A型動車組的平穩性影響較大。在250 km/h車速下，當鋼軌正偏差大于0.4 mm時，頭車和尾車的橫向平穩性超過了2.5的限值，不同鋼軌偏差下CRH5A型動車組的平穩性對比如圖7所示。

圖7 不同鋼軌偏差下CRH5A型動車組的平穩性對比圖

(2)新輪狀態下，隨著鋼軌偏差的增大，CRH2A型動車組的橫向平穩性有所增大，但在250 km/h速度范圍內，其平穩性仍保持在2.5限值以下。磨耗輪狀態下，隨著鋼軌偏差的增大，CRH2A型動車組的橫向平穩性有所增大，但仍僅當偏差大于0.8 mm時，250 km/h下的橫向平穩性才會超標，不同鋼軌偏差下CRH2A型動車組的平穩性對比如圖8所示。

圖8 不同鋼軌偏差下CRH2A型動車組的平穩性對比圖

(3)無論是新輪還是磨耗輪狀態下，隨著鋼軌偏差的增大，CRH380A的橫向平穩性均有所增大，但在250 km/h運行速度范圍內，其平穩性均在限值以下，不同鋼軌偏差下CRH380A型動車組的平穩性對比如圖9所示。

圖9 不同鋼軌偏差下CRH380A型動車組的平穩性對比圖

由對比分析可知， CRH5A型動車組對鋼軌廓形偏差適應性最差，CRH2A型動車組其次，在-1～+1 mm的鋼軌偏差范圍內，CRH380A型動車組的橫行平穩性指標均滿足要求，對鋼軌廓形偏差的適應性最強。鋼軌廓形偏差對各型號動車組的垂向平穩性的影響均較小。

3.3 橫向加速度對比

為更直觀地分析鋼軌偏差對車輛動力學性能的影響，分別將CRH5A、CRH2A和CRH380A型動車組在偏差-0.4 mm、無偏差和偏差+0.2 mm、偏差+0.4 mm的鋼軌上以250 km/h速度運行時的橫向加速度進行對比，如圖10所示。

圖10 不同動車組新輪及磨耗輪橫向加速度對比圖

由對比結果可知：

(1)新輪狀態下，CRH5A型動車組在不同偏差鋼軌運行時的橫向加速度差異較小。但磨耗輪狀態下，鋼軌偏差對CRH5A型動車組的加速度影響較大，其橫向加速度幅值明顯變大，呈現諧波振動，這是因為5～6 Hz處存在明顯峰值。在現場主要表現為“抖車”現象。鋼軌正偏差0.2 mm時，雖然4 Hz附近橫向加速度也存在一定的能量集中，但其平穩性并未超過2.5的限值，仍在可接受范圍內。

(2)新輪及磨耗輪狀態下，CRH2A和CRH380A型動車組在不同偏差鋼軌上運行時的橫向加速度差異不大。鋼軌偏差對CRH2A和CRH380A型動車組的影響較小，雖然其橫向平穩性隨著偏差的增大而增大，但在0.4 mm的正偏差以內均未超過限值，橫向加速度也未見明顯諧波。

軌道車輛動力學失穩與多種因素有關，主要包括車輛參數、輪軌接觸幾何關系、輪軌接觸界面條件、運行速度等[7]。車輛系統動力學失穩包括一次蛇形和二次蛇形。一次蛇行頻率較低，經常發生在輪軌接觸等效錐度很小時。由于耦合了車輛懸掛模態，一次蛇行嚴重影響車輛乘坐性能，一般對運行安全性影響不大；但有時嚴重的一次蛇行會發生輪緣貼靠，也會危及行車安全。此時，需將等效錐度提高到合理范圍，一是要避免鋼軌負偏差，二是保證車輪踏面接觸區不要過于平坦。二次蛇行頻率避開了車體懸掛模態頻率，但若和車體某些彈性振動頻率接近，同樣會引起抖車現象。車輛參數確定后，影響二次蛇行的主要因素是等效錐度和運行速度，因此，發生二次蛇行后，最直接的辦法是降速或降低等效錐度到合理范圍內，此時要避免鋼軌正偏差，同時也可對車輪踏面進行鏇修。

4 結論

根據國內外對高速鐵路鋼軌偏差管理的研究，本文分析了大西高速鐵路鋼軌偏差對輪軌接觸以及動車組動力學性能的影響，得到以下主要結論：

(1)高速鐵路鋼軌廓形偏差的管理應根據線路特點、運用動車組車型綜合考慮，根據輪軌接觸關系理論，結合國內偏差管理規范可實施偏差限值的個性化管理。

(2)鋼軌偏差對大西高速鐵路運用動車組新輪等效錐度的影響較小，對磨耗輪的等效錐度影響較大。尤其是XP55磨耗輪，當鋼軌正偏差大于0.4 mm后，等效錐度明顯上升，超過了0.35。LMA磨耗踏面的等效錐度在鋼軌正偏差大于0.6 mm后也有所上升，CRH5型動車組對不同偏差范圍60D鋼軌設計廓形的適應性低于CRH2和CRH380型動車組。

(3)對于大西高速鐵路60D鋼軌設計廓形，鋼軌工作邊廓形出現正偏差過大易出現輪軌匹配關系關系不良、動力學性能下降等問題，鋼軌正偏差增大到0.2 mm后，CRH5型動車組最易發生“抖車”現象。現場鋼軌內側偏差應盡量控制在0或負偏差范圍內。

(4)綜合輪軌關系、動車組動力學性能和打磨成本，建議大西高速鐵路在鋼軌打磨時重點控制鋼軌內側偏差，同時鋼軌工作邊 +20～+30 mm的偏差超 出-0.4～+0.2 mm范圍時，應適當安排鋼軌廓形修理打磨作業。