朔黃重載鐵路半徑400 m曲線線路鋼軌打磨周期

王敬

國能朔黃鐵路發展有限責任公司， 河北 肅寧 062350

朔黃鐵路作為中國西煤東運的重要能源動脈，2020—2022 年連續三年實現年運量突破3 億t。較大的通過總質量導致曲線鋼軌磨耗、鋼軌表面病害快速發展，嚴重影響行車安全。重載鐵路小半徑曲線區段鋼軌病害快速發展的問題受到國內外專家的廣泛關注，并進行了大量研究。加拿大國鐵由于重載鋼軌嚴重磨耗，導致經常發生脫軌事故［1］。美國重載列車因車輪嚴重凹磨，車輪與鋼軌的沖擊振動增大，影響列車運行平穩性［2］。重載列車輪軌作用力大，易使鋼軌病害快速發展，不僅增大了線路維護工作量，對治理、抑制病害發展，延長鋼軌使用壽命的研究也提出了嚴峻的挑戰。Telliskivi 等［3］研究了磨耗狀態下輪軌接觸問題。王開云等［4］對小半徑曲線線路輪軌動態相互作用問題進行了分析，發現實際磨耗后的輪軌型面更易加劇鋼軌側磨，降低鋼軌使用壽命。崔大賓等［5］研究提出一種重載鐵路上輪軌接觸應力水平較小的鋼軌打磨目標廓形，有助于延長鋼軌使用壽命。郭戰偉［6］提出通過鋼軌打磨消除或減弱輪軌蠕滑，以延長鋼軌使用壽命。2013 年以來，中國鐵路系統引進國外先進經驗，結合國內線路和車輛的實際情況提出了個性化鋼軌廓形設計打磨方法［7］，通過實施鋼軌打磨去除鋼軌疲勞損傷，改善輪軌關系，減小輪軌蠕滑，減小接觸應力，以控制鋼軌滾動接觸疲勞發展，降低鋼軌磨耗速率，達到延長鋼軌使用壽命的目的［8-9］。

目前對于重載鐵路鋼軌打磨周期尚無有效數據支持的研究。根據朔黃鐵路小半徑曲線線路現場調研情況，打磨后鋼軌表面疲勞病害得以有效去除，鋼軌磨耗明顯減緩，但一段時間后鋼軌病害再次出現且快速發展。本文通過分析鋼軌廓形、磨耗、軌面病害發展情況及車輛動力學指標變化，研究朔黃重載鐵路半徑400 m曲線線路鋼軌打磨周期。

1 鋼軌廓形變化及磨耗發展

采用GMC-48K 型打磨車對朔黃重載鐵路半徑400 m 曲線線路進行2 次修理性打磨，每次打磨10 遍，每遍打磨量為0.1 mm。采集了打磨前后的鋼軌廓形，根據測量時間依次編號1#—9#，見圖1。第一次測量時的通過總質量記為0，各廓形的測量時間及測量時的車通過總質量見表1。

表1 列車通過總質量與鋼軌廓形編號的對應關系

圖1 打磨前后鋼軌廓形變化

鋼軌磨耗變化曲線見圖2。以上股鋼軌側面磨耗為例進行分析。可知：①第一次打磨前磨耗速率為0.077 mm/Mt；第一次打磨后，通過總質量M= 50 ～ 85 Mt（2#廓形到3#廓形）期間為0.024 mm/Mt，較打磨前降低了68.8%；M= 85 ～ 115 Mt（3#廓形到5#廓形）期間為0.138 mm/Mt，為打磨前的1.79倍。②M= 115 ～ 137 Mt（5#廓形到6#廓形）期間磨耗速率為0.116 mm/Mt；第二次打磨后，M= 137 ～ 150 Mt（6#廓形到7#廓形）期間為0.045 mm/Mt，較打磨前降低了61.2%；M= 180 ～200 Mt（8#廓形到9#廓形）期間為0.091 mm/Mt，約為打磨前的78.4%。

圖2 鋼軌磨耗變化曲線

2 鋼軌表面疲勞損傷發展

打磨前后半徑400 m 曲線線路上下股鋼軌表面狀態見圖3。可知：第二次打磨前，5#廓形表面存在嚴重的魚鱗紋、掉塊病害，軌面掉塊深度約0.6 mm；打磨后，6#廓形鋼軌表面掉塊病害完全去除（M= 137 Mt）；M= 180 Mt 時，8#廓形上下股鋼軌表面存在嚴重魚鱗紋，下股開始出現掉塊；M= 200 Mt 時，9#廓形上股存在嚴重魚鱗紋，下股嚴重掉塊，深度約0.8 mm。可見，打磨可有效去除鋼軌表面疲勞掉塊，打磨后通過總質量累計約60 Mt時鋼軌表面再出現嚴重疲勞病害。

圖3 打磨前后鋼軌表面狀態

3 輪軌接觸幾何關系

對比打磨前后輪軌接觸幾何關系，見圖4。可知：打磨前下股輪軌接觸點集中在軌距角處，接觸帶寬為0.5 mm；打磨后輪軌接觸關系得到優化，下股輪軌接觸點靠近鋼軌中心，接觸帶寬增至1.9 mm；打磨后1.3 個月時，鋼軌廓形在磨耗和軌材塑性流動作用下發生變化，輪軌關系惡化，下股輪軌接觸點集中在軌距角處，接觸帶寬變窄，為1.3 mm；打磨后2 個月時接觸帶寬變化為0.8 mm，與打磨前接近。

圖4 打磨前后輪軌接觸幾何關系

4 車輛動力學性能

4.1 建立動力學模型

為分析鋼軌磨耗演化對車輛動力學性能的影響，在多體動力學軟件中建立該重載鐵路實參數軌道-車輛多體動力學模型，模型中轉向架主要部件包括輪對、側架、軸箱、搖枕等［10］。研究對象為半徑400 m 曲線，全長300 m，緩和曲線長90 m，超高80 mm；車輛通過速度為60 km/h；軌道激勵采用該線實測軌道不平順。車輪踏面為實測車輪踏面。運動學拓撲關系和動力學模型見圖5。

圖5 C80貨車運動學拓撲關系及動力學模型

4.2 鋼軌廓形對輪軌力的影響

第一次打磨前后輪軌橫向力見圖6，1#—9#廓形下輪軌橫向力均方根值變化曲線見圖7。可知：打磨后曲線上下股輪軌橫向力明顯減小；2#廓形上股、下股輪軌橫向力較1#廓形分別降低33.8%和27.3%；5#廓形上股、下股輪軌橫向力分別為1#廓形上下股輪軌橫向力的88.2%和97.6%，6#廓形上股、下股輪軌橫向力較5#廓形分別降低27.4%和21.2%；M= 190 Mt 時輪軌橫向力恢復到打磨前，輪軌橫向力從打磨后到恢復到打磨前水平，通過總質量累計約60 Mt。

圖6 第一次打磨前后輪軌橫向力

圖7 1#—9#廓形下輪軌橫向力均方根值變化曲線

4.3 鋼軌廓形對磨耗指數的影響

輪軌磨耗指數是評定輪軌關系的一個重要指標，磨耗指數越小輪軌間越不易發生磨耗，越有助于延長鋼軌使用壽命［11］。其中，小半徑曲線上股側面磨耗是決定鋼軌使用壽命的重要因素。

打磨前后上股側面磨耗指數變化曲線見圖8。可知：兩次打磨后上股鋼軌側面磨耗指數分別為0.39、0.37 kN，較打磨前分別下降了54.1%和54.8%；M=115、200 Mt 時磨耗指數分別為0.81、0.82 kN，與打磨前接近。可見，打磨后通過總質量累計約60 Mt 時上股磨耗指數恢復到打磨前。

圖8 打磨前后上股側面磨耗指數變化曲線

4.4 鋼軌廓形對輪軌接觸應力的影響

掉塊是曲線下股鋼軌表面的主要病害，輪軌接觸應力是導致鋼軌表面出現魚鱗紋、掉塊等疲勞損傷的重要因素。因此，對曲線下股的輪軌接觸應力進行分析。

打磨前后曲線下股輪軌接觸應力變化見圖9。可知：打磨后，因輪軌關系改善，曲線下股輪軌接觸點集中問題得到緩解，輪軌接觸應力降低，第一次打磨后輪軌接觸應力降低了37.6%，第二次打磨后降低了50.2%；打磨后隨著通過總質量增加，輪軌關系逐步惡化，輪軌接觸應力增大，通過總質量累計約60 Mt時恢復到打磨前。

圖9 打磨前后曲線下股輪軌接觸應力變化曲線

5 結語

通過對朔黃重載鐵路半徑400 m 曲線線路的鋼軌磨耗變化、鋼軌表面病害發展程度及車輛動力學性能的分析，可知打磨后累計通過總質量約60 Mt 時鋼軌磨耗、鋼軌表面病害和車輛動力學指標重新接近打磨前。為延長鋼軌使用壽命，建議朔黃重載鐵路半徑400 m 曲線線路打磨周期設置為60 Mt，即通過總質量每累計60 Mt打磨一次。