地鐵線路控制鋼軌波磨的鋼軌打磨技術(shù)應(yīng)用研究
杜星，郭俊，陳婧，崔大賓
(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031 )
摘要:介紹了國(guó)內(nèi)軌道交通工具輪軌形面匹配的情況和存在的問(wèn)題?；诙囿w動(dòng)力學(xué)軟件( SIMPACK )建立了地鐵車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)模型。首先，利用SIMPACK的前處理功能導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌型面和設(shè)計(jì)后的鋼軌型面，及實(shí)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)線路數(shù)據(jù)，作為仿真計(jì)算的輸入。然后以輪軌橫向力、垂向力以及脫軌系數(shù)為例，對(duì)打磨前后鋼軌對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析。比較了在相同車(chē)輪型面和實(shí)測(cè)線路不平順條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面和設(shè)計(jì)型面對(duì)地鐵動(dòng)車(chē)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，在相同激擾條件下，使.用設(shè)計(jì)鋼軌型面的輪軌垂向力、橫向力大大的減小。
關(guān)鍵詞:鋼軌打磨;接觸疲勞;型面優(yōu)化;動(dòng)力學(xué)
中圖分類(lèi)號(hào): U216.424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1006 - 0316 (2011) 10- 0009- 05
Study on application of the rail grinding on controlling the corrugation in metro
DU Xing，GUO Jun，CHEN Jing，CUI Da-bin
( School of Mechanical Engineering , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, China )Abstract : This paper introduces the existence of the domestic rail transport rail-shaped surface of the wheelmatches the situation and problems. The dynamic analysis model of metro vehicle is set up by automateddynamic analysis of mechanical system SIMPACK software. Firstly, used preprocess of the SIMPACK dealwith the standard rail profile and design of rail profiles and the field lines and measured data input thesimulation model. Secondly, the vehicle dynamic response is analyzed after the rail grinding, which iswheel-rail lateral force, vertical force and derailment coefficient. Compared the wheel surface and measuredthe same uneven track conditions, the use of standard rail profile and design of rail profile of the dynamicresponse of the MTR EMU. The results show that the same excitation conditions, the use of the design railprofile of the wheel-rail vertical force, lateral force greatly reduced.
Key words : rail grinding ; profile design; rolling contact fatigue; vehicle-track coupling dynamic
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城 市的不斷壯發(fā)展的時(shí)期。城市軌道交通在我國(guó)得到了廣泛大，我國(guó)城市交通發(fā)展成為城市發(fā)展的核心要的發(fā)展，同時(shí)輪軌接觸問(wèn)題也表現(xiàn)的尤為突素，從而我國(guó)的城市軌道交通進(jìn)入了一個(gè)快速出，鋼軌型面是輪軌系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素之--，它不僅關(guān)系到車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)性能，也關(guān)系到輪軌之間的接觸問(wèn)題。選 擇好的鋼軌型面，不僅可改善車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，而且可大大降低輪軌接觸應(yīng)力，減少輪軌維修成本，提高車(chē)輛運(yùn)行[1]的安全性和舒適性，延長(zhǎng)鋼軌的使用壽命由于長(zhǎng)期采用單一的車(chē)輛、統(tǒng)- -的軸重、同一曲線區(qū)段采用相同的速度運(yùn)營(yíng)，所以出現(xiàn)了的鋼軌表面滾動(dòng)接觸疲勞裂紋、剝離掉塊、曲線上股鋼軌側(cè)磨、曲線下股鋼軌頂面波磨、軌頭壓潰、焊接接頭不平順、內(nèi)軌肥邊等[2]典型的傷損圖片如圖1 所示。這些傷損情況嚴(yán)重的影響了車(chē)輛的安全運(yùn)營(yíng)，影響了車(chē)輛的乘坐舒適度。
鋼軌打磨型面研究問(wèn)題---直是鐵路維修工程中十分復(fù)雜而又迫切需要解決的問(wèn)題。
其解決與否直接影響到軌道交通的飛速發(fā)展。本文使用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立地鐵車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型，仿真計(jì)算了實(shí)測(cè)軌道不平順下，標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面和設(shè)計(jì)型面對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的響應(yīng)。
1、模型介紹純粹的商業(yè)化鐵路方面的的多體動(dòng)力學(xué)軟件主要有Adams/rail 和SIMPACK，以及其他一-些少數(shù)的程序，其中目前SIMPACK 的市場(chǎng)占有率為49% 而Adams/rail 的市場(chǎng)占有率僅有15%SIMPACK可以進(jìn)行整車(chē)系統(tǒng)的振動(dòng)特性、各 部件的受力情況、加速度、位移等分析能力。其軌道模塊是德國(guó)宇航中心(DLR )總結(jié)20年來(lái)的輪軌接觸模擬經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)代先進(jìn)的模擬技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。
1.1 SIMPACK的優(yōu)點(diǎn)
(1) 采用全新的輪軌接觸模型。采用運(yùn)動(dòng)學(xué)約束計(jì)算方法可以有效地提高動(dòng)力學(xué)的計(jì)算速度，采用Kalker的簡(jiǎn)化線性滾動(dòng)接觸理論，SIMPACK 自 帶有- -種高度自動(dòng)化并經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的輪軌接觸線性化模型能夠。即等效線性化和協(xié)函數(shù)線性化。
(2) 自動(dòng)建立微分方程，便于查錯(cuò)。
在車(chē)輛系統(tǒng)建模中，不需要建立微分方程，程序根據(jù)模型的拓?fù)潢P(guān)系，自動(dòng)生成微分方程，便于尋找模型中的錯(cuò)誤。方 便建立模型。
(3)實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)后處理結(jié)果。
SIMPACK具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)后處理能力,利用動(dòng)畫(huà)、圖表等 形式和其他的形式直觀的輸出結(jié)果。
1.2 車(chē)輛模型
車(chē)輛系統(tǒng)模型由一個(gè)車(chē)體、二 個(gè)構(gòu)架、四條輪軌構(gòu)成，每- -組 構(gòu)件均考慮為剛形體。鋼軌型面數(shù)據(jù)時(shí)有專(zhuān)門(mén)的前處理程序來(lái)實(shí)現(xiàn),及采用樣條函數(shù)擬合截面外形，可以將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)型面數(shù)據(jù)處理為仿真使用數(shù)據(jù)。對(duì)懸掛系統(tǒng)的建模，分別在輪軌、構(gòu)架和車(chē)體.上設(shè)置不同的連接點(diǎn)，作為懸掛系統(tǒng)的始末坐標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)建立懸掛系統(tǒng)的彈簧和阻尼力元。車(chē)體建模只需要輸入車(chē)體的長(zhǎng)、寬、高以及質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心高度坐標(biāo)即可。對(duì)于輪軌接觸模型，在輪軌建模中主要采用兩種不同形式的模型:彈性或剛性約束的輪軌接觸模型，本文采用的是鋼軌約束的輪軌接觸模型。具體的車(chē)輛模型如圖所示。
2評(píng)價(jià)指標(biāo)
本文采用不考慮作用時(shí)間的脫軌系數(shù)作為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。分析脫軌系數(shù)時(shí)主要針對(duì)輪軌橫向力H>0和H=0的情況。不同的情況下評(píng)價(jià)車(chē)輪的脫軌指標(biāo)，是根據(jù)車(chē)輪受力平衡條件得出來(lái)的。Nadal提出脫軌系數(shù)為每一時(shí)刻作用在車(chē)輪上的橫向力Q和垂向力P的比值。
式中: Q為作用于輪緣上的橫向力; P為作用于車(chē)輪上的垂向力; a為車(chē)輪輪緣角; μ為摩
擦系數(shù)。由于我國(guó)車(chē)輛車(chē)輪輪緣角為68°~70° ,摩擦系數(shù)為0.20∪0.30，再確定脫軌系數(shù)允許限度時(shí)，可取摩擦系數(shù)的上限為0.3000.35。據(jù)國(guó)標(biāo)《鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(GB5599-85) 規(guī)定，為了防止脫軌, .車(chē)輛脫軌系數(shù)應(yīng)該符合條件:
3結(jié)果和分析
計(jì)算模型中選取的參數(shù):軌距為1435 mm，軌底坡為1/40， 車(chē)輪型面為L(zhǎng)M，車(chē)輛為我國(guó)某地地鐵車(chē)輛。通過(guò)仿真模型計(jì)算比較了地鐵動(dòng)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)響應(yīng)受鋼軌打磨型面前后的影響，其中評(píng)定脫軌的重要指標(biāo)為法國(guó).Nadal提出的脫軌系數(shù)，綜合考慮以上因素，本文討論了以60km/h通過(guò)曲線段時(shí)對(duì)車(chē)輛脫軌系數(shù)、輪軌垂向力、輪軌橫向力等影響。曲線參數(shù)為曲線半徑為800 m,前直線為150 m,緩和曲線長(zhǎng)55 m,超高為75 mm，曲線總長(zhǎng)為670m。曲線激擾為實(shí)測(cè)鋼軌曲線波磨鋼軌激擾。
3.1鋼軌型面輸入
本模型采用標(biāo)準(zhǔn)的CN60軌和設(shè)計(jì)的鋼.軌型面，如圖3和圖4所示，模型中采用非對(duì)稱(chēng)打磨方式，對(duì)于曲線外軌使用HS踏面，內(nèi)軌使用CPL踏面。而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)踏面則使用是相同的踏面。
在模型中所使用的鋼軌打磨設(shè)計(jì)型面是基于輪軌接觸結(jié)合特征設(shè)計(jì)得到的。主要考慮到輪軌基礎(chǔ)點(diǎn)和滾動(dòng)圓半徑差等因素。
在模型中采用的線路激擾為國(guó)內(nèi)某條地鐵線路，同時(shí)也是該車(chē)輛參數(shù)所運(yùn)行的線路。
其中在打磨前，即較為嚴(yán)重的條件下的線路激擾如圖5所示。
同時(shí)也測(cè)得打磨后的鋼軌表面的激擾，相對(duì)于打磨前的激擾較平緩,沒(méi)有較大的峰值。詳見(jiàn)圖6所示。
3.2存在激擾條件下的結(jié)果分析
模型中參數(shù)輸入，分別輸入標(biāo)準(zhǔn)CN60鋼軌和設(shè)計(jì)型面在打磨前后的激擾、速度設(shè)50m/h的沒(méi)有激擾的條件下，1~4 位輪對(duì)橫移量對(duì)比。由圖7可以看出，在沒(méi)有激擾的條件下，使用設(shè)計(jì)型面與使用標(biāo)準(zhǔn)CN60鋼軌的橫移量相差2.3 mm，即在相同的速度下使用設(shè)計(jì)的鋼軌型面可以增大滾動(dòng)圓半徑差,當(dāng)車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)，可以提供足夠的向心力，提高車(chē)輛的通過(guò)曲線的自導(dǎo)向能力。減小輪軌相互作用的橫向力,減小由于過(guò)大的輪軌橫向力而引起的軌角接觸疲勞和過(guò)度磨耗。
在存在激擾的條件下，打磨前后最大脫軌系數(shù)比較如圖8所示。在打磨前后，關(guān)于脫軌系數(shù)的比較。從圖中可以看出，在打磨前后，消除了鋼軌波浪性磨損后的脫軌系數(shù)與打磨
前的脫軌系數(shù)基本一致， 只是有部分輪對(duì)小于打磨前的脫軌系數(shù)。筆者認(rèn)為在沒(méi)有較大軌道激擾的條件下，由于本模型在軌道設(shè)置過(guò)中，直線段也同樣采用曲線段設(shè)計(jì)的鋼軌型面，可能會(huì)造成進(jìn)入曲線后出現(xiàn)較大的輪對(duì)沖擊，從而產(chǎn)生較大的脫軌系數(shù)。
圖9給出了分別在打磨后1天、24天、57天、92天和142天后的動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，在實(shí)測(cè)的軌道軌面不平順上，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，在圖中不難看出，在打磨后24天的輪軌垂向力發(fā)生了迅速的增長(zhǎng)，而且過(guò)了這一段時(shí)間后，在57天后，鋼軌的垂向力有較大的降低，并恢復(fù)到剛剛打磨的水平.上，并 且有降低的趨勢(shì)。動(dòng)力學(xué)仿真等到的結(jié)果與后期觀測(cè)等到的結(jié)果顯示一致，這 個(gè)時(shí)期鋼軌波磨反彈速度較快，隨后進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期，并且波磨深度有所下降。
由于該線路鋪設(shè)的鋼軌母體硬度在250~ 270HB之間，具有較軟的材質(zhì)，在鋼軌.打磨清楚表面的波磨后，裸露 出鋼軌母體，同時(shí)由于車(chē)輪的硬度較大，大約在320HB，所以經(jīng)過(guò)- -段時(shí)間的碾壓，鋼軌表面發(fā)生一定的性硬化，同時(shí) 由于采用的軌枕形式不匹配的原因，造成波浪形磨損的產(chǎn)生。
4結(jié)論
通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型面和有設(shè)計(jì)型面在不同的速度等級(jí)、不同時(shí)期下的軌道激勵(lì)條件下的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的比較，可以得到以下結(jié)論:
(1)在曲線段鋼軌打磨中使用非對(duì)稱(chēng)性的設(shè)計(jì)型面，可以有效的改善輪軌接觸狀態(tài)，車(chē)輪鋼軌踏面材料承受載荷，頻次相對(duì)降低，同時(shí)可以延長(zhǎng)車(chē)輪和鋼軌的使用壽命。
(2)在不同的激勵(lì)條件下的曲線上使用非對(duì)稱(chēng)鋼軌型面更加有利于車(chē)輛的曲線通過(guò),可以有效的減小輪軌橫向力和垂向力，在激擾存在的條件下，有效的降低脫軌系數(shù)。
(3)在波磨發(fā)展的不同時(shí)期，鋼軌采用鋼軌打磨可以有效的降低輪軌相互作用力，控
制波磨的快速反彈，延長(zhǎng)鋼軌打磨周期,從而節(jié)省成本。
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