钢轨轨底坡对重载铁路轮轨关系影响的研究

司道林，王继军，孟 宏

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.南车二七车辆有限公司 产品开发部，北京 100072)

0 引言

由于车轮踏面与钢轨顶面主要接触区域具有一定锥度，为使钢轨轴心受力，减小附加横向弯矩，钢轨应有一个向内的倾斜度，此即形成轨底坡。钢轨轨底坡的合理设置，可使轮轨接触集中于轨顶中部，提高钢轨的横向稳定能力，减轻轨头不均匀磨耗，同时也有利于减小轨头塑性变形，延长使用寿命。

世界各国钢轨轨底坡的取值不尽相同，欧洲大部分国家、澳大利亚、东南亚、香港等国家和地区按 UIC标准采用1/20的轨底坡，这是因为他们的车轮大多采用了1/20的锥型踏面或接近1/20的磨耗型踏面，日本、美国等国采用了1/40轨底坡，也有个别国家(瑞典)采用1/30轨底坡［1］，我国铁路自1965年起，直线地段的轨底坡标准统一由原来的1/20改为1/40，据文献［1-2］介绍，主要是由于①当时的轨道结构标准较低，采用钩头道钉扣压钢轨，经过一段时期的运营后，钢轨动态翻转较普遍，使钢轨内扣道钉浮起，实际轨底坡变小，接近1/40;②车轮踏面经过一定时间的磨耗后，原1/20踏面锥度接近1/40。分析其形成原因，文献［1-2］作者均建议将轨底坡改回1/20;文献［3-4］建议采用1/20轨底坡。曲线地段轨底坡的设置应与超高对应，不仅能改善车辆的曲线通过性能［5-7］，而且对减缓曲线区段外轨的侧磨起到积极作用［8-9］。由此可见，轨底坡的取值不仅取决于轮轨型面，而且与线路条件密切相关，通过对实际运营效果的分析，得出合理轨底坡取值。

随着我国重载铁路的不断发展，某些运煤干线采用了75 kg/m重型钢轨，而且曲线地段钢轨出现严重侧磨，鉴于以上轨底坡调整对车辆运行状况的改善，本文将着重分析75 kg/m钢轨与LM踏面车轮匹配时，轨底坡的取值对轮轨接触参数以及车辆曲线通过性能的影响。

1 重载货车模型

本文采用多体动力学分析软件SIMPACK，建立了我国重载货车动力学模型，模型中合理考虑了楔块的运动自由度，楔块摩擦副产生的摩擦力取决于法向正压力(如图1(a)所示)，充分反应楔块主、副摩擦面的摩擦减振功能，以及抗菱形变形中所起的作用。三大件式货车转向架轴箱采用导框或橡胶垫定位，摇枕和侧架之间采用螺旋簧连接(如图1(b)所示)，从而减小二系横向刚度，车体与摇枕之间采用弹性双作用常接触旁承，提高车辆的回转摩擦力矩和车体的抗侧滚能力，每节货车均由车体和两台结构性能参数相同的二轴转向架组成(表1中给出了各刚体的自由度)。所建立模型已通过了试验验证［10］。

图1 动力学模型

表1 模型自由度的选取

2 75 kg/m钢轨断面属性

钢轨是铁路轨道的重要组成部件，承受车轮载荷并引导列车的车轮运行。钢轨头部是直接接触车轮的部分，应具有抵抗压溃和耐磨的能力，故轨头应大而厚，其外形应与车轮踏面相适应。随着重载铁路的不断发展，我国运煤干线铺设了75 kg/m重型钢轨，与60 kg/m轨相比，机械性能均有所提高(技术参数如表2所列［10］)。轨顶圆弧半径由300 mm增为500 mm(详细尺寸见文献［11］)，有利于增大接触面积，提高轨顶的承载能力，与此同时，钢轨顶面锥度亦有所减小。

3 静态接触参数分析

钢轨轨底坡的改变将直接影响轮轨接触点的分布，继而改变接触角差、轮径差，并影响到轮对重力刚度［7］。图2给出了1/40、1/20两种轨底坡情况下，轮对横移幅值为10 mm范围内轮轨接触点分布情况，从中可以看出，1/40轨底坡下轮轨接触点集中分布在钢轨中轴线以内，1/20轨底坡下的接触点分布在钢轨中轴线两侧，且更为均匀。

表2 钢轨技术参数

图2 接触点分布

图3描述了两种轨底坡条件下轮径差和接触角差，从中可以看出，对轮径差而言，轮对横移量在0～4 mm内，1/20轨底坡对应的轮径差和接触角差大于1/40轨底坡，轮径差尤为显著，再由式(1)［12］中轮对重力刚度的表达式可知，由于轨底坡的增大，同一轮对横移量下轮对重力刚度得以提高，不仅改善了轮对恢复对中能力，还能在一定程度上平衡曲线通过时的离心力，对减缓曲线上钢轨磨耗起到积极作用［7］。在轮对横移量接近10 mm时，曲线发生突变，出现轮缘接触;不难发现，1/40轨底坡时的轮轨接触较1/20轨底坡更易发生轮缘接触。

图3 接触几何参数

式中，Kgy为轮对重力刚度，W为轮重，y为轮对横移量，δR、δL分别为右轮、左轮轮轨接触角，φ为轮对侧滚角。

4 动态响应分析

轨底坡的取值影响到轮轨接触点的位置，改变轮轨接触参数，使得轮轨动态接触行为发生变化，车辆的动力学响应随之发生改变。文献［8-9］中作者从试验的角度阐述了轨底坡对车辆曲线性能的影响，本文采用动态仿真的方法，以C70货车时速55 km通过600 m曲线半径(超高为60 mm)为例(车辆以匀速通过曲线)，对两种轨底坡工况下的轮对横移量、冲角、轮轨力等动力学指标进行对比分析，以此对重载铁路钢轨轨底坡取值对车辆曲线通过性能的影响进行评价。为着重反映轨底坡的影响，未设置轨道不平顺。

图4给出了车辆通过曲线时导向轮的动力响应。从图4(a)可以看出，当轨底坡由1/40改为1/20后，圆曲线上轮对横移量由7.3 mm变为6.5 mm，据文献［7］的结论，轮对横移量的减小由轮对重力刚度增大所致，轮对冲角、轮轨横向力的减小亦和轮对重力刚度的增大有关，并均有所减小，提高了轮对蠕滑导向的能力;可见，轨底坡的增大对减小曲线钢轨的磨耗起到积极作用。与此同时，轮轨接触斑面积有所增大(如图4(d)所示)，降低了接触应力，减少了轮轨接触疲劳损伤。

图4 车辆动态响应

5 结语

针对我国重载铁路的具体特点，对钢轨轨底坡的取值进行探讨。采用多体动力学软件SIMPACK建立货车模型，分析了75 kg/m—LM踏面接触副的静态接触几何关系以及动态曲线通过性能，得出结论如下:

1)当75 kg/m与LM踏面匹配时，1/40轨底坡下轮轨接触点集中分布在钢轨中轴线以内，较1/20轨底坡更易发生轮缘接触，1/20轨底坡下的接触点分布在钢轨中轴线两侧，且更为均匀。

2)轮对横移量在 ＜4 mm时，1/20轨底坡对应的轮径差和接触角差＞1/40轨底坡，轮径差尤为显著，增大了轮对重力刚度，提高了轮对的对中能力。

3)采用1/20轨底坡可获得良好的曲线通过性能，有利于减缓曲线钢轨磨耗;并增大了轮轨接触斑面积，提高了轮轨的承载能力，并有益于延长轮轨使用寿命。

综合以上分析，建议我国重载铁路采用1/20轨底坡，在改善轮轨接触条件基础上，不仅获得良好的车辆动力学性能，并可取得一定的经济效益。

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