基于轨道质量指数的钢轨打磨型面研究

周 骏，刘林芽，毛顺茂

(1.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西南昌 330013;2.南昌轨道交通有限公司，江西南昌 330038)

钢轨打磨技术是在外力作用下通过磨削清除表面金属的工艺。目前钢轨打磨技术已成为世界范围内重载、高速铁路的一种普遍应用的线路养护维修技术。钢轨打磨的目的在于消除钢轨的波形磨耗和控制钢轨的接触疲劳，防止钢轨因接触疲劳而产生片状剥落、开裂等病害。钢轨打磨可分为校正性打磨、保养性打磨和预防性打磨。与前两种打磨方法相比，预防性打磨能够大幅度地提高钢轨寿命和改善轮轨动力相互作用。随着打磨设备和技术的不断改进，以及优质钢材和先进润滑技术的应用，通过打磨已经基本上能够消除钢轨的波形磨耗，有效地控制剥落现象，大幅度提高钢轨寿命及列车运行的稳定性［1-3］。

1 钢轨廓形研究

引起铁路轨道系统晃车的原因很多，也相当复杂。当车辆通过时会引起车辆—轨道的耦合振动，轮轨系统激励是由车辆和轨道相互作用造成的。除了车辆蛇行运动、车轮擦伤、车轮踏面几何不圆顺及车轮偏心等因素外，轨道的不平顺也是车轨桥振动的重要激励源。而水平加速度超限是引起晃车的主要表现形式，故以水平加速度为分析对象来寻求理想的钢轨廓形，为高速铁路的养护维修提供依据［4］。利用轨检车数据分析各月份各里程车辆水平加速度的幅值，并与现行规范比较，得到其对应的各种钢轨廓形。满足规范标准且水平加速度最小的廓形为目标廓形，超出规范标准的廓形则需要进行打磨处理。对得到的目标廓形处的TQI和垂向加速度进行分析，若目标廓形处的TQI和垂向加速度均满足规范要求则可认定该钢轨廓形满足最佳廓形的要求。

1.1 曲线段加速度分析

对武广线2010年1月—2011年6月的轨检车数据进行分析，利用MATLAB软件编程读取原始的轨检车数据，得到相应月份各里程的车辆水平加速度，来确定各月份各里程对应的车辆状态。分析结果表明:DK1231区段各月份对应的水平加速度幅值最小，其水平加速度、垂直加速度幅值如图1所示。从图1可以明显看出，车辆的水平加速度均小于规范规定的0.06g，车辆的垂向加速度值均小于规范要求的0.1g，故该区段的钢轨廓形即为理想的廓形。其他里程对应的廓形为水平加速度一级超限廓形。仅有部分里程的个别月份超限等级为二级(0.09g)，不足以说明这极个别里程对应的廓形为二级超限廓形。其中里程DK1232处水平加速度一级超限次数比其他地方多，说明此处的钢轨廓形不是理想廓形。

1.2 目标廓形处的TQI分析

TQI是反映轨道质量状态的统计特征值，用来评价区段轨道质量状态，是衡量轨道区段平均质量的综合指标［5］。

目前，我国主要采用局部超限扣分法和TQI数据来对轨道质量状态进行评价。局部超限扣分法不能够掌握线路质量的整体均衡情况，一般情况下只对临时补修有指导作用。利用TQI数据可对轨道质量状态进行整体评价，能综合评价线路整体质量，合理编制区段线路的综合维修计划，指导整修和大机作业，提高轨道状态维修的科学性、经济性、合理性［6-7］。

目标廓形区段(DK1231)的TQI数据如图2所示。TQI值表示的是对平均值的离散程度，因此其数值越小表示平顺程度越好，反之不平顺程度越大［7］。从TQI的平均值可以看出该目标廓形处测量的轨道质量指数均满足规范要求(表1)。

图2 武广下行DK1231区段各月份对应的TQI

表1 350 km/h线路轨道质量指数管理值

1.3 确定曲线地段钢轨打磨廓形

根据上述的水平加速度分析可知在DK1231区段1 km内的水平加速度值最小，廓形为目标廓形，且目标廓形同时满足TQI值和垂向加速度规范要求，所以此廓形可以确定为最佳廓形。由于磨耗的不同，所以得到的廓形图是一个集合而不是唯一的断面，见图3。

图3 下行线DK1231区段1 km内的钢轨最优廓形(右轨)

从图3可以看出此廓形集合包含5个钢轨廓形，由此可以确定最佳钢轨型面的上下限，只要钢轨廓形处在上下限内就是理想的钢轨廓形，其水平加速度不会超限，并且可以得到廓形集合的平均廓形，如图4所示。

图4 平均磨耗廓形示意

因为获得的廓形是一个集合而不是唯一的断面，所以本文选取廓形集合的平均廓形输入到应用多体动力学软件SIMPACK建立的车辆轨道动力学模型中，仿真计算了标准CN60钢轨廓形和平均磨耗廓形对车辆系统的动力学响应［8］。

2 车辆轨道动力学模型

2.1 车辆模型

选取CRH2-300型高速动车组为研究对象，利用SIMPACK多体动力学软件建立高速车辆动力学模型。对于CRH2-300动力学模型而言，列车模型为车体—构架—轮对组合结构，通过轴箱与构架联结。模型中，转向架由轴箱悬挂和中央悬挂两部分组成。轴箱悬挂包括垂向、横向和纵向三个方向的刚度以及垂向阻尼，并且考虑每轴箱两组弹簧纵向和垂向距离差异;中央悬挂为空气弹簧，其悬挂参数主要包括垂向、横向和纵向三个方向的刚度和阻尼。另外，模型还包含有抗蛇行阻尼器、横向止挡和抗侧滚扭杆。

2.2 轨道激扰

SIMPACK软件主要提供两种轨道激励(Track Excitations)，及相对于Track和相对于rail两种不平顺。此外SIMPACK还提供了好几种预先定义好的轨道功率谱密度(PSD)。功率谱密度主要包括ORE176，也就是德国高干扰谱(DB high)和低干扰谱(DB low)。鉴于德国低干扰轨道谱适用于高速铁路车辆的动力学计算，本文的轨道随机激扰采用德国低干扰轨道谱。通过频谱转换，建立轨道随机激扰在时域内的不平顺形式，并加入到 SIMPACK模型的轨道设置中［8］。

3 数值计算和结果分析

采用的车辆模型参数主要参考我国高速列车中的CRH2型车，模型计算中采用的车辆轴重为10.5 t，车轮踏面为LMa，轮对背侧距为1 353 mm，车轮半径为430 mm，轨距为1 435 mm。曲线半径为3 000 m，前直线长为200 m，缓和曲线长300 m，轨道超高为75 mm，曲线长为3 000 m，曲线总长为4 000 m。以列车前转向架的第一轮对为研究对象进行动力学仿真分析。

以CN60型面和磨耗型面为钢轨型面，在180，200，220和240 km/h的速度下，计算得到列车通过半径为3 000 m的曲线时每个车轮的脱轨系数、轮轨横向力、轮重减载率、磨耗指数、轮轨垂向力和最大赫兹应力幅值随速度的变化，见表2。其中脱轨系数、轮轨横向力随速度的变化曲线如图5所示。

表2 车辆曲线通过动力学指标平均值

图5 仿真计算的脱轨系数、轮轨横向力随速度的变化曲线

从表2及图5可以看出，2种型面产生的6项指标均在安全限值范围之内，而且都随速度的增大而增大。在脱轨系数方面，磨耗型面优于CN60型面;轮轨横向力方面，CN60型面较大;轮重减载率方面，磨耗型面性能较好;磨耗指数方面，由于是大半径曲线，磨耗指数均偏小，对列车通过性能影响不大;轮轨垂向力方面，两种型面产生的垂向力在速度增大时变化较小，且相互之间差别不大;最大接触应力方面，CN60型面形成的最大接触应力明显较磨耗型面大。综上分析可以得出磨耗型面的曲线通过能力优于CN60型面。

4 结论

本文探讨如何利用轨道质量指数获得较优的钢轨打磨型面，并以武广高铁的轨道检测数据为例进行了分析。主要结论如下:

1)轨道质量指数能准确地反映出轨道质量状态，能够作为对轨道不平顺状态进行宏观管理和质量控制的依据，能够用于指导线路打磨维修作业。线路打磨有助于使轮轨磨耗程度趋于平稳，有效降低轮轨磨耗、减少车辆晃车现象。

2)根据轨道质量指数从实测的磨耗型面轨头外形中选择钢轨打磨廓形，只需进行轻度钢轨打磨即可，大大减少了钢轨打磨的金属打磨量，从而可以高效率、高质量、低成本地消除线路病害。

3)利用SIMPACK软件进行车辆动力学仿真计算，分析不同钢轨廓形下车辆曲线通过性能，结果表明获得的钢轨打磨廓形可以有效提高车辆运行的安全性和稳定性，从而提高了车辆的曲线通过能力。

4)曲线段列车受力状态复杂，是各种线路病害的多发路段，考虑钢轨磨耗及列车通过性能来选择和管理轮轨外形是很有必要的。应使用具有代表性的轮轨外形。

［1］雷晓燕.钢轨打磨原理及其应用［J］.铁道工程学报，2000(1):28-33.

［2］牛道安，李志强.提速线路钢轨打磨作业的探讨［J］.铁道建筑，2006(8):91-94.

［3］崔大宾，李立，金学松，等.铁路钢轨打磨目标型面研究［J］.工程力学，2011，28(4):178-184.

［4］李明华.九江长江大桥提速后非结构性晃车原因分析［J］.铁道科学与工程学报，2010，7(6):100-104.

［5］王俊文.轨道质量指数(TQI)在线路天窗维修中的应用［J］.铁道建筑，2009(11):86-89.

［6］陈勋.沪宁城际高速铁路轨道质量指数分布规律研究［J］.铁道设计标准，2013(7):1-5.

［7］杨凤春.发挥轨道质量指数TQI指导预防性计划维修中的作用［J］.铁道建筑，1997(4):12-15.

［8］缪炳荣，方向华，傅秀通.SIMPACK动力学分析基础教程［M］.成都:西南交通大学出版社，2008.