重载铁路小半径曲线钢轨磨耗规律及减磨措施

王 志 军

(朔黄铁路发展有限责任公司肃宁分公司，河北 肃宁 062350)



重载铁路小半径曲线钢轨磨耗规律及减磨措施

王 志 军

(朔黄铁路发展有限责任公司肃宁分公司，河北 肃宁 062350)

采用多体动力学仿真软件，分析了不同轴重货车在不同半径下对各动力学指标的影响差异，重点研究了在几种小半径曲线条件下，超高对钢轨磨耗的影响规律及相应的减磨措施，结果表明：轴重大的货车对铁路曲线线路会产生更大的钢轨磨耗，并且对曲线线路参数设置的要求更高。

重载铁路，钢轨磨耗，曲线线路，动力学仿真，轴重

随着全球经济的迅速发展，各国地区间贸易活动的日益增加，货物运输能力的提升已经变得尤为重要。相比其他运输方式，重载铁路运输以运量大、成本低的特点在世界各地迅速发展起来。我国从25 t轴重的货车在大秦线投入运营以来，一直对重载铁路运输相关设备不断研究，在2013年8月16日，中国北车齐齐哈尔轨道交通装备公司向澳大利亚公司交付了当今世界上轴重最大、载重最高的铁路货车(40 t轴重不锈钢矿石车)。遗憾的是，虽然世界最大轴重的铁路货车已由国内研制生产，但受中国既有重载铁路线路的制约，40 t轴重货车无法投入使用。朔黄铁路已经进行了30 t轴重的C96型货车试验研究。在大力发展重载铁路的同时，随着列车轴重的增大、车辆编组的加长和行车速度的提升，车轮和钢轨破坏的现象时常发生，然而绝大多数的轮轨磨耗都发生在线路的曲线段。因此在满足大轴重货车通过曲线平稳性和安全性的要求同时，有效的控制钢轨磨耗也必然是曲线参数设置的一个重要把握因素。

钢轨磨耗分为垂直磨耗、侧面磨耗和波浪型磨耗，垂直磨耗在直线段和曲线段上都普遍存在，侧磨和波磨多发生在曲线段线路上[1]。由于曲线段上的磨耗较为突出，所以国内众多学者大多在磨耗较严重的曲线段线路上，采用相关方法，从侧磨方面出发，研究了相应减磨措施。例如通过对某段线路波磨情况的调查，总结了相关波磨规律，并提出减少钢轨接头、增强轨道弹性、减少轨道不平顺、打磨和交换钢轨均可有效降低磨耗[2]；通过对现场磨耗地段的实际测量，分析了运量和曲线半径等因素与钢轨磨耗的关系，阐述了钢轨涂油、提高轨道圆顺性和调整大修换轨周期等减磨措施[3]；通过对钢轨侧面磨耗成因的分析，从机车车辆、线路几何参数和轮轨润滑等方面提出了减磨措施[4]；结合钢轨波磨成因理论，从线路结构、走行结构和运营等方面，提出提高钢轨材质强度、增大轮对轴刚度、增大一系悬挂阻尼和控制涂油润滑等减磨方法[5]；通过分析重车线钢轨磨耗的原因，提出正确测设曲线位置和增设防止磨耗护轮轨等方法控制曲线钢轨的不正常磨耗[6]；通过磨损机理和曲线段试验数据相结合，分析钢轨侧磨原因，提出养护维修保证良好轨道状态和合理设置轨道参数等减磨方法[7]；通过对重载铁路线路钢轨磨耗的实际情况，结合钢轨磨耗成因提出钢轨和车轮的材料优化、合理周期打磨钢轨和车轮保持共形型面、转向架结构优化以及加强线路地面观测等控制磨耗的方法[8]；将现状调查和抗磨损试验相结合，通过对试验段的结果分析，提出合理喷脂减磨方法[9]；运用SIMPACK等仿真软件，对车辆速度、曲线半径、超高、轨底坡以及钢轨摩擦系数等影响因素进行仿真计算和分析，提出通过优化相应参数从而降低磨耗的方法[10，11]。本文从减缓重载铁路曲线线路钢轨磨耗的角度出发，首先将25 t轴重货车和30 t轴重货车在不同的曲线半径条件下进行仿真对比，分析不同轴重货车对脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力以及磨耗功率等动力学指标的影响差异。近几年随着仿真分析方法的不断发展和普及，大多学者[10,11]多从线路设计和养护维修的角度出发，主要研究了曲线段的线路参数和轨道参数对钢轨磨耗的影响，并总结出了相应的减磨措施。因此本文将30 t轴重货车模型在500 m，600 m，700 m和800 m这几种小半径曲线进行仿真对比分析，较全面地总结出相应半径下降低曲线钢轨磨耗的具体参数设置方法。

1 重载铁路车辆——轨道动力学仿真模型

本文采用多体动力学仿真分析软件建立25 t轴重货车车辆和30 t轴重货车车辆模型，其模型结构图如图1所示，具体参数参考相关文献。本文车辆车轮踏面选用中国标准LM磨耗型，钢轨型面选取重载铁路的75 kg/m标准断面轨。

2 轮轨磨耗评定方法

为研究各种参数设置对曲线上钢轨磨耗程度的影响，就需要有一种合理的轮轨磨耗评定方法。在对线路进行仿真时，统一的速度条件下，均使用磨耗功率作为轮轨磨耗评定指标。轮轨横向力是车轮轮缘与钢轨相互作用而产生的横向力，当列车通过曲线产生过大的轮轨横向力会对钢轨侧面造成严重的磨耗，可能使车轮爬越钢轨造成脱轨事故。在评价钢轨磨耗之前，脱轨系数和轮重减载率指标均不能超过规定限值(脱轨系数小于1，轮重减载率小于0.6)。因此把以上指标作为评价磨耗的辅助指标，即在满足行车安全性的条件下研究各种参数设置对曲线磨耗的影响。

3 不同轴重货车下曲线半径对钢轨磨耗的影响分析

在相同的速度v取70 km/h，均衡超高下，线路设计参数见表1。

在表1的参数条件下进行仿真，将仿真得到的各指标数据绘制出其对应的变化规律曲线，如图2所示。

从仿真得到的图表可以发现，25 t轴重车辆和30 t轴重车辆的各项动力学指标均呈下降趋势。当半径从400 m增至800 m时，25 t轴重车辆和30 t轴重车辆的脱轨系数分别降低了41%和37%；25 t轴重车辆和30 t轴重车辆的轮重减载率分别降低了43%和47%；25 t轴重车辆和30 t轴重车辆的轮轨横向力分别降低了42%和37%；25 t轴重车辆和30 t轴重车辆的磨耗功率分别降低了70%和69%。25 t轴重车辆的大部分指标的下降幅度大于30 t轴重车辆当半径增至800 m之后，各项指标仍在下降，但较800 m之前的下降幅度较小。

表1 不同曲线半径对应的线路参数

通过上述分析可知，25 t轴重车辆和30 t轴重车辆通过曲线时，随着半径的减小，对钢轨的磨耗越来越大，行车安全性也相应降低，尤其是当半径小于800 m时，对钢轨的磨耗影响较为显著。同时发现，在同等半径下，30 t轴重车辆的磨耗功率均大于25 t轴重车辆的磨耗功率，这说明轴重大的车辆对铁路曲线会产生更大的钢轨磨耗；半径在400 m～800 m范围内变化时，30 t轴重车辆比25 t轴重车辆各动力学指标的下降幅度要小，这说明轴重大的车辆在磨耗方面对曲线半径的敏感程度更强，即在大轴重车辆线路的设计阶段应该考虑设置更大的最小曲线半径。

4 重载铁路曲线超高对钢轨磨耗的影响分析

针对30 t轴重货车，在相同的速度v取70 km/h下，圆曲线长度s取350 m，曲线前直线段长度p取50 m，缓和曲线长度l取80 m，半径R分别取500 m，600 m，700 m，800 m，分别在不同的超高下进行仿真，把仿真得到的各指标数据绘制出其对应的变化规律曲线，如图3～图6所示。

从图3和图5可以发现，在不同半径下，脱轨系数和轮轨横向力随超高的增加都呈现较为明显的减小趋势；图4表明在不同半径下，轮重减载率随超高的增加都有增大的趋势，尤其是超高设置值大于均衡超高时，增加幅度较为明显；从图6可以发现，磨耗功率随超高的变大有一定的增加趋势。

通过以上分析知道设置一定的欠超高可以减缓曲线钢轨磨耗，但欠超高的设置值不能过大，否则脱轨系数和轮轨横向力会急剧上升影响行车安全。因此当车体通过曲线时，设置一定的欠超高可降低钢轨磨耗，所以针对不同线路欠超高大小数值的把握也是在各个参数设置中极其重要的一点。

从图6也可以发现，设置一定过超高也能减少曲线上的钢轨磨耗，但相比而言，欠超高的效果更加明显，因为过大的过超高反而会增大曲线磨耗，并且轮重减载率急剧上升，降低车体通过曲线的性能。

5 结语

1)在多种重载铁路曲线线路参数条件一致的情况下，30 t轴重货车车辆所产生的磨耗功率均大于25 t轴重货车车辆，因此说明轴重大的货车车辆对铁路曲线会产生更大的钢轨磨耗。

2)半径在400 m～800 m范围内变化时，30 t轴重车辆比25 t轴重车辆各动力学指标的下降幅度要小，这说明轴重大的车辆在磨耗方面对曲线半径的敏感程度更强，即在铁路线路设计阶段，轴重大的车辆对曲线线路参数设置的要求更高。

3)当25 t轴重和30 t轴重货车车辆通过不同半径的曲线时，半径越小，对曲线钢轨造成的磨耗越大，行车安全性也相应降低，尤其当半径小于800 m时，对钢轨的磨耗影响较为显著。

4)曲线上设置一定的欠超高有利于提升行车平稳性和减缓曲线钢轨磨耗，但是过大的欠超高会使轮轨横向力急剧增加，带来相反的作用；曲线上设置一定的过超高也会减缓曲线钢轨磨耗，但效果不如欠超高明显。

[1] 练松良,李向国.轨道工程[M].北京:人民交通出版社,2009.

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Small radius curve rail abrasion law and abrasion reducing measures of heavy-load railway

Wang Zhijun

(SuningBranchCompany,Shuo-HuangRailwayDevelopmentCo.,Ltd,Suning062350,China)

Applying multi-body dynamics simulation software, the paper analyzes the influential difference of different axle load under different radius upon dynamics indicators, and mainly studies the influential law of super-height upon rail abrasion and corresponding abrasion reducing measures under several small radius curve conditions. Results show that: the carriage with heavier axle load not only leads to worse rail abrasion of railway curve route, but also has higher demand for curve route parameter setting.

heavy-load railway, rail abrasion, curve route, dynamics simulation, axle load

1009-6825(2016)05-0162-03

2015-12-07

王志军(1979- )，男，助理工程师

U213.4

A