重载铁路圆曲线参数对钢轨磨耗的影响分析

高 盟

(海峡(福建)交通工程设计有限公司,福建 福州 350000)



重载铁路圆曲线参数对钢轨磨耗的影响分析

高 盟

(海峡(福建)交通工程设计有限公司,福建 福州 350000)

基于多体动力学软件UM，建立了车辆—轨道耦合动力学模型，分析了圆曲线参数对钢轨磨耗的影响，同时对不同行车速度下的钢轨磨耗进行了仿真分析，为今后铁路选线设计提供参考。

重载铁路，圆曲线参数，钢轨磨耗，动力学模型

随着列车运行速度和轴重的不断提高，重载线路轮轨磨耗问题逐渐加重。磨耗过大的车轮或钢轨如不及时维修或更换，会造成列车脱轨等重大事故。通过利用多体动力学软件对轮轨磨耗进行仿真计算可以获得轮轨磨耗规律，进而可以进行磨耗预测以指导工务部门对钢轨进行有针对性的养护维修。本文研究了圆曲线参数及行车速度对钢轨磨耗的影响，一些规律在选线时可提供参考。

1 UM车辆—轨道耦合动力学模型

本文基于多体动力学软件UM建立车辆—轨道耦合动力学模型。本节以C70为车辆原型,车辆模型如图1所示。整车模型的部分参数见表1。

表1 30 t车辆模型参数

参数数值车体的质量(含载重)/t109.8车体的侧滚转动惯量/kg·m21.428×105车体的点头转动惯量/kg·m21.726×106车体的摇头转动惯量/kg·m21.746×106侧架的质量/kg497侧架的侧滚转动惯量/kg·m2190侧架的点头转动惯量/kg·m2176侧架的摇头转动惯量/kg·m2176轮对的质量/kg1277轮对的侧滚转动惯量/kg·m2740轮对的点头转动惯量/kg·m2130轮对的摇头转动惯量/kg·m2740摇枕的质量/kg745摇枕的侧滚转动惯量/kg·m2244摇枕的点头转动惯量/kg·m220摇枕的摇头转动惯量/kg·m2244车轮的滚动半径/m0.46轴距/m1.83车辆定距/m8.7轮轨横向跨径/m1.493车体中心高度/m0.88转向架一侧弹簧横向刚度/N·m-14.41×106转向架一侧弹簧垂向刚度/N·m-15.32×106

UM Loco中的轨道被简化成无质量的粘弹性的力元模型，具有横向和垂向的阻尼和刚度以及绕轴的扭转刚度。阻尼和刚度参数可以由曲线的编辑器设置[1]。轨道模型建模中采用75 kg/m标准断面新轨，轨道模型动力学简图如图2所示[2]。

轨道不平顺方面，实际线路不平顺非固定不变的，线路的不平顺在众多因素影响下具有较强的随机性。到目前为止，能够完善反映我国重载铁路轨道随机不平顺的轨道谱还未建立。研究表明，目前国内主要干线中运行重载列车的轨道谱介于美国四级和五级轨道谱之间，且近于美国五级轨道谱[3,4]。基于此，本节采用美国五级轨道谱来进行动力学仿真计算分析。五级谱如图3所示。

2 UM中轮轨磨耗评定方法

钢轨磨耗程度需要有一种合理的轮轨磨耗评定方法进行评定。针对钢轨磨耗评定问题国内外还未有统一的评定标准，轮轨磨耗与轮轨间的横向力、横向的蠕滑力以及轮对冲角等参数因素关系密切。从不同的研究方面出发，国内外主要有以下几种轮轨磨耗评定指标[5,6]：Heumann磨耗指数W1，加拿大磨耗因子W2，踏面磨耗指标W3，Elkins磨耗指数W4，磨耗功率W5。

UM软件对计算后期的数据提取计算，并对各轮对的磨耗功率进行汇总计算，所以本文在同一速度的条件下对线路进行仿真分析，选取磨耗功率作为此次UM的轮轨磨耗的评定指标。

3 不同圆曲线半径下仿真结果

车辆速度取为80 km/h，超高取均衡超高，缓和曲线长度为60 m，圆曲线长度为400 m，曲线前直线长度为10 m，不同曲线半径下线路参数见表2。

按照表2设置线路参数，将仿真获得的各指标数据绘制成折线图，如图4所示。

表2 不同曲线半径下线路参数

由图4可知，随着圆曲线半径的增大，轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率及钢轨磨耗功率均呈现下降的趋势。半径从400 m增大到800 m，轮轨横向力降低了9.4%，轮重减载率降低了47.4%，半径增大到800 m之后两指标均有下降的趋势，但下降速度降低了。圆曲线半径由400 m增大到600 m，钢轨平均磨耗功率下降了17.4%，600 m之后，钢轨平均磨耗功率下降速度逐渐降低。

4 不同圆曲线长度下仿真结果

车辆速度取为80 km/h，圆曲线半径取为800 m，超高取为70 mm，缓和曲线长度为60 m，曲线前直线长度为10 m，圆曲线长度分别取为100 m,200 m,300 m,400 m,500 m和600 m，不同曲线长度下各指标数据见表3，并将钢轨的平均磨耗功率绘制成折线图如图5所示。

表3 不同曲线长度下各指标结果

由表3可知，曲线长度的变化不会引起轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数的改变，图5则显示出钢轨磨耗功率在不同曲线长度工况下是随机变化的，并且变化幅度很小。

5 不同行车速度下仿真结果

圆曲线半径取800 m，圆曲线长度取400 m，超高取70 mm，缓长取60 m，曲线前直线长度为10 m，行车速度分别取为50 km/h,60 km/h,70 km/h,80 km/h,90 km/h,100 km/h，不同行车速度下各指标数据见表4，并将钢轨的平均磨耗功率绘制成折线图如图6所示。

表4 不同行车速度下各指标结果

由表4和图6可知，随着行车速度的增大，轮轨横向力、轮重减载率、钢轨磨耗功率有增大的趋势，钢轨磨耗功率在速度90 km/h之后上升幅度降低；脱轨系数整体上呈增大趋势，但在100 km/h时发生了下降突变。

6 结语

利用多体动力学仿真软件UM建立了车辆—轨道耦合动力学模型，以磨耗功率为评价指标对钢轨磨耗进行评定，分析了重载铁路曲线半径、长度以及曲线上行车速度对钢轨磨耗的影响，获得以下结论：

1)随着圆曲线半径的增大，轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率及钢轨磨耗功率均呈现下降的趋势，因此在工程条件允许的前提下应尽量增大曲线半径。若受到工程条件的制约较大，考虑到600 m之后钢轨平均磨耗功率下降速度逐渐降低这一结论，因此在设计速度为80 km/h的前提下，建议将600 m的曲线半径作为曲线半径下限的临界点。

2)随着圆曲线长度的增大，轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数几乎没有变化，钢轨磨耗功率变化幅度不大且无确切规律。因此，圆曲线长度这一参数对曲线上钢轨磨耗影响较小，选线设计时，在满足规范要求的前提下，可不考虑圆曲线长度的影响。

3)随着行车速度的增大，轮轨横向力、轮重减载率、钢轨磨耗功率有增大的趋势，钢轨磨耗功率在速度90 km/h之后上升幅度降低。

[1] 李向国.高速铁路线路参数分析及其行车动力特性研究[D].成都：西南交通大学,2011.

[2] 李浩宇.重载铁路线路参数分析及其行车动力特性研究[D].石家庄：石家庄铁道大学,2014.

[3] 林凤涛.高速列车车轮磨耗及型面优化研究[D].北京：中国铁道科学研究院,2014.

[4] 廖进星.CRTSⅠ型双块式无砟轨道路基的力学特性分析[J].高速铁路技术，2013(2):9-14.

[5] 杜 伟.重载铁路曲线段轮轨磨耗影响因素分析[D].成都：西南交通大学,2012.

[6] 陈 希.重载铁路曲线参数对钢轨磨耗的影响分析[D].石家庄：石家庄铁道大学,2015.

The influence analysis on the heavy rail curve parameters to rail wear

Gao Meng

(Strait(Fujian)TrafficEngineeringDesignLimitedCompany,Fuzhou350000,China)

Based on the multi-body dynamics software UM, this paper established the vehicle-track coupling dynamics model, analyzed the influence of circular curve parameters to rail wear, and made simulation analysis on the rail wear under different running speed, provided reference for future railway lines selection design.

heavy rail, round curve parameter, rail wear, dynamics model

1009-6825(2017)17-0135-03

2017-03-13

高 盟(1989- )，男，硕士，助理工程师

U213.2

A