（光学工程专业论文）重载铁路曲线轨道结构参数及钢轨型面对曲线通过性能影响的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 发展重载铁路运输是铁路扩能增效的一种有效途径，但随着列车轴重 的增加，轮轨动力作用加剧，轨道结构破坏严重，轮轨磨耗异常显著，导 致车轮镟修周期缩短和钢轨的使用寿命降低。 为了减轻重载铁路轮轨磨耗，延长钢轨使用寿命，本文深入研究轨道 结构参数( 主要包括轨底坡及曲线超高) 及钢轨型面对重载铁路轮轨动态 相互作用性能及磨耗的影响，探明规律，提出减缓轮轨相互作用及磨耗的 技术措施，并结合工程实际，进行现场试验与观测。 首先，运用s m p a c k 软件，建立重载货车模型。模型中考虑了楔块移 动自由度，楔块摩擦力的大小取决于法向正压力，充分反应了楔块主、副 摩擦面的摩擦减振作用。采用实测轮轨型面进行动力学计算，并与试验指 标对比分析，对模型进行验证。根据磨耗程度和病害类型对实测轮轨型面 进行分类，分析轮轨型面磨耗的演变规律，从中发现，改善轮轨接触参数 的研究重点在钢轨型面。 然后，分析了轨道结构参数对车辆曲线通过性能的影响规律，分析发 现，曲线欠超高的设置有利于提高拖轮的导向能力，减小导向轮的导向压 力。轨底坡的调整可明显改善轮轨接触几何，增大轮径差和接触角，改善 车辆的曲线通过性能。 接下来，研究了钢轨型面对轮轨接触参数的影响，并在理论分析的基 础上，对7 5 k g m 钢轨型面进行修整，通过对其动力学性能对比分析，最终 得出切合实际的目标打磨型面。 最后，根据所提出技术措施，设置曲线试验段，通过对试验段的长期 观测研究发现，所采取的措施是有效的。 关键词：重载铁路；轮轨相互作用；侧磨；型面匹配；打磨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t i ti sa ne f f e c t i v ew a yo fi m p r o v i n gt r a n s p o r t c a p a c i t yt od e v e l o po f h e a v y - h a u lr a i l w a y w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea x l el o a d ，t h ew h e e l m i li n t e r a c t i o n i ss e v e r e ，t h et r a c ks t r u c t u r ei sd e s t r o y e ds e r i o u s l y , a n dt h ew e a rb e t w e e nw h e e l a n dr a i l i sm o r ea n dm o r es e r i o u s ，a sr e s u l t st os h o r t e nt h es e r v i c el i f eo ft h e w h e e la n dr a i l i no r d e rt or e d u c et h ew e a rb e t w e e nw h e e la n dr a i la n dp r o l o n gt h er a i l s e r v i c el i f e t h i sp a p e rs t u d i e st h ei n f l u e n c e so ft h et r a c ks t r u c t u r ea n dr a i l p r o f i l eo nt h ew h e e l r a i li n t e r a c t i o n ，f u r t h e r m o r e ，t h em e a s u r e m e n t sa r ep u t f o r w a r dt or e d u c et h ew e a ra n dt h ei n t e r a c t i o n f i r s t l y , b ym e a n so fas o f t w a r es i m p a c k ，t h em o d e lo fah e a v y - h a u l v e h i c l ei sp u tf o r w o r d ，i nw h i c ht h ew e d g eh a st h r e et r a n s l a t i o nf r e e d o m s ，t h e f r i c t i o nf o r c ei sc a l c u l a t e db yt h ep r e s s u r ei nt h en o r m a ld i r e c t i o n ，t h ee f f e c t - o f t h em a i na n ds u b s i d i a r yf r i c t i o n p a i r i st a k e ni n t oa c c o u n t ，a n dw h e e l r a i l p r o f i l e sa r ei n s t a l l e db yt h em e a s u r e dp r o f i l e s a c c o r d i n g t ot h em e a s u r e dr e s u l t s ， t h em o d e lo ff r e i g h tc a ri sv e r i f i e d r e s u l t ss h o wt h a tt h er e s e a r c he f f o r ts h o u l d b ef o c u s e do nt h ep r o f i l eo fr a i l s e c o n d l y , t h ei n f l u e n c eo ft h ep a r a m e t e r so ft r a c ks t r u c t u r eo nt h e n e g o t i a t i o no f v e h i c l ei sa n a l y z e d i ti sb e n e f i c i a lf o rt h ed e f i c i e n ts u p e r e l e v a t i o n t oi m p r o v et h es t e e r i n ga b i l i t ya n dr e d u c et h es t e e r i n gp r e s s u r eo ft h el e a d i n g w h e e l s e t t h ea d j u s t m e n to fr a i lc a n tc a nc h a n g et h ew h e e l r a i lc o n t a c tg e o m e t r y a n di n c r e a s et h er a d i u sd i f f e r e n c ea n dt h ec o n t a c ta n g l e ，a sh e l pt oi m p r o v et h e c u r v en e g o t i a t i o no fv e h i c l e t h i r d l y , t h ee f f e c to f t h er a i lp r o f i l eo nt h en e g o t i a t i o no fv e h i c l ei ss t u d i e d n em o d i f i c a t i o no ft h er a i lp r o f i l ec a nc h a n g et h ed i s t r i b u t i o no ft h ec o n t a c t p o i n t t a k i n gt h ep r o f i l eo f7 5 k g mf o re x a m p l e ，t h ef e a s i b l ep r o f i l e s a r e p r o p o s e db y t h ec a l c u l a t e dr e s u l t s l a s t l y , a c c o r d i n gt ot h ea d v o c a t e dm e a s u r e m e n t s ，t h et e s ts e c t i o ni ss e ti n c u r v e dt r a c k t h em e a s u r e m e n t sa r ee f f e c t i v et h r o u g hap e r i o do fo b s e r v a t i o ni n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 p r a c t i c a l k e y w o r d s ：h e a v y - h a u lr a i l w a y ；w h e e l r a i li n t e r a c t i o n ；g a g ew e a r ；p r o f i l e m a t c h i n g ；g r i n d i n g ； 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 采用多体动力学理论，建立重载货车动力学模型，模型中合理考虑 楔块运动自由度，楔块摩擦副的大小取决于法向正压力，充分反应楔块主、 副摩擦面的摩擦减振以及抗菱形变形中所起的作用。 2 采用仿真计算的方法，分析轨道结构参数对车辆曲线通过性能的影 响规律；在不影响车辆直线稳定性的前提下，通过曲线钢轨型面的修整， 改变轮轨接触点的分布，改善曲线上的轮轨接触几何关系，提高车辆的曲 线通过性能。 学位论文作者签名：习揸五采日期：研：协 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密一使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：司遗揪指导老师签名：学位论文作者签名：列迫7 札指导老师签名： 日期： 呼，2 日期： ，认 一 叶小 口 t 广6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文背景 铁路运输是交通运输的大动脉，对社会经济的发展起着十分重要的作 用：发展重载铁路运输是铁路扩能增效的一种有效途径。自2 0 世纪6 0 年 代以来，发展铁路重载运输得到了世界越来越多国家的重视。一些幅员辽 阔、资源丰富、煤炭、矿石等大宗货物运量占较大比重的国家发展尤为迅 速，典型代表有：美国、加拿大、澳大利亚、南非和巴西等国。 自1 9 世纪2 0 年代铁路问世以来，钢轨侧磨就一直是铁路曲线上存在 的问题。我国在2 0 世纪8 0 年代以前大量使用蒸汽机车牵引，虽然蒸汽机 车固定轴距很长，但由于列车运行速度相对较低和导向轮的作用，所以在 半径大于6 0 0 m 的曲线上钢轨侧磨这一问题还不十分突出。随着使用内燃、 电力牵引以来，列车牵引重量和机车车辆轴重的增加以及列车运行速度的 提高，曲线钢轨侧磨速率大大加快。首先提出这一问题的是济南铁路局。 济南铁路局在2 0 世纪8 0 年代初引进了美国生产的n d 5 机车，此机车的牵 引性能较好，但转向架的动力性能比国产d f 4 机车转向架的动力能差。该 批机车在线路上运行一段时间后，工务部门普遍感到曲线钢轨的侧磨速率 加快，迫使缩短换轨周期；机务部门也感到机车轮缘的磨耗速率较快，缩 短了镟轮的周期，造成了铁路运输成本的增加。国外也同样存在这一问题。 北美铁路以1 0 0 t 货车组成的单元列车运行以后，钢轨磨耗急剧上升，而轮 缘磨耗和钢轨侧磨所造成的金属耗损使机车车辆和线路的养护维修成本急 剧上升。在小半径曲线上，造成外轨严重侧磨，内轨严重压溃，并且由于 轨头的塑性变形而造成钢轨的波浪形磨耗，大大增加了铁路的运输成本， 降低了行车质量，所以迫使铁路运行部门及铁路研究人员对此问题进行深 入的研究。近年来，随着经济的发展，列车的运行速度、机车车辆轴重、 行车密度都大大提高，使得轨道各部件的受力增加。除了钢轨、扣件、轨 枕的其他一些伤损增加外，曲线钢轨的侧磨是一个比较突出的矛盾。世界 各国的铁路工作者，包括一些力学、材料、机械、摩擦磨耗及润滑的研究 工作者，都对此问题进行了长期的研究，其目的是为了减缓曲线的外轨侧 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 磨、内轨压溃、波浪形磨耗，以及降低轨道部件的力学伤损。通过多年的 研究，已取得了一些突破性的成果。但世界各国铁路的列车运行情况不同， 就是国内铁路，各条线路的列车运行情况也不相同，所以影响曲线钢轨侧 磨的因素也就各不相同，采取的减磨措施也就各不相同：有提高钢轨材质、 改善轮轨润滑条件；有改善机车车辆转向架转向性能、改变车轮踏面形状、 钢轨预打磨；也有改变轨道结构几何参数等。但目的只有一个，就是降低 钢轨侧面磨耗的速率和减少轨道部件的伤损，延长钢轨的使用寿命，从整 体上提高铁路运输的经济效益【l 弓】。 目前，各国实现重载运输有两种途径：扩大列车编组，开行长大货物 列车；提高轴重，加大车辆的每延米重量，发展重载列车。从世界发展重 载运输的技术发展趋势来看，因现有站线、牵引制动和控制等方面的问题， 从而在一定程度上限制了长大列车的开行。因此尽可能增大车辆轴重，提 高列车每延米轨道的有效载重，充分利用现有站线长度，已成为重载铁路 运输的主流。目前，美国和加拿大重载运输线上的货车轴重一般为3 0 t ，且 正在研制轴重3 5 t ，澳大利亚重载铁路运输轴重一般为3 0 3 2 5 t ，现也逐渐 提高3 5 t ，甚至有发展4 0 t 的计划。 根据我国交通发展战略规划，铁路运输发展的主题是提速、重载，而 减小轮轨间的磨耗，改善货物列车曲线通过性能则是提速和重载过程中必 须解决的课题。曲线区段上钢轨和轮缘的磨耗，是铁路运输中长期存在的 一个严重问题。轮缘和钢轨磨耗加剧，增大了机车车辆和线路的检修维护 工作量，占用大量的天窗时间，影响了运输生产，并导致列车动力消耗增 加，速度降低和平稳性下降。随着运量增大和大轴重货车的使用，钢轨侧 磨已从小半径曲线扩大到较大半径曲线，不仅磨损范围扩大，磨损率也在 增加。图1 1 描述了我国某运煤专线，曲线地段钢轨的侧磨情况，严重地段 的侧磨量已达到1 9 m m ，严重威胁到行车安全。对此，国内外学者展开了广 泛深入的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( b ) z 兰- ! ro 图1 - 1 曲线上侧磨钢轨 1 2 国内外研究现状 1 2 1 外国研究现状 自铁路问世以来，车轮踏面和钢轨的磨耗就一直是铁路部门的一个棘 手问题，世界各国对此也进行了长期的研究。随着机车车辆结构的改变， 列车牵引重量的增加和速度的提高，轮轨磨耗的问题就俞显突出。 铁路曲线的钢轨磨耗和机车车辆的车轮磨耗是一个较为复杂的问题， 涉及到轮轨之间的作用力、钢轨化学成分、机械性能、金相组织等。其中 最主要的影响因素轮轨之间的作用力，也受诸多因素的影响，如机车车 辆转向架的动力性能、轮轨型面的形状、轨道几何形位、轨道刚度等。所 以，铁路研究人员一直对此问题进行研究。 近1 9 4 1 年，霍曼和洛特在德国提出了种新轮箍外形。1 9 5 3 年2 月， 联邦德国国营铁路把它定型为标准型，用于所有蒸汽、电气和内燃机车以 及某些动车组上。据介绍新轮箍走行里程比i l t ，l , 形延长了3 0 。随后，经 过不断深入的试验研究，1 9 7 0 年联邦德国将d b 型踏面定为标准型，机 车车辆全部采用d b - i i 型磨耗形踏面，据报道，每年能节省的开支折合人 民币8 0 0 万元。 法国国营铁路曾试验了v 型、g v 型、c 9 型和马尔蒂型等几种踏面外 形，并进一步研究了一种马尔蒂外形衍生的踏面外形r 型踏面。在y 2 8 转向架上，g v 型、马尔蒂型和r 型踏面等均经历过高速试验。英国对踏面 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 外形曾进行了大量的研究和试验，其中有霍曼外形、r d 系列( r d 4 、r d 5 、 r d 5 a 、r d 6 ) 外形和p 系列( p 2 、p 3 、p 4 、p 5 、p 8 、p 9 ) 外形。p 8 型是 英国铁路的最具有代表性的磨耗型外形，踏面和轮缘都改为磨耗形，目前 已广泛使用。此外，用于国际联运车辆的u i c 外形也在英国铁路上经受试 验。据报道，采用磨耗形踏面在减少轮缘磨耗方面取得了明显的效果。 苏联从1 9 5 7 年开始对车轮断面形状进行了大量的调查研究。1 9 6 0 年， 全俄铁路运输科学研究院拟定了设计新断面的原则：在对机车车辆在全路 各局的运用条件下进行详细研究的基础上，认为必须研制统一的、各种类 型的机车车辆均可使用的轮箍断面，新断面必须保证轮轨之间只能是一点 接触，并对各部分作了如下的设计：为了保证降低车轮沿着钢轨运动时的 单位接触压力，轮箍踏面应具有曲线外形，其曲率半径应稍大于轨项断面 曲线的曲率半径。新的统一断面形状曾经过试验性的运用考验，据1 9 7 8 年 报道，在各种不同条件下应用于干线的电动车以及东西伯利亚铁路局某区 段的直达货物列车上运行了两年之久。试验表明，新断面的车辆车轮轮缘 单侧磨耗的轮对数减少约四分之三，轮缘磨耗量减少2 0 3 0 ，车轮镟削量 约减少2 0 。 日本国铁1 9 1 4 年采用的踏面外形是仿照欧洲旧型踏面制定的，1 9 2 5 年 制定了基本踏面。从1 9 5 8 年开始进行新外形的调查研究，曾测量了大量的 入厂车的踏面外形。根据踏面磨耗后的形状和新型踏面的要求，试制了a 型和b 型踏面，并于1 9 5 9 年9 月进行了试验。试验表明，a 型踏面较好， 所以后来扩大了装车数量。a 型踏面的侧压力、脱轨系数和轮重变化率都 比旧型踏面小，车体横向振动加速度也比较小。对a 型踏面加以改进，成 为d 型踏面。1 9 6 8 年又开始试制并装用了n 型踏面，试验结果表明，对于 侧压力和脱轨系数，n 型踏面比旧型标准踏面在直道上减少了5 0 ，在弯 道上减少了2 5 ，在整个试验速度范围内显示出良好的运行性能。 美国和加拿大的车轮分宽轮缘、一次性磨耗和多次性磨耗等类型。针 对这些旧型踏面存在的问题，两国也都设计和试验了新型踏面。美国曾进 行了多次宽轮缘霍曼外形和e m d 单点接触外形的磨耗试验。在减少轮缘磨 耗方面取得了较好的效果。加拿大对霍曼外形和a ”型踏面，曾进行过性能 试验、横向运行品质试验和运用试验。试验表明，新型踏面的平均冲角比 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 旧型a a r 踏面减小，横向力也减小。从1 9 7 5 年开始在加拿大西部进行了 5 1 辆煤车的装车运用试验，对新旧踏面进行磨耗率、磨耗形状和运用寿命 等方面的比较。通过理论研究和试验效果发现，在车轮踏面上作简单的改 革能取得重载货车在曲线轨道上运用的巨大经济效果，轮缘磨耗减少 1 5 - 2 5 ，还能减少钢轨的磨耗；由于通过曲线时滚动阻力的减少，还可以 节约机车的消耗和提高线路的通过能力【4 j 。 上世纪9 0 年代，俄罗斯对东南铁路局、后贝加尔铁路局、南乌拉尔铁 路局等铁路局的曲线区段上的钢轨磨耗问题进行调查，发现，当车轮踏面 基圆的型面与钢轨头部型面相同时，接合处的接触面积最大，接触应力也 就最小，其线性磨耗强度比车轮和钢轨的锥度不同时的接合处要小 8 3 一9 2 。在锥度不同的情况下，接触面积减小了6 6 8 0 ，而单位压力 却加大了2 5 倍。造成较大的踏面磨耗和钢轨侧磨，车轮轮缘出现啃伤和 尖端磨耗。后者的出现原因是：在两个接触体( 车轮和钢轨) 型面锥度配 合不同以及摩擦表面粗糙度不同的情况下，由于这些表面在形成“正常摩 擦”之前的强烈磨合，改变了“自然磨耗的形状和形式 。所以当换上新的 钢轨时，往往出现轮对磨耗到限而报废的现象。当然，随着接触面上负荷 的增加、接触压力的加大，“摩擦结合形式”就会发生变化，摩擦面的破坏 机理，即磨耗强度也随之发生变化，弹性变形转化为车轮和钢轨材料表面 层和表面金属的塑性变形。由于接触的表面非常紧密地接合在一起，所以 覆盖在金属表面上的氧化膜保护层出现了灾难性的破坏和磨损。结果，从 正常的“氧化膜磨耗 过渡到伴随有金属微粒从金属体中深度挖出的粘结性 的磨耗，金属微粒从一个摩擦面带到另一个摩擦面，造成结合平面的粗糙 不平，也就是说，出现了“冷拉伤和切口 ，从而使磨耗强度增加了9 - 2 4 倍。这就可归结为由于型面匹配不合理造成接触应力的增大，从而引起轮 轨表面的非正常摩耗。 俄罗斯联邦交通部和美国的数据表明，如果将轮对的负荷提高1 0 t ，则 会使轮箍和钢轨的磨耗增加6 - - - 1 8 倍；若是在曲线区段，则会增加到3 0 倍。 对此，提出了两种方法可以使强烈的磨耗得到稳定和下降。一种方法是通 过采用润滑材料来降低接合副的磨擦系数，另一种方法是通过改进结构来 减小接触区域内的单位侧向压力值。此外，还提出：当轨距加宽时，钢轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的侧磨就加大，原因在于，在轮轨间隙加大后，从而导致冲角的增大。因 此，当由于侧侧磨引起轨距加宽时，最大磨耗量可超出曲线中的平均磨耗 量的5 0 7 0 ，所以，必须及时调整由于磨耗引起的轨距变化【3 l 。 钢轨打磨是提高钢轨寿命的有效措施，在国外，钢轨打磨已有5 0 多年 的历史，目前已达到比较完善的应用阶段。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，防止因接触疲劳而产生的片状剥落、 开裂等病害。在钢轨打磨的早期发展阶段，主要对钢轨采用预防性打磨。 随着打磨设备和技术的不断改进，以及优质钢轨和先进润滑技术的应用， 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。 钢轨打磨是通过磨蚀剂清除轨头表面金属的过程。自1 9 3 0 年以来，铁 路运输部门将打磨方法用于清除诸如轨面波纹、磨耗、剥落等轨头缺陷。 初期，钢轨打磨是用人工进行的。在以后的4 0 年中，钢轨打磨技术有很大 改进，体现在出现了自动打磨车。这一时期，钢轨打磨应用范围已扩大到 焊接接头打磨，轨面鱼鳞和清除道岔毛刺等方面。钢轨打磨已成为清除钢 轨病害的主要措施。对存在缺陷的钢轨进行打磨，这个过程也称对钢轨修 复，有时简称“修复性打磨”或“表面打磨”。然而从8 0 年代开始，“预防性 打磨”逐渐取代于“修复性打磨”。“预防性打磨”是指在缺陷形成以前或即 将形成时对钢轨外形打磨，这种方法又称“外形打磨”。这种新技术的推广 得益于新一代全自动高速打磨设备的问世。利用自动高速打磨车【4 】可以将轨 头打磨成各种形状，且在打磨过程中可以实时修改轨头外形。从“修复性 打磨”到“预防性打磨”是一个革新，带来的好处是：( 1 ) 延长钢轨使用寿 命，降低钢轨成本；( 2 ) 改善轮轨接触状况，减小轮轨动力作用；( 3 ) 轮轨噪 声降低，轨道结构和机车车辆损伤下降。表1 1 列出了两种打磨方法的适用 范围和打磨措施p j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 表1 1 钢轨打磨方式 钢轨打磨打磨时间作用方法 清除已有缺陷：轨面 波纹，轨头塌陷，焊 表面打磨( 修复性打 缺陷形成后接不平顺，磨耗，塑轨头打磨 磨) 性变形，轨头烧伤， 高低不平，接头错位 打磨曲线轨道上股外 控制侧磨侧、下股内侧，改善导 向 打磨内侧轨头，变一点 外形打磨( 预防性打 缺陷形成前控制疲劳接触为两点接触，减小 磨) 应力 打磨曲线轨道下股外 控制波磨侧，避免轮对踏面反向 凸缘与钢轨接触 由修复性打磨到外形打磨可谓是钢轨打磨的一次变革，是打磨理念的 转变，以下着重对外形打磨进行介绍。 通过对轨头打磨成各种形状以改善轮轨接触状态而达到控制病害发生 和发展的目的称外形打磨。传统的表面打磨只是简单地将轨头磨平，如图 1 2 ( a ) 所示。外形打磨则是根据需要将轨头打磨成一特殊形状，如图1 2 ( b ) ，而不是简单地恢复到原来的外形。 图1 - 2 外形打磨与修复性打磨 对具有表面缺陷或发生塑性变形的钢轨而言，外形打磨一般要经历三 道工序：第一道工序就是清除钢轨表面已有的缺陷，第二道工序是将变形 的轨头整形，最后一道工序是将轨头打磨成所要求的形状。由于外形打磨 具有维护性质，是经常性的措施，因此表面缺陷通常没有足够的时间形成， 外形打磨常简化成一道工序。外形打磨可解决如下问题： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 1 ) 控制钢轨侧磨和侧向轮轨作用力； ( 2 ) 控制钢轨疲劳； ( 3 ) 控制波磨。 针对每种打磨目的，对应有相应的型面打磨理论和方法，以下对三种 打磨目的的应用进行详细描述。 ( 1 ) 控制侧磨 7 0 年代澳大利亚西部铁路打磨公司采用外形打磨控制轮轨相互作用和 接触力从而达到降低侧面磨耗获得成功【1 1 。8 0 年代北美首次出现全自动钢 轨打磨列车。这时期，外形打磨的目的是要优化钢轨对机车车辆的导向作 用。实践表明，曲线地段上、下股钢轨具有与轨头中心线非对称的断面形 状时，有利于机车车辆的导向。在直线地段，由于蛇形运动也会引起钢轨 侧磨，通过外形打磨也可达到控制直线地段钢轨侧磨的目的。 为了使曲线地段钢轨具有良好的导向作用，通过外形打磨必须确保外 轨与轮对大半径滚动圆接触，内轨与轮对小半径滚动圆接触，如图1 3 所示， 达到减小轮缘与钢轨侧面的冲击，控制侧磨。图1 4 为打磨与未打磨钢轨磨 耗后的断面外形，据澳大利亚报道，前者的耐磨寿命比后者提高了7 0 8 0 。 钢轨轮廓打磨理念 图1 3 外形打磨以改善导向 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 g f ( a ) 未进行打磨( b ) 进行打磨 图l _ 4 打磨与未打磨钢轨磨耗比较 美国铁路工程师协会指出，曲线地段外轨一点接触优于两点接触，一 点接触可使冲角减小，横向力降低。 ( 2 ) 控制疲劳 外形打磨的第二个作用是控制钢轨表面的疲劳，尤其对曲线轨道轨头 内侧的疲劳缺陷有效。钢轨疲劳经常发生在重载运输线上。钢轨疲劳与轮 轨接触状态有关。当轮轨一点接触时，轮轨接触附近应力高度集中，容易 造成轨头疲劳，裂纹和剥落。为了控制钢轨疲劳，可通过打磨潜在的疲劳 区，使轮轨接触点向轨头中心转移，如图1 5 所示。在小半径曲线地段，由 于轮缘与钢轨冲击，形成两点接触。两点接触与一点接触相比，接触应力 降低，有利于减缓疲爿6 1 。通过外形打磨使轮轨接触点在疲劳形成前偏离原 接触区，最大应力重分布。对于润滑良好的轨道和高强度钢轨，疲劳是主 要问题，侧磨是次要因素，外形打磨主要是控制疲劳。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 钢轨外 面打磨 此线 外轨 磨至 图1 - 5 打磨内侧轨头以减小应力集中 正如前所述，轮轨由一点接触到两点接触，会引起冲击力增加，导致 侧面磨耗加剧，因此这种外形打磨只适用于以疲劳为主而侧磨轻微的情况。 ( 3 ) 控制波磨 外形打磨的第三个作用是控制波磨，尤其是在控制以货运为主重载运 输线曲线内股上的短波长磨耗效果明显。一般波磨波长范围为3 0 6 0 c m 。 波磨的形成与高度应力集中有关。当磨耗轮的反向凸缘作用在曲线下股钢 轨外侧时，轮轨间呈凸一凸接触状态，导致接触应力显著增加，塑性变形 发生，波磨出现。在北美货运线上，短波长磨耗常常出现，外形打磨是控 制波磨的有效方法。通过打磨曲线下股钢轨外侧可以使轮轨接触点向钢轨 断面中心移动，避免轮对踏面反向凸缘与钢轨接触。北美货运线上的实践 表明，采用外形打磨比表面打磨有明显控制波磨发生的作用【2 】。 一般来说，控制侧磨与控制疲劳所采用的打磨方法是不同的，也就是 说不可能采用一种打磨方法既达到控制侧磨又能控制疲劳。但对于波磨， 情况则不同。通过特别的外形打磨可同时控制波磨和侧磨或疲劳。 尽管外形打磨可以解决上述问题，但一种特定的打磨外形只适合一类 问题，即不同的问题需要不同的打磨外形，不存在一种适合所有问题的打 磨外形。必须注意，打磨后的钢轨寿命随运量而变，例如，钢轨经外形打 磨后在无润滑措施的重载运输条件下只能通过1 0 m g t ( m i l l i o ng r o s st o n1 运量，通过2 0 m g t 运量后钢轨将完全报废。这说明钢轨需要经常性的维护 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 和打磨。另外，钢轨恶化还与线路几何形状和轨道条件有关，例如在小半 径曲线地段，钢轨更易磨损，因而需要更多的维护和打磨。 钢轨打磨已有较长的历史，从最初简单的“修复性打磨 发展到能控 制各种缺陷的萌生、发展及轮轨相互作用力的“预防性打磨”。尤其是后一 种方法，针对缺陷形成的机理进行外形打磨，取得了非常好的效果。如果 将两种方法结合使用，可以达到更好的效果。外形打磨对侧磨、疲劳和波 磨三类问题特别有效。对不同的问题采用不同的轨头外形打磨图式。美国、 加拿大和澳大利亚已经将各种轨头外形打磨图式汇编成册，以备查阅【6 j 0 1 。 尽管打磨只是许多线路养护维修方法之一，但却是非常重要的措施。 缺乏打磨措施的钢轨寿命远低于打磨过的钢轨。由于钢轨是线路养护维修 的重点，量大且病害多，从经济的角度看，延长钢轨的寿命意味着节约大 量的资金，经济效益明显【1 1 。6 。 1 2 2 国内研究现状 就型面改进而言，四方车辆研究所于1 9 9 2 1 9 9 6 年期间在已设计出的 s y 系列踏面的基础上，为我国机车设计出了l m 、j m l 、j m 2 和j m 3 型踏 面。这些踏面在设计时都事先经过了精确的几何接触参数分析，用分析结 果对性能进行了预测，再经实际线路运营检验其效能。所有试验车辆都经 过了一个段修的运用考验，试验结果表明，这些踏面的运用是安全可靠的， 在减少圆周磨耗和轮缘磨耗，以及减少镟削里量方面基本上取得了预期的 效果【4 1 。 我国对曲线区段的钢轨侧磨开展了一系列的研究【1 7 也8 1 ，早在1 9 8 6 年， 上海铁道学院和济南铁路局合作，在津浦线k 3 7 7 曲线上建立了试验段，通 过采用轨道几何参数，改善钢轨材质和几采用涂油措施，从轮轨关系全面 研究其对曲线钢轨侧磨速率的影响。 通过对大量隔离金属片上的压痕分析，外轨轨头剖面的接触范围可分 为四段，如图1 - 6 所示。a 段位于钢轨顶面，长约4 0 m m ，该段特征为接触 面较宽、被压表面光亮，金属片的塑性变形较大，这些均表明头顶面的滑 动率较小，但垂直压力较大。b 段位于轨头圆角处，长约9 m m ，表面暗淡， 金属片塑性变形不大，这说明轨头圆角处有微小滑动，但压力较小。c 段在 b 段的下方，大约1 0 m m ，表面相当粗糙，某些金属片已被磨穿，且具有一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 定的塑性变形，这就说明轨头侧面的滑动率较大，且有一定的横向力。d 段 位于c 段下方，它距钢轨轨顶面下约2 3 m m 处，其长度为4 m m ，表面比c 段更形粗糙，某些金属片在该处已被磨断，而且还具有较大的塑性变形， 种种迹象表明，这是具有更大的滑动率和横向力。同时，通过以上的试验 和分析认为，c 段主要有车辆轮缘接触，d 段则与机车的轮缘相接触。 图1 - 6 磨耗外轨轨头 并对实测的轮轨型面，采用电算程序分析其接触几何关系，对静态接 触几何关系参数( 等效锥度、接触角参数和轮对滚动圆偏距) 进行分析， 历时两年的现场试验研究，取得了以下结论【r 刀： 1 增大和减小理论超高值均能减缓钢轨侧磨速率，尤以减小更显著； 2 通过调整轨底坡来增大内外侧的滚动圆半径差，有利于减少侧磨； 3 轨距扩大将是钢轨侧磨加剧，因此应及时调整； 4 曲线应保持良好圆顺度，否则将增加侧磨速率； 5 涂油是减缓钢轨侧磨速率的有效措施； 6 改善钢轨材质是减缓曲线钢轨侧磨速率的根本措施。合金钢轨和全长 淬火轨比普通寿命长。 此外，应改善目前机车车辆走行部，以期发挥减磨的综合效果。并初 步指出曲线头部侧磨量最小，中部次之，尾部则最大。曲线尾部侧磨量比 平均侧磨量大9 - - 1 2 左右。在国外，较长的曲线上也存在类似情况。有 可能是由于机车车辆受轨道曲率及不平顺影响，逐渐加剧其振动和摇摆造 成的 18 1 。 1 9 9 3 年3 月至1 9 9 4 年2 月牡丹江铁路分局横道河子工务段，在滨绥上 行线道林开道间选出6 条比较典型的曲线，建立了轨距、轨底坡、超高、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 淬火轨与普通轨、涂油与非涂油等不同情况下的磨耗观测试验段。经过现 场的对比试验，得出以下结论： 1 铺设淬火轨 轮轨间最大接触应力为9 3 4 m p a ，而现场铺设的u 7 1 m n 钢轨抗拉强度 为8 8 2 m p a ，这些钢轨强度不适应重载运输，带来钢轨磨耗、疲劳。因此， 在重载线路应选用高强度淬火轨。 2 钢轨涂油 推广“以机车涂油为主，重点磨耗地段机车涂油与地面涂油相结合” 能有效地减缓钢轨磨耗。 3 适当减少外轨超高 按规定计算的超高值折减1 0 - 2 0 设置，不仅对减缓钢轨磨耗有利，还 减少维修工作量。 4 适当减少轨距 适当减少轨距，不仅对减缓钢轨磨耗有利，而且能使列车平稳地通过 曲线，此外，减少轨距扩大值，建议曲线轨距减小4 m m 1 8 】。 我国从1 9 8 9 年开始在工务维修中使用钢轨打磨列车。随着铁路提速战 略的实施和全国大中城市轨道交通的兴起，钢轨不平顺、剥落、接触疲劳 和噪声等病害成为目前面临的一个重要问题。同时，由于轮轨磨损，需要 频繁地镟修轮对和更换钢轨，造成了大量的能源浪费。根据国内应用单位 的实践经验，钢轨打磨既可以延长钢轨使用寿命，节约钢轨费用，又可以 消除钢轨伤损，确保铁路提速的实施。但是，目前国内的钢轨打磨大多只 停留在修复性打磨阶段，对预防性打磨的认识和工作的开展还远远不够， 还没有形成一整套合理的钢轨打磨技术。铁道部在“铁路九五计划和2 0 1 0 年发展规划 中，已明确提出了“加速实现养路机械化，完成繁忙干线装 备大型养路机械的目标，特殊地区发展专用养路机械，使大型高效养路机 械的大修覆盖面达到正线的1 2 ，使线路面貌有较大改善“战略目标，对于 发展钢轨打磨，提高我国线路维护水平有着重要的指导意义。 1 3 本文采用的方法 轮轨相互作用关系是连接车辆系统和轨道系统的“纽带”，两系统之间 通过轮轨界面而形成动态耦合作用机制。在轮轨之间的作用力，一方面， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 向上传递引起车辆系统振动，向下传递导致轨道结构振动；而车辆系统中 轮对的振动和轨道系统中钢轨的振动，都直接引起轮轨接触几何关系的动 态变化；从而进一步导致法向力的变化；在接触点的切向平面内引起轮轨 蠕滑率的变化，从而进一步引起轮轨切向蠕滑力的变化；而轮轨接触点处 作用力的动态变化，反过来又会影响车辆、轨道系统振动【2 9 1 。 如把影响轮轨动作用力的因素可以分为内部、外部因素，轨道不平顺 将是外部激扰，外部激扰可大致分为周期性激励和随机性激励：而内部因 素则是轮轨接触几何关系，与之相关的轮轨接触参数有：轮径差、等效锥 度、接触角差、轮轨间隙，静态接触几何关系的评判目标：接触点的分布、 等效锥度和接触角差的变化规律，在满足静态接触几何关系的基础上，采 用时域仿真方法的对接触几何关系进行动态衡量，最终得出较优的轮轨型 面匹配。目前各国使用的轮轨型面不尽相同，为满足不同用途的需要，各 国相继开发了多种轮轨型面匹配关系。 本文首先采用轮轨型面仪，采集不同类型车辆的车轮踏面、不同半径 曲线处的钢轨型面数据，建立丰富的轮轨型面数据库，并分析静态轮轨接 触几何关系，通过对比分析，对型面进行分类，找出型面的磨耗规律；运用 多体动力学仿真软件s i m p a c k ，建立被试车的整车动力学模型，利用轮轨 型面数据建立轮轨接触文件，进行动力学仿真。定期对测试区的钢轨型面 以及运营车辆的车轮踏面进行测试，观察磨耗发展的趋势。 1 4 本章小结 随着机车车辆轴重的增加，不仅轮轨接触应力随之增大，轮轨间的纵 向、横向摩擦力也随之增大，轮轨侧压力也随之增大；钢轨的垂直磨损、 侧面磨损，以及塑性流动就俞显突出，轮缘和踏面磨损将会增大。我国货 车随着小轴重车的淘汰，大型货车投入运用，平均载重不断增加。2 3 t 轴重 货车普遍投入运营，轴重2 5 t 的货车已在运煤专线上使用，轮轨相互作用普 遍增大。轮轨关系方面的问题将愈来愈多，愈来愈严重。认真研究解决现 有问题及将来出现的问题，是运输发展的迫切要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第2 章车辆系统动力学模型及验证 近年来，随着计算机应用的普及，机车车辆曲线通过的动态模拟计算 也得到了广泛应用。仿真程序的应用为分析轮轨之间的动态作用提供了有 力支持。 铁路曲线钢轨侧磨是一个较为普遍的问题，既有共性，也有个性。不 同的曲线，由于线路条件及机车车辆运行条件不同，钢轨的侧磨也就有所 不同。研究减缓钢轨侧磨的目的就是要根据不同的情况选取合理的减磨措 施。本文运用多体动力学软件建立运营车辆的动力学模型，并采用现场实 测数据对模型进行验证。 2 1 多体动力学的发展 在传统车辆动力学中，对于自由度少且简单多自由度模型，可以使用 牛顿定律、达朗贝原理、动量定理或动量矩定理来建立运动微分方程组。 随着科学技术的发展，研究的动力学模型越来越复杂，构造动力学方程时， 将面临复杂的代数和微分运算，而计算机技术的发展，大大推动了多体系 统动力学的发展。借助于现代计算技术，可建立复杂数学模型并求解分析， 这对长期以来用传统的人工方法来推导运动方程无疑是一次突破。 多体动力学作为动力学仿真的一种新方法，在铁道工程领域具有很大 的应用前景。 首先，采用多体分析方法，能够得到一个通用的自动建立数学模型的 方法。这种方法，不仅能够求解车辆垂向、横向、纵向的空间动力学问题， 而且还能对他们之间的耦合模型进行分析。由于这种方法的通用性，它除 了能对已有的车辆模型进行各种动力学分析外，还能对未来出现或设计中 的车辆模型进行动力学分析，这对加快各种新型车辆的设计和研究很有帮 助。 其次，多体分析方法可与有限元技术和模态分析方法借口。随着车辆 动力学模拟的深入，对钢轨、道床、接触网、车体等这些柔性体不能以一 个刚体来代替，而必须考虑它的弹性变形。目前，主要是采用有限元离散 化方法与模态分析方法。由于有限元方法与模态分析方法已相当成熟，这 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 样多体分析方法可以借鉴它们的现有成果，结合物体的大位移运动来对含 有弹性变形的多体系统进行分析。依据这一思想，可对由车辆与轨道或桥 梁、受电弓与接触网等刚体和柔性体组成的复杂系统建立一个精确的刚柔 耦合三维模型，从而可以较全面地模拟轨道、车辆的动力学性能，为各种 新型高速重载低轮轨动力作用机车车辆的设计和确定高速或重载线路结 构、参数提供可靠的依据。 1 9 7 7 年，国际理论和应用力学学会( t a m ) 主持召开的第一次多刚 体系统动力学研讨会及1 9 8 4i u t a m 主办的多体系统动力学研究会推动了 这门学科从理论建模到面向工程的计算机辅助仿真研究的发展。许多大型 通用计算机软件不断涌现，并在商业化方面取得巨大成功，如s i m p a c k 、 a d a m s 、n u c a r s 、u m 等软件，这些软件结构性强、功能完备、操作方 便，不但能够求解航天器和机器人等以开环和低运动副为主的机构，而且 能够求解铁路车辆等结构形式复杂的多闭环系统。如今这些软件的应用领 域非常广泛，北美、西欧的工程师已在机械系统的设计工程中普遍采用。 同时，在铁路车辆、航天器等领域不断举办多体仿真专题讨论会，以交流 多体软件的开发和应用经验。 本论文采用多体动力学s i m p a c k 软件建立车辆多体动力学模型，较之 于其它动力学软件，在铁道车辆动力学性能分析上，s i m p a c k 软件有自己 独特的优势 3 0 】。 ( 1 ) 轮轨模块功能强大，在铁路领域同类系统软件的全球销量上占据 第一； ( 2 ) 算法技术的优势：s i m p a c k 软件的开发是基于相对坐标系递归 算法，并将多刚体动力学和有限元技术结合起来；由于s i m p a c k 算法上的 优势，成功地将控制系统和多体计算技术结合，发展了实时仿真技术； ( 3 ) 通过采用最新的解算技术，它提供了同类产品中最快的解算速 度，在保证了极高的解算精度和稳定性的同时不失友好的操作特性； ( 4 ) 同时可以分析系统振动特性、受力、加速度等，描述并预测复杂 多体系统的运动学动力学性能； ( 5 ) s i m p a c k 软件可以通过符号代码加速等先进技术使得虚拟模型 可以在任何h i l ( 硬件在环) 平台上运行，这也是其它多体动力学软件所 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 不具备的； ( 6 ) 其独特的全代码输出功能可以将m b s 模型输出成f o i 玎凡州或 c 语言代码，从而实现与任意仿真软件的联合。 ( 7 ) 一旦m b s 建模完成，可以利用s i m p a c k 强大的求解器进行各 种分析，包括静力学分析、运动学分析、动力学分析、逆动力学分析、频 域分析、模态分析、谱分析等，同时仿真结果可以用动画或绘图的形式输 山【3 0 】 u l j o s i m p a c k 的强大功能为进行车辆动力学系能分析提供了有力的技术 支持。 2 2 货车动力学模型 2 2 1 模型动力学拓扑关系 三大件式货车转向架采用轴箱导框或者橡胶垫定位，摇枕和车体采用 螺旋簧连接，从而减小二系横向刚度。每节货车均由车体和两