（车辆工程专业论文）基于车辆动力学的重载铁路曲线磨耗钢轨型面改进设计与分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 为了提高运能，降低运输成本，重载运输已成为当今世界铁路发展方向之 一，但随之带来的后果有：轮轨动态作用加剧、轨道结构破坏严重、钢轨侧磨 迅速，使每年花费于铁路维护和钢轨更换费用迅速增加。为减轻重载铁路轮轨 磨耗，延长钢轨使用寿命，论文作者所在单位承担了某重载铁路轮轨关系及轮 轨型面合理匹配研究项目。本文在课题组已有的工作的基础上，基于车辆动力 学，对重载铁路曲线磨耗钢轨型面进行了改进设计与分析。 本文首先以车辆动力学理论为基础，结合重载铁路曲线段实测钢轨型面和 轮轨接触几何关系，考虑了货车系统各种非线性环节，建立了重载货车曲线通 过动力学分析模型。然后，运用动力学分析手段，对某重载铁路一个曲线段的 磨耗钢轨型面进行了初步设计、详细设计和最终设计，并对不同设计方案型面 的轮轨接触几何关系和车辆曲线通过性能进行对比分析，最终确定了合理的曲 线磨耗钢轨型面改进设计方案。 课题组根据型面改进设计方案，对某重载铁路曲线磨耗钢轨型面进行了打 磨，并对轮轨动力性能进行了现场试验。本文根据试验结果与理论仿真结果， 对设计方案的效果进行了分析。分析结果表明，对于该曲线轨道，采用本文提 出的磨耗钢轨型面改进设计方案，可有效减缓钢轨的侧磨。 关键词：重载铁路；钢轨；型面设计；侧磨：车辆动力学 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 d e v e l o p i n gb i g a x l el o a d ，h e a v y - h a u l t r a n s p o r t a t i o nh a sb e e no n eo ft h e d e v e l o p m e n td i r e c t i o n si no r d e rt oi m p r o v et r a n s p o r tc a p a c i t ya n dl o w e rt h ec o s t ，a s c o u l db r i n ga b o u tm u c hc o n s e q u e n c e ，s u c ha ss e v e r ew h e e l r a i li n t e r a c t i o n ，t r a c k d e s t r u c t i o n ，s i d ew e a r , a n dg r o w t ho ft h ea n n u lc o s tf o rr a i lm a i n t e n a n c ea n d r e p l a c e m e n t p r o j e c to fr e s e a r c hw h e e l r a i lc o n t a c ta n dp r o f i l em a t c h i n gr e l a t i o n s h i p o nc e r t a i nc u r v e dr a i lw a sc a r r i e do u tb yt h er e s e a r c ht e a mt h et h e s i sa u t h o ri sa t ，i n o r d e rt of u r t h e rr e d u c ew h e e l r a i lw e a l - a f t e rs t a n d a r dr a i lg r i n d i n ga n dp r o l o n gr a i l s e r v i c el i f e t h ep r o f i l ed e s i g na n da n a l y s i so nh e a v y - h a u lr a i l w a yc u r v e dr a i lw a s c a r r i e db a s e do nv e h i c l edd y n a m i c sa n dw o r kf i n i s h e db e f o r eb yt h er e s e a r c ht e a m 。 a n a l y s i sd y n a m i cm o d e lf o rh e a v yh a u lr a i l w a yv e h i c l ec u r v i n gw a sb u i l tf i r s t l y , b a s e do nv e h i c l ed y n a m i ct h e o r yc o m b i n i n gr a i lp r o f i l ef r o mf i e l dm e a s u r ea n d e v e r y n o n l i n e a rf a c t o r a n dt h e n ，h e a v yh a u lc u r v e dr a i lp r o f i l e sw e r ed e s i g n e dt h r o u g h p r e l i m i n a r yd e s i g n ，d e t a i l e dd e s i g n ，f i n a ld e s i g nw i t ht h em e t h o dp r o p o s e d ，a n da f t e r w h i c hf i n a lr a i l w a yc u r v e dr a i lp r o f i l e sw a sc o n f i r m e dt h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s o nw h e e l r a i lc o n t a c tg e o m e t r ya n dv e h i c l ec u r v i n gp e r f o r m a n c eb yd y n a m i c s i m u l a t i o nu s i n gd i f f e r e n tr a i lp r o f i l e sd e s i g n e d t h er e s e a r c ht e a mg r i n d e dt h er a i lo nc u r v e dh e a v y - h a u lr a i l w a y , a n df i e l dt e s t o nw h e e l r a i ld y n a m i cp e r f o r m a n c ew a sc a r r i e do u t t h et h e s i s c o m p a r a t i v e l y a n a l y z e dt h ee f f e c to ft h ed e s i g np r o p o s a lw i t hr e s u l t sf r o ms i m u l a t i o na n df i e l dt e s t ， w h i c hs h o w e dt h a tc u r v e dr a i ls i d ew e a rc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db yt h ed e s i g n p r o p o s a lp r e s e n t e d k e yw o r d s ：h e a v y - h a u lr a i l w a y ；r a i l ；p r o f i l ed e s i g n ；s i d ew e a r ；v e h i c l ed y n a m i c s 西南交通大学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 不保密卤，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：嘲 指导老师签名： 另彳2 ： j 日期：勘i d ，多日期：州厂 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 针对重载铁路曲线既有钢轨侧磨严重的工程实际问题，以车辆动力学为 理论基础，结合实测钢轨型面及其轮轨接触几何关系，用s i m p a c k 软件建立了 重载货车曲线通过动力学分析模型。 2 对某重载铁路一个曲线段的磨耗钢轨型面进行了动力学性能改进设计， 确定了钢轨型面改进设计的最终方案。理论与实际分析结果表明，磨耗钢轨型 面改进设计后，可达到预期的效果。 学位论文作者签名：锅涪华 日期：劬胗彦 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 为了提高运能，降低运输成本，重载运输成为当今世界铁路的发展方向之 一。自2 0 世纪6 0 年代以来，发展铁路重载运输得到了世界上越来越多国家的 重视，但随着轴重的加大，轮轨动态作用加剧，导致轨道结构破坏严重，钢轨 侧磨发展迅速，使每年花费于铁路维护和钢轨更换费用迅速增加。 我国首先发现钢轨侧磨这一问题的铁路部门是济南铁路局i lj ，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 机车转向架的动力性能差。该批机车在线路上运 行一段时间后，工务部门发现曲线钢轨的侧磨速率普遍加快，迫使缩短换轨周 期；机务部门也发现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。随着大秦( 大同一秦皇岛) 、朔黄( 朔州一黄骅港) 等运煤 专线的开通及投入运营，曲线钢轨侧磨现象也越来越严重，如图1 - 1 所示。国 外也同样存在这一问题口】，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，造成线路的养护维修成本急剧上升。 7 ( ! ! - o 一 幽1 - 1 曲线上侧厝钢轨 因此，以重载铁路曲线轨道既有钢轨型面为研究对象，开展钢轨型面设计 研究，提出钢轨最佳型面设计方案，对降低钢轨磨耗、提高机车车辆的曲线通 过性能等措施的制定，将具有重要的理论研究意义和工程实际价值。 12 国内外研究现状 在重载铁路小半径曲线轨道上，造成外轨严重侧磨，内轨严重压溃，并且 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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， 降低了行车安全性能。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，就国内铁路而言，各线路的列车运行情况也不相同，影响曲线钢轨侧 磨的因素也各不相同，因此采取的措施也各不相同，例如提高钢轨材质、改善 轮轨润滑条件；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；改变轨道结构几何参数等等。这些措施的目的是降低钢轨侧面磨耗的速率、 减少轨道部件的伤损、延长钢轨的使用寿命，从而，从整体上提高铁路运输的 经济效益。 1 2 1 国内研究现状 1 9 8 6 年，上海铁道学院和济南铁路局合作【2 】，在津浦线k 3 7 7 曲线上建立了 试验段，基于轮轨关系全面研究了曲线钢轨侧磨的影响因素，并提出了优化轨 道结构参数，改善钢轨材质和采用涂油等措施。 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、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【3 】。经过现场的对比试 验，得出以下结论：铺设淬火轨、钢轨涂油、适当减少外轨超高、适当减少轨 距以减轻钢轨磨耗。 1 9 9 5 年，上海铁道学院练松良【4 采用实测曲线钢轨侧磨数据进行三次样条 函数拟合，并用数字信号处理方法对采集数据进行处理分析，求得了评价钢轨 侧磨程度的不均匀系数及其频谱分布图，为研究钢轨侧磨提供了一种方法。 2 0 0 2 年，西南交通大学王开云等人【5 】应用迹线法编写了轮轨空间动态接触 几何关系的电算程序，分析和比较了不同类型踏面与不同类型钢轨配合使用时 的接触几何状态，结果表明，不同类型钢轨与踏面之间的接触几何状态存在较 大差异。 大连交通大学王凯平、孙丽萍【6 j 基于迹线法编制的轮轨空间动态接触几何 关系的电算程序，分析和比较了不同磨耗钢轨型面和磨耗踏面配合使用时的接 触状态，结果表明不同钢轨型面对轮轨接触状态有很大影响。另外，王凯平 7 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 以数值模拟为主要方法对现有轮轨型面进行几何接触分析，分析了我国铁路高 速状态下的轮轨外型匹配，根据钢轨的磨耗程度提出了四种轮轨设计方案。 2 0 0 8 年3 月，西南交通大学张剑、温泽峰等【8 】采用轮轨非赫兹滚动接触分 析的方法对欧洲国际铁路联盟( u n i o ne n t e r n a t i o n a l ed e sc h e m i n sd e rf e r , u i c ) 高 速轮轨型面s 1 0 0 2 和u i c 6 0 和我国准高速型面l m a c h n 6 0 进行接触几何分析， 结果表明l m a c h n 6 0 型面共形度太低，对钢轨磨损以及滚动接触疲劳极为不 利。 西南交通大学硕士研究生司道林归】运用s i m p a c k 软件，建立了重载货车模 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，并与试验指标进行对比分析以此来验证模型。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，从而得出改善轮轨接 触参数的研究重点是钢轨型面的结论。指出钢轨型面的设计应以现场实测型面 的磨耗规律为基础，通过实地观察型面的病害特征，例如裂纹的方向和发展速 率以及磨耗表面的特征，判断轮轨接触状态：轮轨力的分布和大小以及接触点 的分布范围。提出钢轨型面设计应考虑到现有的打磨技术水平。在保证动力学 性能的前提下，设计的型面应简单有效。对7 5 k g m 钢轨标准型面进行修整，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，并结合工程 实际对钢轨标准型面进行了现场打磨。 1 2 2 国外研究现状7 1 9 8 5 年，文献 i o 在研究蠕滑力及接触角的基础上，提出使用设计齿轮的 方法设计钢轨型面。 1 9 8 5 年加拿大国营铁路由于重载铁路的发展，钢轨磨耗严重，导致车辆经 常发生脱轨事故。在对重载铁路进行现场考察并结合本国重载铁路特点的基础 上，研究了一种适合本国重载线路的钢轨型面 1 l 】，优化了轮轨接触几何关系及 受力状况，减小了钢轨磨耗。 文献 1 2 1 为了提高新干线钢轨的使用寿命，通过研究磨耗轮轨接触点分布， 对磨耗钢轨型面进行了研究，提出了钢轨型面设计的新方法，修改直线轨道钢 轨接触部位及其邻近区域断面外形，增大了曲线钢轨外轨轨距角半径，使其适 应轮箍外型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 r o ye s m i t h 和j k a l o u s e k 1 3 j 以控制轮轨磨耗，降低轮轨噪声为目的，通 过分析研究轮轨接触几何关系对车辆动力性能的影响，提出了一种轮轨型面的 设计方法，指出通过此种方法设计的轮轨型面，可实现控制踏面锥度和钢轨磨 耗速率，降低轮轨噪声的目标。 文献 1 4 根据合理的轮轨型面可减缓钢轨磨耗以及轮轨型面设计复杂而艰 难的现实，美国柏林顿铁路维护公司研发了轮轨磨耗跟踪系统，以提供钢轨的 实际磨耗情况并分析其磨耗规律，探明磨耗原因，进而设计出合理的轮轨型面。 2 0 0 2 年，j o c h e nb r a n d a u 等人【1 5 】针对轻轨曲线段钢轨磨耗严重的实际情况， 以降低线路维修成本为目标，在大量现场试验和仿真分析的基础上，设计了轻 轨曲线段内、外侧钢轨的非对称型面，并与其它减磨措施，如采用高硬度钢轨 材料、钢轨润滑等，进行了对比分析。指出通过修改曲线钢轨型面可从根本上 减轻钢轨磨耗且降低经济成本。 m a g e l 等人【16 】研究分析指出，通过控制轮轨蠕滑状态可最大限度的减小钢 轨接触疲劳。从影响蠕滑力的诸多因素( 如车辆运行条件、牵引和制动的影响、 摩擦系数等) 中选取轮径差作为主要评价指标对钢轨型面进行研究设计。通过 仿真分析表明，对磨耗钢轨进行及时合理型面修改可有效减缓轮轨接触疲劳伤 损的出现。 文献 1 7 在分析研究轮轨接触几何关系与轮轨动态相互作用的基础上，指 出，车辆踏面锥度的破坏、轮轨接触应力的改变，对钢轨接触疲劳和使用寿命 的影响比轮缘接触更大。合理的型面设计可有效的优化轮轨接触几何，降低轮 轨动态相互作用，延长其使用寿命。 y o s h i h i k os a t o 1 8 】回顾了日本钢轨型面设计的研究成果，对钢轨型面进行了 广泛地考察和研究，提出了钢轨型面设计方法，并对钢轨型面进行了设计，极 大地降低了钢轨的磨耗，取得了良好的经济效益。 文献 1 9 】以轮轨接触几何关系为研究基础，选用轮径差为主要影响参数，利 用计算机语言编写了钢轨型面设计程序，并设计了高速铁路曲线钢轨型面，采 用动力学仿真软件a d a m s 对设计型面进行了动力学仿真分析。结果表明，型 面的合理设计可有效降低钢轨磨耗，减小轮轨接触应力。 j p l u ，s b o n d e u x 、d b o u l a n g e r 和r h e y d e r l 2 0 在由于高强度的铁路运输 而导致的轮轨磨耗对铁路公司经济效益产生严重影响的背景下，与欧洲铁路联 盟共同提出了重载铁路钢轨型面的设计方法，并对钢轨型面进行优化设计，取 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 得了良好的效果。 1 3 本论文主要研究工作 综上所述，虽然国内外许多专家对钢轨型面进行了大量的理论和试验研究， 但绝大多数基于优化理论对钢轨型面进行优化设计，或者基于轮轨接触几何关 系优化钢轨型面，然后进行动力学性能校核与分析，或者从磨耗角度对钢轨型 面进行了设计，尚未发现对既有钢轨磨耗型面进行动力学性能设计。 为减轻重载铁路轮轨磨耗，延长钢轨使用寿命，论文作者所在单位正在承 担某重载铁路轮轨关系及轮轨型面合理匹配研究项目。本文在课题组已有的工 作基础上，基于车辆动力学，对重载铁路曲线磨耗钢轨型面进行了改进设计与 分析。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 本文以车辆动力学理论为基础，结合重载铁路曲线段实测钢轨型面和 轮轨接触几何关系，考虑了货车系统各种非线性环节，建立了重载货车曲线通 过动力学分析模型。 ( 2 ) 采用动力学仿真分析方法，对某重载铁路一个曲线段的磨耗钢轨型面 进行了初步设计、详细设计和最终设计，并通过动力学仿真对不同设计方案型 面的轮轨接触几何关系和车辆曲线通过性能进行对比分析，最终确定了合理的 曲线磨耗钢轨型面改进设计方案。 ( 3 ) 课题组根据型面改进设计方案，对某重载铁路曲线磨耗钢轨型面进行 了打磨，并对轮轨动力性能进行了现场试验。本文根据试验结果与理论仿真结 果，对设计方案的效果进行了分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章重载铁路车辆曲线通过动力学分析模型 为了对重载铁路小半径曲线磨耗钢轨型面进行动力学性能设计，以车辆系 统动力学为基础，应用s i m p a c k 软件，建立重载铁路曲线通过动力学分析模型， 分析曲线段磨耗钢轨型面的轮轨接触几何关系及其动力学性能。在此基础上， 提出重载铁路曲线磨耗钢轨型面改进设计的思路。 2 1 重载铁路车辆曲线通过动力学仿真分析模型 采用国际著名的商用动力学分析软件s i m p a c k ，对实测型面和设计型孟进 行动力学仿真分析。 我国重载铁路货车车辆的转向架以2 5 t 轴重k 6 转向架居多，因此，本论 文建立了k 6 转向架货车车辆曲线通过动力学性能分析模型，如图2 - 1 。对货车 系统进行建模时，详细考虑了货车模型特有的轮轨接触非线性、止挡间隙非线 性、二系悬挂刚度非线性和楔块摩擦非线性。 图2 - 1 三维货车动力学模型 l 轴箱定位 转k 6 型转向架采用导框式轴箱定位，如图2 2 所示。侧架的导框内插入承 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 载鞍的导槽内。导框和导槽的作用限制了轴箱与侧架之间前后、左右方向的较 大相对位移。 圈2 - 2 嚣k 6 型转同架轴稻定位方式 建模时，考虑到承载鞍与导框的实际作用情况，相对于导框，轴箱在一定 的较小范围内上下、左右移动时，轴箱和导框之间具有一定的摩擦力；为了确 保其移动范围，相对移动范围达到一定值时，导框起止挡的作用，限制了承载 鞍的移动。 2 楔块式摩擦减震器 如图2 - 3 所示，这种减震器具有变摩擦力的特点，摩擦楔块的一边为4 5 。 角，该斜边嵌入摇枕端部的楔形槽中，另一边与铅垂线的夹角为2 5 。，紧压在 侧架立柱的磨耗板上。转向架摇枕的两端各有左右两个摩擦楔块，每个楔块又 坐落在一个双卷弹簧上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 3 转k 6 型转向架二系悬挂方式 建模时，楔块与摇枕、楔块与侧架磨耗板之间通过定义其约束连接关系，并 采用摩擦单元来实现楔块的摩擦减震作用。 需要说明的是，该转向架为三大件式，货车模型结构松散、零部件岁2 m 3 1 ， 合理简化和处理各部件间的运动关系，才能确保模型的正确合理。 货车模型可视为复杂的多刚体、多自由度的系统来处理【2 4 。2 6 】，表2 一l 列出 了模型中各刚体自由度。详细的建模过程参见文献【9 】。 表2 1 模型自由度 刚体纵向横移垂向侧滚点头摇头 车体五y cz c晚 良致 侧架五k z s织 以 鬈 轮对鼠r z 。国。钆 摇枕z 6 楔块凰z 0k 轴箱 眈 轮轨型面及其接触几何关系是车辆动力学性能仿真分析的核心，而钢轨型 面设计是一个复杂的多系统工程，必须针对特定的线路条件设计相应的钢轨型 面2 7 圆】。为设计出符合某重载铁路曲线段实际情况的钢轨型面，我们实测了钢 轨型面，并进行了磨耗统计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 重载铁路曲线磨耗钢轨型面获取与磨耗统计 采用先进轮轨型面测量仪m i n i p r o f 对磨耗钢轨型面进行测量，如图2 - 4 所 示，其测量精度为0 0 i m m 。 图2 4 钢轨型面测量 测量完成后，系统以钢轨的轨项为原点、垂向朝下的坐标为基准( 如图2 - 5 所示) 自动生成5 0 0 - - 8 0 0 点，以表征测试型面。钢轨的数据信息内容包括：轨 顶圆弧半径、数据点数以及测量时间。 图2 - 5 钢轨型面测量基准 图2 - 6 给出了钢轨磨耗量计算原理，具体是：指定基准钢轨型面，对齐测 试钢轨型面及基准钢轨型面，给定对齐角度a 及钢轨侧磨计算位置三参数，就 可以精确计算出钢轨垂向侧磨耗量峭及侧向磨耗量。根据我国铁路相关规 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 范，特设定参数a - - 6 0 0 、三= 1 6 r a m 。 基准钢轨型面 图2 _ 6 钢轨磨耗量计算原理图 2 3 轮轨静态接触几何关系 建立动力学模型，并输入轮对摇头角和轮对横移量( 如图2 - 7 a ) 之后，利 用s i m p a c k 软件强大的轮轨接触几何分析功能，系统将自动输出全面的轮轨 接触几何参数，包括车轮踏面等效锥度、实际滚动圆半径差、左右车轮接触角 差和轮轨接触点位置等，如图2 7 b 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第i i 页 e0 c o n t r o i2 d - p i o l s y a w a n g l ep s i d e g ： 丽而o o 哑o e + 0 0 ，i l a 【e r a ld e v i a t i o nm b 咐x 【m 阿丽可ft 丽可i c o n t a c im o d e l j q u m i e b s t i c j 匡囡 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 b ) 输出系统 图2 7 轮轨接触几何关系分析系统 2 4 本章小结 以车辆系统动力学为基础，应用s i m p a c k 软件，建立重载铁路曲线通过动 力学分析模型，考虑了实测钢轨型面及其轮轨接触几何关系，也考虑了货车系 统各种非线性环节，为重载铁路曲线磨耗钢轨型面的改进设计与分析提供了仿 真手段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章重载铁路曲线磨耗钢轨型面改进设计与分析 设计合理的曲线钢轨型面是提高车辆曲线通过性能、降低轮轨磨耗的有效 措施，不仅能够优化轮轨接触几何关系，降低轮轨动作用力，提高车辆的运行 平稳性和安全性，降低对轨道的动力破坏，还能减缓轮轨磨耗，减小轮轨型面 病害的产生，延长轮轨使用寿命【3 引。但是，型面设计是一个复杂的系统工程， 也是铁路工作者一直不断探索的课题【3 。 由于一种特定钢轨外形只适合一类问题，没有一种适合所有问题的型面设 计方案【4 孓5 0 】。因此需针对不同的钢轨病害( 消除裂纹、波磨，减缓磨耗) ，设计 出不同的钢轨型面。本论文利用第二章建立的动力学分析模型，针对某运煤专 线曲线外轨侧磨严重的问题，详细的设计与分析了内、外轨型面。改进设计时， 选取侧磨为0 9 2 6 m m 的实测钢轨典型型面( 图3 1 ) 为基准型面。 厂 中 轴 线 ( a ) 外轨 ( b ) 内轨 图3 1 磨耗钢轨型面设计基准 、lllll 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 1 外轨型面初步设计 由于侧磨量不大，故最大修改深度不超过3 m m 。根据型面设计深度提出三 种设计方案，再分别对每种型面设计方案进行动力学仿真分析，初步确定出型 面修复范围。 选取轮对冲角作为动力学评价指标对设计型面进行动力学仿真对比分析。 在仿真过程中以内轨基准型面与外轨设计型面进行匹配，且各仿真参数均来自 某重载铁路曲线段：c 7 0 货车以时速5 4 4 k m ( 现场实测平均速度) 通过6 0 0 m 半径曲线( 超高5 3 r a m ，缓和曲线长1 4 0 m ) 。为突出反映型面对轮轨动力学性 能的影响，暂未考虑轨道几何不平顺。 3 1 1 小改方案 图3 2 给出了小改方案外轨型面初步设计路线，以钢轨外侧距中轴线 1 0 r a m ，设计深度为1 5 m m 为基准，外轨内侧修整边界距钢轨中轴线距离分别 为5 m m 、1 0 m m 、1 5 m m 和1 7 5 m m 。 1 。51n 5 。5 。5 厍：一一 一 盟 l 中 轴 线 图3 2 外轨型面小改方案初步设计路线 其动力学仿真结果如图3 3 和图3 - 4 所示，从图中可以看出，钢轨内侧修整 边界距中轴线距离量小于1 5 r a m 时，轮对冲角随修改边界内移而迅速减小，当 修改边界距中轴线距离大于1 5 m m 时，轮对冲角略有增加，从1 6 4 m r a d 增加到 1 6 6 m r a d ，仅增加1 2 。钢轨内侧修整边界距型面中轴线的最佳距离分布在 1 5 r a m 周围，由此可初步确定钢轨内侧修整边界距中轴线距离为l o 1 7 5 m m ， 为进步确定小改方案提供依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 5 2 o 勺 l 1 5 援 殳1 0 靛 辑o 5 o 0 - 0 5 焉 趔 斗 嘣 援 殳 霞 辞 051 01 52 02 53 03 5 时间s 2 2 5 2 0 0 i 7 5 i 5 0 i - 2 5 图3 3 初步设计小改方案轮对冲角 3 1 2 中改方案 基准型面 51 01 51 7 5 钢轨内侧设计界距中轴线距离m m 图3 4 轮对冲角最大值与钢轨内侧设计边界的关系 图3 5 给出了外轨型面中改方案初步设计路线，以钢轨外侧距中轴线 1 0 m m ，2 m m 深度为基准，其内侧设计边界距钢轨中轴线距离与小改方案的设 置相同，分别为5 m m 、1 0 m m 、1 5 r a m 和1 7 5 m m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 5 外轨型面中改方案初步设计路线 动力学仿真结果如图3 6 和图3 7 所示，从图中可以看出，钢轨内侧设计边 界距中轴线距离量小于1 5 m m 时，轮对冲角随设计边界内移而迅速减小，当设 计边界距中轴线距离超过1 5 m m 时，轮对冲角稳定在1 5 3 m r a d 。为了确定出最 佳修改边界，初步确定外轨内侧设计边界距中轴线距离为1 0 1 7 5 m m 之间。 0 51 01 52 02 53 03 5 时间s 图3 - 6 初步设计中改方案轮对冲角 5 0 5 0 5 o 5 2 2 i o o o 薯im嫒是霞刁毒 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 鼍2 2 5 皇 j 磐 斗 2 0 0 嘣 媛 是1 7 5 蕊 袋 1 5 0 1 2 5 基准型面 51 0 1 5 1 7 5 钢轨内侧设计边界距中轴线距离m m 图3 7 轮对冲角最大值与钢轨内侧设计边界的关系 3 1 3 大改方案 图3 8 给出了外轨型面大改方案的初步设计路线，以钢轨外侧距中轴线 1 0 m m ，设计深度2 5 m m 作为基准，其内侧设计边界距钢轨中轴线距离分别为 5 m m 、1 0 m m 、1 5 m m 和2 0 m m 。 图3 8 外轨型面大改方案初步设计路线 其动力学仿真结果如图3 - 9 和图3 1 0 所示，从图中可以看出，在大改方案 中，轮对冲角随设计范围的增加而减小；钢轨内侧设计边界距中轴线距离量小 于1 5 m m 时，轮对冲角随修整边界向钢轨内侧移动而显著减小，从1 9 1 m r a d 减 小到1 5 5 m r a d ，减小了2 7 8 ；内侧设计边界距钢轨中轴线距离从1 5 m m 增加 到2 0 m m 时，轮对冲角略有增加，从1 5 5 m r a d 增加到1 5 6 m r a d ，仅增加了o 6 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 一m t - - - - - _mm- v - - - - - - - _ 一 由此可初步确定设计边界在距中轴线1 5 2 0 m m 之间，为进步确定详细设计大 改方案范围提供依据。 勺 薯 毒 ：g 瑙 媸 是 靛 辩 z 2 5 2 0 0 1 7 5 1 5 0 1 2 5 时间s 图3 - 9 初步设计大改方案轮对冲角 基准型面 51 01 52 0 钢轨内侧设计边界距中轴线距离m m 图3 1 0 轮对摇头角最大值与钢轨内侧设计边界的关系 3 2 外轨型面详细设计 根据3 1 外轨型面初步设计的结果：小改方案、中改方案和大改方案钢轨内 侧设计边界距钢轨型面中轴线距离分别为1 0 一1 7 5 m m 、1 0 1 7 5 r a m 和1 5 2 0 r a m 。 为进一步对外轨型面进行详细设计，采用与初步设计相同的思路，针对不同方 案进一步确定其设计边界，小改和中改方案钢轨内侧修整边界距中轴线距离分 别为1 0 5 r a m 、1 2 m m 、1 3 5 r a m 、1 6 5 m m 和1 7 5 r n m ，如图3 1 1 所示。大改方 5 0 5 o 5 o 5 2 2 i l o 0 0 prb-m嫒定茁辞 _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 案外轨型面详细设计路线如图3 1 2 所示，其钢轨内侧修整边界距中轴线距离分 别为1 3 5 m m 、1 6 5 m m 、1 8 i l 衄和1 9 5 m m 。其动力学仿真结果( 轮轨横向力和 磨耗功) 在各个方案中分别给出并加以分析。 图3 1 l 外轨型面小、中改方案初步设计路线 3 2 1 小改方案 图3 1 2 外轨型面大改方案初步设计路线 型面设计范围初步确定后，按照图3 1 1 的设计路线对外轨型面进行详细设 计，通过对钢轨设计型面进行动力学仿真分析，确定最终设计路线( 选取轮轨 横向力和磨耗功作为评价指标) 。图3 1 3 图3 1 6 给出了其仿真结果。 o z 芒 r 1 0 厢 箨 芸斧。2 0 辑 一3 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 05 时间s 2 0 2 53 03 5 图3 1 3 小改方案轮轨横向力随时间变化 基准型面 1 0 51 2 1 3 5 钢轨内侧设计边界距中轴线距离m m 1 6 51 7 5 图3 1 4 小改方案横向力最大值与钢轨内侧设计边界的关系 凹 勰 歪萼k嚼r叵蜒辞辑 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 3 0 2 5 =2 0 暑 至1 5 蛋 糕1 0 恤 o 5 o o o 5 2 6 茎2 5 z _ j 粤 萋2 4 蚤 耀 岱 2 3 o51 01 52 02 53 03 5 时间s 图3 1 5 小改方案磨耗功随时间变化图 基准型面 1 0 5 1 21 3 51 51 6 51 7 5 钢轨内侧设计边界距中轴线距离n u n 图3 1 6 小改方案磨耗功最大值与钢轨内侧设计边界的关系 由图可见，从基准型面到修整后的型面，轮轨横向力和磨耗功均有一个急 剧降低过程：横向力最大值从基准型面的2 9 4 3 k n 减小到修整型面最大值的 2 7 8 9 k n ：磨耗功从2 5 6 k n m s 减小到2 4 2 k n m s 。外轨内侧设计边界距钢轨型 面中轴线距离小于1 5 m m 时，轮轨横向力和磨耗功随其距离的增加而减小，且 减小速度趋于平缓。在设计边界到型面中轴线距离为1 5 m m 时，轮轨横向力和 磨耗功分别有最小值2 7 1l i e n 和2 3 2 k n m s 。设计边界到型面中轴线距离大于 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 1 5 m m 时，轮轨横向力和磨耗功均有所增加。 综合轮轨横向力和磨耗功的分析结果和减小打磨量的原则，钢轨内侧设计 边界距钢轨型面中轴线的距离最终确定在1 3 5 1 5 m m 之间，为确定最终方案进 一步提供精确数据。 3 2 2 中改方案 图3 1 7 图3 2 0 给出了钢轨型面详细设计中改方案的动力学仿真结果，由 图可见，钢轨型面内侧修改边界到中轴线距离从1 0 m m 增加到1 5 m m 时，轮轨 横向力明显降低，从2 8 1 2 k n 减小至2 6 0 9 k n ，降低了7 2 ；磨耗功从2 4 1 k n m s 降低至2 2 2 k n m s 降低了7 9 。钢轨内侧设计边界到钢轨型面中轴线距离为 1 6 5 m m 时，轮轨横向力和磨耗功分别有最小值2 5 8 2 k n 和2 1 9 k n m s 。钢轨内 侧设计边界距钢轨中轴线距离超过1 6 5 m m 时，轮轨横向力最大值稳定在2 1 k n 左右且磨耗功略有增加。 l o o z _ 太一1 0 叵 颦 薹2 0 3 0 4 0 051 01 52 02 53 03 5 时间s 图3 1 7 中改方案轮轨横向力随时间变化 3 l 3 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 基准型面 1 0 5 1 3 51 6 5 1 7 5 钢轨内侧设计边界距中轴线距离m m 图3 1 8 中改方案横向力最大值与钢轨内侧设计边界的关系 3 o 2 5 ， 2 0 g 重1 j 蛋 糕1 0 脚 o 5 0 0 0 5 o 2 02 53 0 时间s 图3 1 9 中改方案轮轨横向力随时间变化 凹 勰 ” 拍 笛 m z)l，迥k躐r匠颦罨辩 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 2 8 5 2 6 6 g z _ 画2 4 7 + 略 唇2 2 8 耀 雠 2 0 9 1 9 0 基准型面 1 0 51 2 1 3 5 1 5 1 6 51 7 5 钢轨内侧设计边界距中轴线距离r r a n 图3 2 0 中改方案磨耗功最大值与钢轨内侧设计边界的关系 综合轮轨横向力和磨耗功的计算结果和减小打磨量的原则，确定出最终修 改边界：钢轨型面内侧修改边界距钢轨中轴线距离为1 5 1 6 5 r a m 之间，为中改 方案最终设计路线提供更为精确的数据。 3 2 3 大改方案 图3 2 1 图3 2 4 给出了钢轨型面详细设计大改方案的动力学仿真结果，根 据仿真结果可以看出，从基准型面到修改型面，轮轨横向力和磨耗功都大幅度 降低，其中以磨耗功降低趋势最为显著，从基准型面的2 5 6 k n m s 降低至钢轨 内侧修改边界距中轴线距离为1 5 m m 的2 1 9 k n m s ，降低了1 4 5 ；钢轨内侧修 改边界到钢轨型面中心线距离小于1 8 r a m 时，修改型面的轮轨横向力和磨耗功 呈近似线性减小；钢轨内侧修改边界到钢轨中轴线距离大于1 8 m m 时，轮轨横 向力和磨耗功基本保持恒定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 - _ _ - - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - - - _ _ - _ _ - _ - - - - - _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ - - _ - _ - - _ - - - _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ 一m i _ _ _ _ - _ 一 3 2 z 3 0 _ 粤 釜z s r 厅 蜒2 6 条 辞 2 4 2 2 05 1 01 52 02 53 03 5 时间s 图3 2 l 大改方案轮轨横向力随时间变化 基准型面1 51 6 51 81 9 5 钢轨内侧设计边界距中轴线距离m m 图3 2 2 大改方案横向力最大值与钢轨内侧设计边界的关系 m 0 加 加 如 轴 堇r邑颦恭辩 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 0 0 o 5 05 1 01 5 2 0 2 53 03 5 时间s 2 8 2 6 量 互2 4 趔 蓥z 2 督 薏z o 1 8 1 6 图3 2 3 大改方案磨耗功随时间变化 基准型面 1 51 6 51 81 9 5 钢轨内侧设计边界距中轴线距离n a n 图3 2 4 大改方案磨耗功最大值与钢轨内侧设计边界的关系 综合以上对轮轨横向力和磨耗功的仿真结果分析，确定出型面最终实际路 线的修改范围，钢轨型面内侧修改边界距钢轨型面中轴线距离为1 8 1 9 5 m m 。 3 3 外轨型面最终设计 在上述动力学仿真分析和钢轨型面设计的基础上，经过大量设计和动力学 仿真分析，确定了外侧钢轨型面设计的最终方案，表3 2 给出了部分仿真结果， o 5 o 5 o 5 3 2 2 l l 0 i_s色n督罐越 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 其中方案4 为确定的最佳方案，其型面见图3 2 5 。 a ) 小改方案 b ) 中改方案 厂， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 c ) 大改方案 图3 2 5 外轨型面最佳设计方案 表3 。2 最终设计方案动力学仿真结果 a ) 小改方案 轮轨横向力 磨耗功轮对冲角轮对横移量 小改方案 ( 斟) ( k n m - s 1 )( m r a d )( r a m ) 方案1 2 7 3 52 3 81 7 38 0 0 方案2 2 7 0 9 2 3 11 6 47 9 9 方案3 2 7 1 7 2 3 51 6 97 9 9 方案42 7 o l2 2 91 6 27 9 8 b ) 中改方案 轮轨横向力磨耗功轮对冲角轮对横移量 中改方案 ( 蝌) ( k n m - s 。1 )( m r a a )( m m ) 方案1 2 6 1 2 2 2 31 6 0 7 9 6 方案2 2 5 8 72 2 l1 5 67 9 4 方案3 2 6 0 32 2 l1 5 97 9 5 方案4 2 5 8 5 2 2 01 5 5 7 9 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 c ) 大改方案 轮轨横向力 磨耗功轮对冲角 轮对横移量 大改方案 ( 蝌) ( k y i n s 1 )( m r a d )( 蚴) 方案1 2 4 7 12 0 31 5 97 8 7 方案2 2 4 6 41 9 91 5 3 7 8 5 方案3 2 4 6 72 0 l 1 5 77 8 5 方案4 2 4 6 3 1 9 9 1 5 4 7 8 5 3 4 内轨型面设计 选取垂磨量为o 9 0 2m m 的实测钢轨内侧典型型面进行设计，在文献 9 】的基