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我国铁路钢轨型面优化研究.pdf

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    我国 铁路 钢轨 优化 研究
    资源描述:
    我国铁路钢轨型面优化研究 周清跃,刘丰收,俞拮,张金,田常海,张银花 ( 中国铁道科学研究院金属及化学研究所,北京,1 0 0 0 8 1 ) 摘要:针对我国铁路轮轨匹配存在的问题,研发了钢轨打磨设计廓形6 0 D 和新轨头廓形钢轨6 0 N 。 优化后的轨头廓形与L M 、S 1 0 0 2 C N 和L M A 型面车轮接触时的光带基本居中,轮轨接触应力显著降 低,可有效抑制车轮踏面凹磨后等效锥度的增大,提高车辆运行稳定性。高速铁路按廓形6 0 D 打磨 到位,钢轨打磨周期可延长至4 5 # - ,且不易出现动车组构架报警和车体晃车。6 0 N 钢轨在普速铁 路上的铺设使用结果表明,在直线上运行轮轨接触光带居中,在曲线上运行可有效避免或抑制钢轨 使用初期轨距角剥离掉块及疲劳核伤;在高速铁路试验段的铺设使用结果表明,采用1 遍预打磨后钢 轨服役近5 年,光带保持在3 0r a m 左右,从未出现动车组构架报警和车体晃车,可有效改善轮轨匹配 关系,大幅降低轮轨维修养护成本。建议加快新轨头廓形钢轨系列化,以尽快在我国铁路形成统一 的钢轨轨头廓形。 关键词:钢轨;轨头廓形优化;打磨廓形设计;6 0 N 钢轨 中图分类号:U 2 1 3 4文献标识码:A文章编号:1 0 0 1 6 8 3 X ( 2 0 1 7 ) 1 2 0 0 0 7 0 6 D O I :1 0 1 9 5 4 9 j i s s n 1 0 0 1 6 8 3 x 2 0 1 7 1 2 0 0 7 我罢鬈裳星盖淼茹纛轰篓主妻,轨头腓优化设计 在轮轨接触点不在理想区域导致钢轨过早出现 。 轨距角剥离掉块、轨头核伤等疲劳伤损的问题。高速 铁路运营初期,轮轨型面不匹配导致动车组构架横向 加速度报警、车体抖车和晃车等问题。通过轮轨型面 优化来改善轮轨关系已成为我国铁路轮轨关系研究需 要解决的重要问题。全面介绍我国铁路钢轨型面优化 方面的研究及应用情况n 10 1 ,并提出我国钢轨型面发展 的相关建议。 基金项目:铁道部科技研究开发计划项目( 2 0 1 0 G 0 0 6 F ) ;中国 铁路总公司科技研究开发计划项目( 2 0 1 3 G 0 0 8 J 、 2 0 1 5 G 0 0 8 一A 、2 0 1 6 G 0 0 8 一A ) ;中国铁道科学研究院 科技研究开发计划项目( 2 0 1 6 Y J 0 9 2 ) 第一作者:周清跃( 1 9 6 0 一) ,男,首席研究员,博士生导师。 E m a i l :z h o u q i n g y u e 9 3 4 8 0 1 2 6 c o m C H I N AR A l _ W AY2 0 1 7 2 篡燃 1 1 总体目标 ( 1 ) 适应我国铁路1 4 0 轨底坡、13 5 3m m 轮背内侧 距的工况要求。日本、法国和德国高速铁路的轨底坡分 别为1 4 0 、1 2 0 和1 4 0 ,轮背内侧距均为13 6 0 m m 。由于 轨底坡和轮背内侧距直接影响轮轨接触关系,在轨头廓 形优化时要首先考虑我国铁路的实际情况。 ( 2 ) 轮轨接触达到理想状态:在直线上运行时, 轮轨接触在轨头踏面中心区域;当轮缘贴靠钢轨时, 形成共形接触。 ( 3 ) 研发一种轨头廓形,适应我国铁路服役使用的 多种型面车轮。从理论上讲,针对我国铁路运行的4 种型 面车轮( L M A 、S 1 0 0 2 C N 、X P 5 5 和L M ) 对应设计4 种轨头 7 万方数据 廓形钢轨,可以实现比较理想的轮轨匹配;但从可操作 性上讲,具有不同车轮型面的车辆均有可能在同一线路 上运行,设计1 种钢轨轨头廓形适应4 种不同车轮型面最 为有利。因此,轨头廓形优化的总目标是设计研发1 种 新轨头廓形钢轨,在与普通铁路用L M 型面车轮匹配时, 做到显著减少轨距角剥离掉块、轨头核伤等伤损;在与 高速铁路动车组车轮匹配时,特别是与S 1 0 0 2 C N 车轮型 面匹配时,轮轨接触具有合适的等效锥度,以显著改善 车辆动力学性能,减少动车组构架横向失稳,延长车轮 镟修和钢轨打磨周期。从轮轨匹配的几何关系可知,为 使设计的1 种钢轨轨头廓形满足与4 种不同车轮型面理想 匹配的需要,轨头廓形优化时要重点考虑锥度较大车轮 型面的适应性。 ( 4 ) 新轨头廓形钢轨系列化。新轨头廓形优化取 得成功后,在其他轨型上推广使用,最终在我国铁路 形成统一的钢轨轨头廓形。这样便于车轮踏面的进一 步优化,以彻底改善我国铁路的轮轨匹配关系。 1 2 优化途径 ( 1 ) 通过大型养路机械( 简称大机) 打磨形成新 的轨头廓形,解决已上道钢轨的轨头廓形优化问题。 为此研究提出打磨设计廓形。打磨廓形的设计目标是 在最大限度改善轮轨匹配关系的基础上,使钢轨打磨 量最少。因此,打磨设计廓形优化重点是发生轮轨接 触的轨头顶面和轨距角侧部位。 ( 2 ) 直接通过钢厂轧制生产出新轨头廓形钢轨。 在按照对称断面设计新轨头廓形钢轨时,尽量少改动 原有钢轨几何尺寸,尤其要保证轨冠以外的几何尺寸 不变,便于钢轨的铺设和更换,减少对钢轨焊接、养 护和维修的影响。 1 3 钢轨新轨头廓形的提出 为了实现上述目标,在长期跟踪我国铁路钢轨轨头 廓形随线路通过总质量变化规律的基础上,借鉴国外成功 经验并结合我国高速铁路动车组构架报警、车体抖车和晃 车事件的处理经验,通过动力学轮轨接触理论,设计了钢 轨打磨廓形6 0 D 和新轨头廓形钢轨6 0 N ( 见图1 、图2 ) 。 2 优化廓形与现有车轮匹配的仿真计算分析 2 1 新轮新轨匹配仿真计算 文献 1 和文献 9 1 X 寸我国运行的L M A 、S 1 0 0 2 C N 和 一8 一 图1钢轨打磨设计廓形6 0 D ( 虚线所示) 图26 0 N 轨头廓形 X P 5 5 车轮型面,与6 0k g m 钢轨( 简称6 0 钢轨) 标准廓 形、打磨设计廓形6 0 D 和新轨头廓形6 0 N 新轮新轨状态 下的几何接触关系及动力学性能进行计算分析,得出 如下结论: ( 1 ) 6 0 N 、6 0 D 的接触位置比较居中,6 0 D 等效锥 度、接触角差系数最小,侧滚角和重力刚度等指标差 别不大。其中,6 0 N 钢轨与S 1 0 0 2 C N 和L M 型面的等效 锥度分别为0 118 和0 0 9 7 ;6 0 钢轨与S 1 0 0 2 C N 、L M 和 X P 5 5 型面的等效锥度分别为0 1 6 8 、0 0 8 9 和0 0 5 5 。新 轮和新轨匹配时的等效锥度均不大。 ( 2 ) 针对直线和曲线等不同工况条件下,同一类 型车轮与不同轨头廓形钢轨匹配时的动力学参数差别 不大,所有值均在国家标准规定安全限值以内。 甍燃 C H I N At e A | L W AY2 0 1 7 1 2 万方数据 2 2 新轨与服役磨耗车轮匹配仿真计算 文献 9 选取4 组服役磨耗后车轮型面与3 种钢轨型 面( 6 0 、6 0 D 、6 0 N ) 对轮轨匹配关系进行计算分析, 其中2 组磨耗车轮型面为京沪高铁实测车轮磨耗型面, 在踏面处的垂直磨耗量约为0 2 5m m 和0 6 0m m 。另外 2 组车轮来自武广高铁实测车轮磨耗型面,在踏面处的 垂直磨耗量约为0 4 0m m 和0 5 0m m ,4 组服役磨耗后车 轮型面具有一定代表性。对上述1 2 种匹配组合进行非 线性接触几何关系、车辆动力学响应的计算分析,得 出如下结论: ( 1 ) 综合比较4 种磨耗后的车轮与3 种轨头廓形相 匹配时的轮轨非线性接触几何关系计算结果可知,6 0 N 钢轨与4 种磨耗后车轮踏面相匹配时,轮轨接触点集中 度最高,轮对横移量在一1 0 1 0m m 范围内变化时,接 触点基本分布在轨顶踏面中心,轮轨接触等效锥度最 低,可有效抑制车轮踏面凹磨后等效锥度的增大,从 而抑制动车组出现蛇形失稳,提高车辆运行稳定性。 与文献 1 仿真计算结果一致。 ( 2 ) 综合4 种磨耗后车轮与3 种轨头廓形相匹配 时,从脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轨垂向 力、构架横向加速度、车体横向加速度、磨耗指数等主 要动力学指标的对比分析结果可知,4 种磨耗车轮廓形 与6 0 N 钢轨廓形相匹配时的车辆动力学性能最优。 3 优化廓形钢轨的应用 3 1 打磨廓形使用效果 5 1 1 联调联试期间构架横向加速度超限 若联调联试时采用的综合检测车车轮踏面未出现 明显凹磨,即使钢轨未预打磨,一般也检测不到构架 横向加速度超限。但若综合检测车已运行1 5 万k m 以 上、车轮出现明显凹磨,钢轨未打磨或未按设计廓形 打磨到位,则在联调联试期间就会检测到构架横向加 速度超限,导致动车组动力学响应测试不合格。 ( 1 ) 武九客专联调联试期间构架横向加速度超 限。2 0 17 年7 月2 5 日,武九客专联调联试期间,在 2 5 0 2 7 5k m h 速度级上、下行线路多个区段出现构架 横向加速度超限。经查可知,所用C R H 3 8 0 A J 一0 2 0 3 综 合检测车已运行1 7 万k m ,且钢轨未进行预打磨。按中 国铁道科学研究院( 简称铁科院) 设计廓形对钢轨进 C H I N AR A l | W A Y2 01 7 1 2 乏曼釜薏 行打磨后,构架横向加速度数值由未打磨的大于8m s 2 降低至小于3m s 2 ( 见图3 ) 。构架横向加速度评判标 准:采用0 5 1 0 0H z 滤波处理,峰值连续振动6 次以 上且大于等于8m s 2 为不合格。这一例子说明通过预打 磨优化轨头廓形适应动车组轮轨关系的重要性。 图3 武九吾专上行线钢轨打屠前后构架横向加速度最大值对比 ( 2 ) 沪昆高铁联调联试期间构架横向加速 度超限。2 015 年4 月,沪昆高铁联调联试期间, C R H 3 8 0 A J 一0 2 0 2 综合检测车检测出构架横向加速度报 警,典型散点图见图4 。经查可知,所用综合检测车已 运行1 9 万k m ,车轮最大凹磨达1 5m m ;另外钢轨未按设 计廓形打磨到位,与设计廓形相比,轨头露8 0m m 部位出 现欠打磨,误差大于0 2m m ( 见图5 ) 。重新按设计廓 形打磨到位后,构架横向加速度超限消除。等效锥度计 算结果表明:在车轮踏面出现1 5m m 凹磨的情况下,钢 轨打磨未到位,其等效锥度达N o 8 0 ,打磨到位后等效 图4 构架横向加速度随里程分布散点图 9 万方数据 图5沪昆高铁钢轨打膳未至0 位不恿图 锥度下降到O 2 3 ,之后综合检测车未出现横向加速度报 警。该案例说明严格按设计廓形打磨到位的重要性。 自2 0 1 4 年以来,高速铁路钢轨预打磨均采用铁科 院设计廓形,取得了良好效果。 3 1 2 线路开通运行后构架横向加速度超限 ( 1 ) 武广高铁动车组构架横向加速度报警。2 0 1 0 年 2 B ,武广高铁下行汩罗东一长沙南间发生动车组构架 横向加速度超限报警甚至停车,在中国铁路总公司运 输局组织下,铁科院项目组提出通过钢轨打磨改善轮 轨匹配关系的思路,设计了钢轨打磨廓形,按设计廓 形进行钢轨打磨,打磨后动车组构架横向加速度最大 值由打磨前的8m s 2 以上下降到5m s 2 以下;钢轨光带宽 度由打磨前5 5m m 左右、位置偏向轨距角侧,变为光带 宽度2 2m m 左右、位置基本居中,成功治理了武广高铁 动车组构架横向加速度超限报警【3 。6 l 。 ( 2 ) 其他线路构架横向加速度超限和车体晃车。 2 0 1 0 2 0 1 5 年,部分铁路局相关人员对轮轨匹配关 系认识不足,轨距角侧钢轨欠打磨,导致动车组运行 一定时间后等效锥度过大,相继出现了武广、哈大、 京沪等高铁动车组构架横向加速度报警;之后,在中 国铁路总公司运输局组织下,按设计廓形进行打磨修 复,轨头廓形满足设计廓形要求后,动车组构架横向 加速度报警现象消失口“】。2 0 1 4 年底,在总结我国
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