为研究普速铁路12号单开道岔在列车载荷下关键区域的动力学响应特征,结合岔区动力学性能的特点,对渝怀铁路一组普速道岔进行现场试验,通过在道岔转辙器区尖轨、导曲线部分和辙叉区叉心位置布置测点,利用动态响应采集系统采集应力-应变和振动加速度信号,并通过轮轨力标定系统反演轮轨作用力,从时域和频域两方面揭示轮轨作用力和振动加速度响应特征.试验结果表明,列车机车通过道岔转辙器区和辙叉区时会产生轮轨作用力和振动加速度峰值,其中直向过岔时辙叉区轮轨垂向力峰值约为150 kN,叉心处垂向振动加速度峰值约为400 m/s2,主频为295 Hz,振动能量较为集中;侧向过岔时转辙器区轮轨横向力峰值约为70 kN,尖轨处横向振动加速度峰值约为60 m/s2,主频不明显,振动能量在频域内分布较分散,叉心处振动加速度主频集中在450～500 Hz内.脱轨系数呈现先降低后升高的趋势,最大值为0.64,出现在转辙器区.

提出了一种基于多维度指标综合最优的钢轨打磨目标廓形设计方法,该方法通过对车辆稳定性、曲线导向性、轮轨接触特性曲线平滑性和轮轨接触点均布性等4个指标进行综合考虑,基于轮轨接触特性的逆向求解方法,实现轮轨接触特性曲线的自动优化和钢轨打磨目标廓形的计算机智能化设计.太原铁路局北同蒲线打磨应用结果表明,打磨后钢轨光带位置和实测车轮在钢轨上的接触位置分布更为合理,轨面疲劳伤损和波磨等病害得到了有效控制,同时钢轨磨耗速率下降20％～45％,证明了该设计方法的有效性.

针对贵广(贵阳—广州)高速铁路某型动车组服役过程中出现严重车体异常晃动的问题,通过对晃车区段线路钢轨廓形、车轮踏面的几何尺寸进行测量,结合晃车时车体横向振动加速度的测试结果,研究晃车原因,提出整治措施,并对整治效果进行测试验证.结果表明:车轮踏面磨耗位置异常,导致轮轨匹配等效锥度和接触角差偏低,激发了车体的下心滚摆模态,引起动车组发生一次蛇行,车体出现异常晃动;车轮踏面镟修、更换车轮踏面研磨子后,车轮踏面磨耗区域趋于正常,轮对接触角差未出现正负交替现象,轮对踏面对中能力得到较大提升,横向平稳性及舒适度得到极大改善,较好地解决了该型动车组车体异常晃动的问题.

根据我国铁路运营现状,基于经典赫兹接触理论和Paris疲劳裂纹扩展理论,建立车轮荷载作用下钢轨疲劳裂纹扩展预测有限元数值分析模型,分别研究打磨深度、初始裂纹扩展角度、裂纹界面间摩擦系数等因素对钢轨打磨后轨面疲劳裂纹扩展的影响.结果表明,裂纹尖端复合强度因子和裂纹扩展速率随打磨深度的增加而减小,钢轨打磨对轨面疲劳裂纹扩展具有抑制作用;随初始裂纹扩展角度增加,钢轨打磨后的轨面裂纹尖端复合强度因子和裂纹扩展速率总体呈上升趋势;钢轨打磨后裂纹尖端复合强度因子和裂纹扩展速率随裂纹界面间摩擦系数增加而降低.研究的相关结论可为钢轨打磨管理及轨面疲劳裂纹控制提供有益参考.

为了研究钢轨磨耗和疲劳裂纹萌生寿命与钢轨硬度的关系,基于Archard磨耗模型和临界平面法疲劳裂纹萌生预测模型,结合磨耗和型面变化分段迭代和疲劳损伤累积,提出了钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗共存预测方法;对4种不同硬度钢轨的磨耗发展、疲劳损伤累积以及疲劳裂纹萌生寿命进行研究.结果表明:该方法预测的裂纹萌生寿命与现场观测结果有较好的吻合性;高硬度钢轨可以降低磨耗、延长疲劳裂纹萌生寿命,适合在小半径曲线上应用;4种硬度的钢轨中,钢轨硬度每提高10 HBW,平均磨耗发展率将降低约3％～6％,疲劳裂纹萌生寿命延长约9％～12％;对比U78CrV/U76CrRE热轧钢轨,U78CrV热处理钢轨的平均硬度值增加了17.9％,磨耗发展率降低了约19.8％,疲劳裂纹萌生寿命延长了约57.7％;在轮轨摩擦系数为0.3时,4种钢轨的疲劳裂纹均萌生于轨面1.0～2.5 mm以下的亚表面范围内,距离轨顶中心15～18 mm.

基于个性化钢轨廓形打磨技术的现场应用案例,分析了钢轨打磨对铁路运营物资使用的影响.结果表明,个性化钢轨廓形打磨技术的应用可有效减少钢轨磨耗、波磨和疲劳伤损等病害的产生和发展,大幅提高钢轨使用寿命和线路基础的稳定性,有利于钢轨、轨距拉杆、胶垫、弹条等铁路常用物资的节省和管理.

对钢轨廓形打磨的实施流程进行了阐述,并对目标廓形设计、打磨模式设计和结果验收评价等关键环节进行了分析,提出了各环节设计方法,开发了相关计算机智能设计程序,基于实际案例,对现场实施效果进行了观测分析.结果表明,对钢轨打磨各关键环节设计方法的优化可大幅提升钢轨打磨作业的针对性;计算机智能化设计程序的开发可大幅提升钢轨打磨方案的设计效率和实施精度;昆明铁路局广通至大理铁路线采用智能化设计方法打磨后,小半径曲线钢轨和机车轮缘严重磨耗问题得到了有效解决,现场试验与理论分析结果基本吻合.

根据地铁曲线地段钢轨打磨前后实测廓形建立了实参数动力学模型并进行仿真计算,结合现场实测数据,对打磨效果进行了量化分析.研究表明,钢轨打磨后车体横向和垂向振动加速度有效值相对打磨前分别降低了7％、2％,从而提高了曲线地段地铁车辆运行的平稳性;钢轨廓形打磨可以使脱轨系数降低5％～30％,横向蠕滑力减小5％～40％,磨耗指数降低10％～50％,从而提高了车辆运行的安全性,降低了钢轨表面病害发生率和磨耗速率.通过打磨后现场观测发现,打磨区段钢轨垂磨速率相对非打磨区段降低了30％～40％,表明钢轨廓形打磨可以有效降低钢轨磨耗速率.

针对成贵客专某型动车组出现的异常抖动问题,现场对动车组异常抖动区段的轨面状态、钢轨廓形进行调查,结合轨面状态、实测车轮踏面及实测发生抖车工况的动车组车体加速度测试结果,从轮轨关系角度分析动车组发生异常抖动的原因.成贵客专动车组出现异常抖动主要发生在车站道岔区段,原始廓形为60轨,长期未进行廓形修整导致钢轨廓形不良、轨头扁平,与实测磨耗车轮匹配时锥度过大,引起轮轨关系恶化,蛇行运动能量急剧增大.通过廓形打磨,钢轨廓形得到有效修复,钢轨光带分布合理,轮轨关系得到有效改善,动车组异常抖动问题得到有效解决.

某有砟客运专线开通一段时间后出现周期性钢轨低塌不平顺、线路高低和轨枕空吊等现象,导致轨道质量指数(TQI)增大,人工维修成本大幅上升.轨面低塌位置分布在距焊缝大里程方向2.2～2.8 m,光带加宽6～10 mm,低塌和正常位置钢轨廓形存在明显差异.建立实参数车辆-轨道耦合系统动力学模型,结合TQI变化和线路调查数据,分析线路高低产生的形成机理.综合考虑问题特征、形成机理及不同类型打磨作业特点,创新性采用小机打磨、快速打磨和传统打磨多种作业相结合的打磨整治方案.打磨后周期性钢轨低塌不平顺和廓形差异基本消除,光带宽度均匀、位置居中,钢轨打磨质量指数(GQI)显著提升,轮轨垂向力和车体垂向振动加速度大幅降低、周期性消除;同时TQI保持稳定,人工维修成本大幅降低.该客运专线钢轨周期性不平顺问题得到的综合整治经验,为有砟客运专线同类问题的准确定位和有效解决提供参考思路.

综述了钢轨打磨技术国内外起源以及发展现状,对现阶段钢轨打磨技术的分类进行了介绍,重点介绍了曲线和直线钢轨的打磨策略制定原则;对钢轨廓形设计的主要原则进行了归纳总结;分析研究了打磨作业中打磨量的主要影响因素;提出了钢轨打磨应根据打磨前实际钢轨使用状态,在满足目标廓形、保证打磨深度和消除病害的前提下,使打磨切削量最小;最后对今后钢轨打磨技术研究重点进行了展望.

针对北京地铁某半径350m曲线段钢轨严重波磨和疲劳伤损的问题,采用个性化钢轨廓形打磨方法对其实施了打磨.打磨后利用实测车轮踏面、实测钢轨廓形、车辆及线路实际参数建立了车辆多刚体系统动力学模型,对打磨前后轮径差、轮轨接触几何关系、接触应力和磨耗指数等关键动力学参数进行了分析;在打磨后6个月时,对该曲线段的钢轨光带、波磨和疲劳伤损等进行了跟踪观测.仿真结果和观测结果表明:实施个性化钢轨廓形打磨后,各项车辆动力学指标明显改善,波磨超限率减少了80％以上、峰峰值最大降低90％,钢轨波磨和疲劳伤损发展得到明显抑制,光带宽度和位置保持良好,仿真结果与现场实测数据吻合良好.说明个性化廓形打磨可有效整治地铁小半径曲线钢轨波磨和疲劳伤损问题,延长钢轨使用寿命.

为研究轨道磨损演变及对车辆动力学性能的影响,基于SIMPACK多体动力学软件建立车辆-轨道系统动力学模型,利用FASTSIM算法和Lewis磨损模型,计算通过总重10～50 Mt对钢轨造成的磨损,并比较和分析钢轨磨损对车辆动态性能的影响,分析结果表明:车辆通过小半径曲线时60 N轨上股侧磨量较大,但随通过总重的增加,60轨的侧磨速率增长较快;60 N轨下股轨具有较大的顶垂磨量和较快的垂磨速率,整体垂磨速率随通过总重的增大而降低;钢轨磨耗对轮重减载率和轮轨垂向力影响很小,但对60轨的脱轨系数和轮轨横向力影响较大;钢轨侧磨导致轮对横移量增大,并对60轨的轮轨冲角产生较大的影响.

在广深线部分大半径曲线区段和直线区段,钢轨内侧存在明显的侧磨,且动车组水平加速度频繁超限.通过对钢轨侧磨区段发生异常晃动车体的前后端、左右侧加速度进行测试,结合侧磨区段钢轨廓形的测量结果,可以判断出在该型动车组频繁水平加速度超限区段存在不良轮轨接触关系.采用SIMPACK动力学分析软件建立该型动车组单轮对、转向架、整车的动力学模型,分析了自由轮对仿真模型和弹性定位、完全刚性定位转向架仿真模型采用广深线打磨前后实测钢轨踏面时蛇行频率与车体固有频率的仿真结果.分析结果表明:当动车组以160 km/h左右速度运行在打磨前实测廓形区段时,转向架蛇行频率与车体横向固有频率相同,造成车体平稳性和舒适性严重恶化;钢轨廓形打磨以后,改善了轮轨匹配关系,车载仪超限数量、添乘仪报警个数、轨检指标较打磨前均得到明显改善.

基于现场观测和相关动力学仿真分析结果对普速铁路直线钢轨轨距角接触问题进行了分析.基于个性化钢轨廓形打磨技术提出了解决方案,并对实施效果进行了跟踪观测.结果表明,左右车轮非对称磨耗引起的横移量和受力状态、钢轨廓形内侧偏低导致的自对中能力不足分别是车轮和钢轨廓形角度易导致轨距角接触的主要原因.由于普速铁路货车车轮状态不尽理想,因此通过钢轨廓形打磨只能减小接触的概率,较难完全根除.将钢轨廓形与实测车轮的接触位置分布情况预测作为钢轨打磨目标廓形设计结果校核条件之一时可有效优化轮轨接触位置,进而缓解轨距角接触问题.

Rail wear, rolling contact fatigue and other diseases will reduce the rail life, increase maintenance costs and even threaten vehicle safety. In order to explore the impact of rail profile optimization on vehicle dynamic performance, 3 kinds of vehicle dynamics models for locomotive, passenger car and freight car were established, and optimized a section of the domestic small radius curve rail profile, compared the wheel-rail relationship by minimum distance search method and calculated the dynamic curve passing performance of the vehicle by dynamic simulation software Simpack. The results showed that: the contact range on high rail of the curve was reduced from 47 mm to 28 mm after rail profile optimization, the contact probability at track distance was significantly lower than before, and rail side grinding was obviously decreased; the wheel-rail contact points on the low rail were concentrated on the top of track after optimization which could avoid full light strip phenomenon; rail profile optimization could decrease the wheel rail lateral force by 3.3%-21.1%, and decrease lateral wheelset force by 6.9%-21.9%, but the effect of wheel rail vertical force was not obvious; rail profile optimization could reduce the rate of wheel load reduction, derailment coefficient and wear power, improve vehicle running safety.

本文选取某线路磨损较为严重的400 m半径曲线钢轨作为研究对象,采用多体动力学软件UM建立车辆-钢轨耦合动力学模型,不考虑钢轨打磨前后的轨面平顺性,研究分析新轨及打磨前后旧轨廓形与全新车轮LMa车轮踏面接触时车辆动力学特性.结果表明:当横移量大于7 mm时,新轨等效锥度最大,打磨后旧轨等效锥度较打磨前小,车辆通过小半径曲线性能有所降低,但同时也将减小轮轨横向力,减小轮轨磨耗;较打磨前旧轨,打磨后旧轨与LMa车轮踏面接触时,踏面接触斑内纵向蠕滑率最大值分别减小15.07％、2.82％,左右股横向蠕滑率最大值分别减小4.48％、4.69％,左右股磨耗功最大值分别减少18.06％、9.04％;打磨后旧轨轮对横向/垂向加速度变化时域图与新轨几乎重合,且最大值较打磨前分别降低4.46％、19.05％,车辆运行平稳性得到提升;打磨后轨面状态得到改善,剥离掉块得到较好整治,波浪形磨耗得到较好处理,车辆运行品质得到改善.

以一城际高速铁路存在钢轨擦伤的区段为研究对象,对擦伤钢轨的表面状态进行现场测量,并基于SIMPACK动力学分析软件建立该线路运行的某型动车组的整车动力学模型,分析在直线和曲线工况下擦伤模型与无擦伤模型对车辆动力学性能的影响.结果 表明:钢轨擦伤对于车辆的平稳性有一定影响,但影响程度较小;钢轨擦伤对安全性的影响与车速有关,当运行速度小于200 km/h时,钢轨擦伤对安全性影响较小;当运行速度大于200 km/h时,钢轨擦伤对安全性影响较大,尤其是轮重减载率和脱轨系数在速度大于200 km/h时会发生超限现象,动车组通过擦伤钢轨时安全性指标波动性较大;钢轨擦伤对动车组的整车磨耗指数影响较大,钢轨擦伤以后会极大地缩短轮轨的使用寿命.

通过建立车辆道岔动力学模型,分析横风、轨道复合不平顺、轮轨廓形等因素对高速道岔行车平稳性的影响.分析结果表明:横风风速对高速道岔行车平稳性影响比较显著,以车体横向加速度维修限值为限,横风临界速度约为 10 m/s;时速250km时50～70m波长轨道复合不平顺对高速道岔行车平稳性影响较大,轨道复合不平顺偏差限值约为9mm;凹形磨耗车轮工况下车体横向加速度较标准车轮工况下增加 141.9％,通过改变钢轨廓形可以将凹形磨耗车轮工况下车体横向加速度最大降低 18.7％.运用该分析结果,解决了南广线桂平站 12号道岔频繁出现车体横向加速度超限的问题,为高速道岔的维修保养提供了较好的理论支撑.

钢轨廓形打磨能有效延长钢轨使用寿命,打磨过程中的一个重要步骤是从多个实测钢轨廓形中选取或计算一个代表廓形,与目标廓形对比后对打磨电机磨石角度进行排列安排.针对实测钢轨廓形数据中均存在的周期性或偶发脉冲干扰问题,利用Savitzky-Golay平滑法能很好地保持曲线形状,同时又达到较好的平滑效果.基于轮轨接触几何关系及接触点位置的概率分布,分析采用算术平均、加权平均、最小二乘距离法和散点拟合法计算得到的钢轨代表廓形与实测钢轨廓形组的轮轨接触点分布曲线相关性.结果 表明:无论是在直线还是曲线区段,算术平均法的结果均最贴近实测数据结果,其次是散点拟合法的结果,加权平均、最小二乘距离法的结果相符程度较低.