轨道几何状态对高铁钢轨型面磨耗区段轮轨匹配特性的影响.pdf

收稿日期:20220424;修回日期:20220606基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发计划项目(2019YJ161,2021YJ063)作者简介:杨爱红(1976),女,副研究员,1998 年毕业于北京航空航天大学自动控制专业,工学学士,主要从事铁路基础设施检测研究工作,E-mail:13701375499 。第 67 卷 第 11 期2023 年 11 月铁 道 标 准 设 计RAILWAY STANDARD DESIGNVol.67 No.11Nov.2023文章编号:10042954(2023)11003807轨道几何状态对高铁钢轨型面磨耗区段轮轨匹配特性的影响杨爱红1,高 雅1,王永华2,金 明3,张家海2(1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所,北京 100081;2.中国铁路上海局集团有限公司工务部,上海 200071;3.中国铁路广州局集团有限公司惠州工务段,广东惠州 516023)摘 要:为分析某运营速度250km/h 高速铁路直线区段的钢轨磨耗情况及其与轨道几何不平顺共同作用下对轮轨匹配特性的影响,建立车轨系统动力学模型,结合非 Hertz 轮轨滚动接触理论,对比了实测磨耗轮轨型面匹配时,轮轨静态接触的接触点分布、等效锥度以及动态轮对横移量、接触斑面积和最大接触应力的分布特征及其与 CHN60&LMA型面匹配时的差异,进一步研究轨道几何状态对钢轨磨耗区段轮轨接触特性的影响。研究结果表明:磨耗钢轨型面左右股光带宽度和垂磨量均存在差异,左右股钢轨型面对称性差;钢轨磨耗导致轮轨接触点分布较为分散,在轮对横移量较小时,等效锥度较大,在轮对横移量较大时,等效锥度较小;轨道几何不平顺作用下磨耗钢轨型面左股钢轨接触斑面积大于右股钢轨,左股钢轨最大接触应力小于右股钢轨,仿真计算结果与现场测试情况一致;与采用 CHN60 型面相比,采用磨耗钢轨型面轮对的对中能力较差,左右股钢轨接触斑面积减小量的 95%分位数约为 90 mm2,最大接触应力增加量的 95%分位数约为 800 MPa 和 900 MPa,轮轨接触状态不良;应及时开展直线段左右股钢轨光带差异较大、钢轨廓形对称性较差区段钢轨打磨工作,以改善钢轨服役状态,保障轮轨良好匹配。关键词:高速铁路;钢轨磨耗;轮轨型面匹配;车轨系统动力学;轮轨接触中图分类号:U213.2;U238 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.202204240005Influence of Track Geometry on Wheel-rail Matching Characteristics of Rail Wear Section of High-speed RailwayYANG Aihong1,GAO Ya1,WANG Yonghua2,JIN Ming3,ZHANG Jiahai2(1.Infrastructure Inspection Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.Track Maintenance Department,China Railway Shanghai Group Co.,Ltd.,Shanghai 200071,China;3.Track Maintenance Department,China Railway Guangzhou Group Co.,Ltd.,Huizhou 516023,China)Abstract:In order to analyze the rail wear of a high-speed railway with an operating speed of 250 km/h and and its influence on the wheel-rail matching characteristics under the combined action of track geometric irregularity,a dynamic model of the vehicle-rail system is established.Combined with the non-Hertz wheel-rail rolling contact theory,the distribution characteristics of wheel-rail contact points,equivalent conicity,wheelset lateral displacement,contact area,maximum contact stress when the measured worn wheel-rail profile is matched are analyzed.Meanwhile,the differences between them and CHN60&LMA profile matching are compared,and the influence of track geometry on wheel-rail contact characteristics with worn rail profiles is further studied.The result show:There are differences in the light band width and vertical wear of worn rail profiles,and the symmetry of left and right rail profiles is poor;Rail wear leads to distribution dispersion of wheel-rail contact points.When the wheelset lateral displacement is small,the equivalent conicity is large,and when the wheelset lateral displacement is large,the equivalent conicity is small;Under the influence of track irregularity,the contact area of the left worn rail profile is larger than that of the right rail,and the maximum contact stress of the left rail is smaller than that of the right rail.The simulation results are consistent with the field test results;Compared with CHN60 profile,the alignment ability of the wheelset with worn rail profile is poor.The 95%quantile of the contact area reduction of the left and right rail is about 90 mm2,and the 95%quantile of the maximum contact stress increase is about 800 MPa and 900 MPa.The wheel rail contact state is poor;In order to improve the service status of the rail and ensure the appropriate matching of the wheel and rail,the grinding work of the rail in the section with large light band difference between the left and right rails and poor symmetry of the rail profiles shall be carried out in time in the straight line section.Key words:high-speed railway;rail wear;wheel-rail profile matching;vehicle-track dynamics;wheel-rail contact 引言轮轨匹配作为铁路车辆与轨道间的联结纽带,特别是在高速行车条件下,良好的轮轨匹配特性是保持列车安全平稳运行的关键因素1-3。随着列车运营时间的增加,轮轨型面、轨道几何状态等参量逐渐发生变化,使得轮轨匹配关系出现问题4-6,直接影响轮轨系统相互作用,继而影响动车组行车性能。因此,研究运营状态下的轮轨接触几何状态,对合理预测和改善不良的轮轨匹配关系具有重要意义。由于轮轨型面磨耗导致轮轨接触几何产生较大离散性7-10,越来越多的人开始关注轮轨匹配问题,对此学者们进行了大量研究。GAN 等11提出了轮轨接触带宽及其变化率作为高速铁路轮轨接触关系的评价指标;王平等12结合迹线法和有限元理论分析了轮轨磨耗对道岔区轮轨接触关系的影响;孙丽霞等13结合等效锥度、Polach指标、轮轨接触带宽及其变化率等指标对高速铁路新轮新轨和磨耗轮轨型面非线性接触关系进行了综合分析;陈嵘等14结合迹线法和三维非赫兹滚动接触理论,分析了不同轨道参数对道岔区轮轨接触特性的影响;司道林等15通过动车组曲线通过能力分析了轮轨接触面积、轮径差对轮轨匹配特性的影响;徐凯等16通过仿真分析及跟踪测量分析了钢轨型面打磨后轮轨接触特性及磨耗发展情况;肖乾等17分析了轮轨型面磨耗对轮轨接触特性及轨道结构振动特性的影响。本文结合轮轨动力学模型和非 Hertz 滚动接触模型,对某高速铁路高速通过直线区段的轮轨型面的磨耗情况及其匹配特性进行分析,研究轨道几何状态对磨耗钢轨型面轮轨接触特性的影响,以期为钢轨养护维修提供技术参考。1 模型建立1.1 车轨系统动力学模型车轨系统动力学模型由车辆模型和轨道模型组成18,如图 1 所示。其中车辆模型根据多刚体动力学理论建立,车体、转向架、轮对均考虑横移、沉浮、侧滚、点头和摇头自由度,整车考虑 35 个自由度。轨道模型采用有砟轨道,由钢轨、轨枕、道床和联结部件几部分组成,其中钢轨简化为 Euler 梁,考虑横向、垂向和扭转自由度。轨枕简化为刚体,考虑横向、垂向和扭转自由度。道床简化为等效质量块,考虑垂向自由度。车辆模型参照 CRH2 型动车组参数,轨道模型参数见表1,车辆运行速度为 250 km/h。图 1 车辆-轨道耦合模型Fig.1 Vehicle-track coupled model表 1 轨道模型参数Table 1 Track model parameters名称参数轨枕质量/kg340轨下胶垫刚度/(N/m)6.0107轨下胶垫阻尼/(Ns/m)7.5104轨枕间距/m0.6道床密度/(kg/m3)1.9103道床剪切刚度/(N/m)7.84107道床剪切阻尼/(Ns/m)8.0104路基 K30模量/(MPa/m)1.9102路基阻尼/(Ns/m)1.01051.2 轮轨匹配特性计算模型1.2.1 轮轨空间接触模型为了求解轮轨接触几何关系,建立轮轨空间接触计算模型19,如图 2 所示。将任意形状轮轨型面离散为一系列空间曲面点,再将车轮型面潜在接触点投影93第 11 期杨爱红,高 雅,王永华,等轨道几何状态对高铁钢轨型面磨耗区段轮轨匹配特性的影响到钢轨型面所在的平面,通过寻找轮轨间的最小空间法向间隙确定轮轨接触点。图 2 轮轨空间接触模型Fig.2 Wheel-rail spatial contact model1.2.2 非 Hertz 滚动接触模型根据基于虚拟渗透的非 Hertz 接触理论20,通过轮轨型面和两者间的相对压入量来定义轮轨间的虚拟渗透区域,当虚拟渗透区域足够接近真实接触区域时则能够确定接触斑形状,如图 3 所示。根据弹性半空间假设,轮轨间的相对压入量可以表达为p(xl,t,y)=(1)式中,xl,t为接触斑沿滚动方向的前后边界;为虚拟渗透量;为常数。将车轮考虑为一个旋转体,假设法向压力沿车轮滚动方向呈半椭圆分布,则接触斑上的法向压力分布具有以下形式p(x,y)=p0 xl(0)x2l(y)-x2(2)式中,p0为最大接触应力。图 3 轮轨接触区域示意Fig.3 Schematic diagram of wheel-rail contact region2 轮轨型面分析为分析高速铁路钢轨型面磨耗情况,对某运营速度 250 km/h 高铁直线区段每间隔 10 m 选取 1 个测点,共测量得到7 组钢轨型面,如图4(a)和图4(b)所示,其中横坐标正方向一侧为左股钢轨工作边,横坐标反方 向 一 侧 为 右 股 钢 轨 工 作 边。该 区 段 铺 设CHN60 钢轨,轨底坡为 1/20。图 4(c)和图 4(d)给出了与轨底坡为 1/20 的 CHN60 型面相比实测钢轨型面的磨耗情况。通过对比可以看出,左右钢轨磨耗主要分布在轨顶中心外侧(横坐标-25-5 mm)和轨距角(横坐标 2535 mm)处,右轨轨顶垂磨大于左轨,左右轨最大垂磨均出现在轨距角处,最大垂磨量约为 1mm。从图 5 给出的钢轨型面测试现场图片也可以看出,测试区段左右钢轨光带不居中,同一测点左右钢轨光带宽度不一致,左股钢轨光带宽度大于右股钢轨光带宽度。图 4 钢轨型面Fig.4 Rail profiles图 5 钢轨测试现场Fig.5 Pictures of rail measurement为考虑车轮型面磨耗的影响,随机选取某服役里程 6 万 km 的动车组车轮进行测试。图 6 给出了对测试车轮型面进行均值处理后的结果,并以此作为磨耗车轮型面进行后续分析。通过与 LMA 型面对比可以看出,车轮型面磨耗主要位于轮缘处,轮缘厚度明显减小,左右车轮型面磨耗差异不明显。04铁 道 标 准 设 计第 67 卷图 6 测试车轮型面Fig.6 Measured wheel profiles3 轨道几何状态对轮轨匹配特性影响3.1 轮轨接触几何分析图 7 给出了轮对横移量为10 mm 时,磨耗轮轨型面匹配时的轮轨接触接触点分布图像,编号 17 分别对应 7 组测试钢轨型面。由图 7 可知,左右磨耗型面的接触点分布情况产生较大差异,对称性较差,7 组测试钢轨型面接触点分布情况相差不大。与图 8 给出的CHN60&LMA 型面匹配相比,磨耗型面的接触点在轨顶面上分布较为分散,轮轨接触点不再分布在钢轨轨距角处,向轨顶中心处移动。图 7 磨耗轮轨型面接触图像Fig.7 Images of worn wheel-rail profile contact图 9 给出了 CHN60&LMA 型面及磨耗轮轨型面匹配时,等效锥度随轮对横移量变化图像。由图 9 可知,与 CHN60&LMA 型面匹配相比,轮轨磨耗导致轮图 8 CHN60&LMA 型面接触图像Fig.8 Image of CHN60&LMA profile contact对小横移量时的等效锥度较大,大横移量时的等效锥度较小,且在计算横移量范围内没有出现轮缘接触。图 9 等效锥度图像Fig.9 Image of conicity图 10 实测轨道不平顺Fig.10 Measured track irregularity3.2 轮轨滚动接触特性分析将钢轨型面测试区段的轨道不平顺作为激励输入,如图 10 所示,结合动力学模型分析轨道几何状态对磨耗前后轮轨滚动接触特性的影响。图 11 给出了磨耗轮轨型面和 CHN60&LMA 型面匹配时一位轮对横移量和轮轨法向力。通过对比可以看出,磨耗型面轮对横移量幅值为 7 mm,CHN60&LMA 型面轮对横移量幅值为 4 mm,磨耗型面轮对横移量幅值大于CHN60&LMA 型面,且轮对偏向一侧不对中。磨耗型14第 11 期杨爱红,高 雅,王永华,等轨道几何状态对高铁钢轨型面磨耗区段轮轨匹配特性的影响面和 CHN60&LMA 型面左右股轮轨法向力差异不明显。图 11 轮轨动力响应Fig.11 Wheel-rail dynamic responses图 12 给出了 7 组磨耗型面和 CHN60&LMA 型面一位轮对左右股接触斑面积和最大接触应力图像。由图 12 可知,7 组磨耗钢轨型面轮轨滚动接触特性差异较小,但左右股钢轨接触斑面积和最大接触应力明显不同。其中左股钢轨接触斑面积最小值为 70 mm2,最大值为 120 mm2;右股钢轨接触斑面积最小值为 65mm2,最大值为105 mm2。左股钢轨最大接触应力最小值为 250 MPa,最大值为 2 650 MPa;右股钢轨最大接触应力最小值为 450 MPa,最大值为 2 720 MPa。磨耗钢轨型面左股钢轨接触斑面积大于右股钢轨,左股钢轨最大接触应力小于右股钢轨。CHN60&LMA 型面左右股钢轨接触斑面积和最大接触应力差异较小,其中接触斑面积最小值为 120 mm2,最大值为 170 mm2;最大接触应力最小值为 400 MPa,最大值为 1 650 MPa。图 12 轮轨滚动接触图像Fig.12 Images of wheel-rail rolling contact图 13 给出了与 CHN60&LMA 型面相比,磨耗型面接触斑面积减小量和最大接触应力增加量的累计分布图像。可以看出,左股钢轨接触斑面积减小量的50%分位数约为30 mm2,90%分位数约为70 mm2,95%分位数约为 90 mm2;右股钢轨接触斑面积减小量的24铁 道 标 准 设 计第 67 卷图 13 累计分布图像Fig.13 Images of cumulative distribution50%分位数约为45 mm2,90%分位数约为80 mm2,95%分位数约为 90 mm2。左股钢轨最大接触应力增加量的 50%分位数约为 250 MPa,90%分位数约为 500MPa,95%分位数约为 800 MPa;右股钢轨最大接触应力增加量的 50%分位数约为 450 MPa,90%分位数约为 750 MPa,95%分位数约为 900 MPa。由此可见,与采用 CHN60&LMA 型面相比,采用磨耗钢轨型面轮对对中能力相对较差,接触斑面积明显减小,最大接触应力显著增加,轮轨匹配状态较差。4 结语(1)实测钢轨型面磨耗主要出现在轨顶面和轨距角处,左股钢轨光带宽度大于右股钢轨,右股钢轨轨顶垂磨大于左股钢轨,左右股钢轨型面对称性较差。(2)实测钢轨型面磨耗导致轮轨接触点分布较为分散,且较 CHN60&LMA 型面在轮对横移量较小时,等效锥度偏大,在轮对横移量较大时,等效锥度偏小。(3)叠加轨道几何不平顺作用下,同一断面两股钢轨处的轮轨滚动接触行为差异显著,左股钢轨接触斑面积大于右股钢轨,左股钢轨最大接触应力小于右股钢轨,仿真计算结果与现场测试情况一致。(4)考虑轨道几何状态影响时,采用磨耗钢轨型面轮对的对中能力较差,与采用 CHN60 型面相比运行时轮轨横移量幅值增加,接触斑面积显著减小,最大接触应力显著增加,左右股钢轨接触斑面积减小量的95%分位数约为 90 mm2,最大接触应力增加量的 95%分位数约为 800 MPa 和 900 MPa,轮轨接触状态不良。(5)应及时开展直线段左右股钢轨光带差异较大、钢轨廓形对称性较差区段钢轨打磨工作,以改善钢轨服役状态,保障轮轨良好匹配。参考文献:1 王开云,翟婉明.提速和高速铁路曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配研究J.中国铁道科学,2014,35(1):142-144.WANG Kaiyun,ZHAI Wanming.Study on Performance Matching of Wheel-rail Dynamic Interaction on Curved Track of Speed-raised and High-speed RailwaysJ.China Railway Science,2014,35(1):142-144.2 侯茂锐,刘丰收,胡晓依,等.我国典型高速铁路轮轨型面变化规律及匹配特性J.中国铁道科学,2020,41(4):99-107.HOU Maorui,LIU Fengshou,HU Xiaoyi,et al.Typical Wheel-rail Profile Change and Matching Characteristics of High-speed Railway in ChinaJ.China Railway Science,2020,41(4):99-107.3 任德祥,陶功权,温泽峰,等.地铁曲线段非对称轨底坡对轮轨匹配特性的影响J.中国铁道科学,2021,42(3):37-46.REN Dexiang,TAO Gongquan,WEN Zefeng,et al.Influence of Asymmetric Rail Cants in Metro Curves on Wheel/Rail Matching CharacteristicsJ.China Railway Science,2021,42(3):37-46.4 干锋,戴焕云,高浩,等.铁道车辆不同踏面等效锥度和轮轨接触关系计算J.铁道学报,2013,35(9):19-24.GAN Feng,DAI Huanyun,GAO Hao,et al.Calculation of Equiva-34第 11 期杨爱红,高 雅,王永华,等轨道几何状态对高铁钢轨型面磨耗区段轮轨匹配特性的影响lent Conicity and Wheel-rail Contact Relationship of Different Railway Vehicle TreadsJ.Journal of the China Railway Society,2013,35(9):19-24.5 孙善超,王成国,李海涛,等.轮/轨接触几何参数对高速客车动力学性能的影响J.中国铁道科学,2006(5):93-98.SUN Shanchao,WANG Chengguo,LI Haitao,et al.Analysis of Wheel/Rail Contact Geometric Parameters Effect on the Dynamic Be-havior of High-speed Passenger Car J.China Railway Science,2006(5):93-98.6 钱瑶,王平,苏谦,等.轨底坡对高速铁路轮轨接触行为影响分析J.铁道工程学报,2018,35(3):18-25.QIAN Yao,WANG Ping,SU Qian,et al.Effect Analysis of Rail Cant on the Wheel-rail Contact Behavior of High-speed RailwayJ.Journal of Railway Engineering Society,2018,35(3):18-25.7 柴雪松,罗林.提速区段直线钢轨交替不均匀侧磨的成因及其影响J.铁道学报,2002(3):49-56.CHAI Xuesong,LUO Lin.Study on the Reason and Influence of Rail Alternate Uneven Side Abrasion in Tangent Track of Rapid LineJ.Journal of the China Railway Society,2002(3):49-56.8 ZACHER M,NICKLISCH D,GRABNER G,et al.A Multi-national Survey of the Contact Geometry between Wheels and RailsJ.Pro-ceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part F:Journal of Rail and Rapid Transit,2015,229(6):691-709.9 吕岩治,张军,牛岩,等.高速铁路轮轨型面匹配理论分析与试验研究J.铁道建筑,2021,61(4):111-115.LYU Yanzhi,ZHANG Jun,NIU Yan,et al.Numerical Simulation and Experimental Analysis of Wheel Rail Profile Matching for High Speed RailwayJ.Railway Engineering,2021,61(4):111-115.10 麦国耀,戴焕云.轮轨匹配对高速列车动力学性能的影响J.计算机辅助工程,2013,22(6):37-43.MAI Guoyao,DAI Huanyun.Effect of Wheel-track Matching on Dy-namics Performance of High Speed TrainJ.Computer Aided Engi-neering,2013,22(6):37-43.11 GAN F,DAI H Y,GAO H,et al.Wheel-rail Wear Progression of High Speed Train with Type S1002CN Wheel Treads J.Wear,2015,328/329:569-581.12 王平,刘哲.轮轨磨耗对岔区轮轨接触行为的影响J.铁道工程学报,2016,33(1):46-51.WANG Ping,LIU Zhe.Effects of Wheel and Rail Wear on Wheel/Rail Contact Behavior in Turnout ZoneJ.Journal of Railway Engineering Society,2016,33(1):46-51.13 孙丽霞,李晓峰,胡晓依,等.高速动车组车轮磨耗对轮轨接触关系及车辆动力学性能的影响J.中国铁道科学,2020,41(6):117-126.SUN Lixia,LI Xiaofeng,HU Xiaoyi,et al.Influence of Wheel Wear on Wheel-rail Contact Relationship and Vehicle Dynamic Performance of High-speed EMUJ.China Railway Science,2020,41(6):117-126.14 陈嵘,方嘉晟,汪鑫,等.车轮型面演变对高速道岔区轮轨接触行为影响分析J.铁道学报,2019,41(5):101-108.CHEN Rong,FANG Jiasheng,WANG Xin,et al.Influence of Wheel Profile Evolution on Wheel-rail Contact Behavior in High-speed Turn-out AreaJ.Journal of the China Railway Society,2019,41(5):101-108.15 司道林,王树国,杨东升,等.动车运用所内小半径曲线段轮轨型面匹配特性J.铁道建筑,2021,61(11):131-134.SI Daolin,WANG Shuguo,YANG Dongsheng,et al.Wheel-rail Pro-file Matching Characteristics of Small Radius Curve Section in High Speed Train Maintenance Depot J.Railway Engineering,2021,61(11):131-134.16 徐凯,李芾,李金城,等.钢轨打磨对动车组轮轨匹配及磨耗影响研究J.铁道学报,2020,42(3):42-46.XU Kai,LI Fu,LI Jincheng,et al.Research on Influence of Rail Grinding on EMU Wheel-rail Matching and WearJ.Journal of the China Railway Society,2020,42(3):42-46.17 肖乾,高雪山,昌超.钢轨打磨处理对轮轨型面匹配及轨道振动响应特征影响J.铁道学报,2021,43(2):125-133.XIAO Qian,GAO Xueshan,CHANG Chao.Influence of Rail Grind-ing on Wheel-rail Profile Matching and Track Vibration Response CharacteristicsJ.Journal of the China Railway Society,2021,43(2):125-133.18 XIAO X,JIN X,WEN Z.Effect of Disabled Fastening Systems and Ballast on Vehicle DerailmentJ.Journal of Vibration and Acous-tics,2007,129(2):217-229.19 SHI J,GAO Y,LONG X Y,et al.Optimizing Rail Profiles to Im-prove Metro Vehicle-rail Dynamic Performance Considering Worn Wheel Profiles and Curved TracksJ.Structural and Multidiscipli-nary Optimization,2021,63(1):419-438.20 PIOTROWSKI J,KIK W.A Simplified Model of Wheel/Rail Contact Mechanics for Non-Hertzian Problems and Its Application in Rail Ve-hicle Dynamic Simulations J.Vehicle System Dynamics,2008,46(1/2):27-48.44铁 道 标 准 设 计第 67 卷