王敬

国能朔黄铁路发展有限责任公司， 河北 肃宁 062350

朔黄铁路作为中国西煤东运的重要能源动脉，2020—2022 年连续三年实现年运量突破3 亿t。较大的通过总质量导致曲线钢轨磨耗、钢轨表面病害快速发展，严重影响行车安全。重载铁路小半径曲线区段钢轨病害快速发展的问题受到国内外专家的广泛关注，并进行了大量研究。加拿大国铁由于重载钢轨严重磨耗，导致经常发生脱轨事故［1］。美国重载列车因车轮严重凹磨，车轮与钢轨的冲击振动增大，影响列车运行平稳性［2］。重载列车轮轨作用力大，易使钢轨病害快速发展，不仅增大了线路维护工作量，对治理、抑制病害发展，延长钢轨使用寿命的研究也提出了严峻的挑战。Telliskivi 等［3］研究了磨耗状态下轮轨接触问题。王开云等［4］对小半径曲线线路轮轨动态相互作用问题进行了分析，发现实际磨耗后的轮轨型面更易加剧钢轨侧磨，降低钢轨使用寿命。崔大宾等［5］研究提出一种重载铁路上轮轨接触应力水平较小的钢轨打磨目标廓形，有助于延长钢轨使用寿命。郭战伟［6］提出通过钢轨打磨消除或减弱轮轨蠕滑，以延长钢轨使用寿命。2013 年以来，中国铁路系统引进国外先进经验，结合国内线路和车辆的实际情况提出了个性化钢轨廓形设计打磨方法［7］，通过实施钢轨打磨去除钢轨疲劳损伤，改善轮轨关系，减小轮轨蠕滑，减小接触应力，以控制钢轨滚动接触疲劳发展，降低钢轨磨耗速率，达到延长钢轨使用寿命的目的［8-9］。

目前对于重载铁路钢轨打磨周期尚无有效数据支持的研究。根据朔黄铁路小半径曲线线路现场调研情况，打磨后钢轨表面疲劳病害得以有效去除，钢轨磨耗明显减缓，但一段时间后钢轨病害再次出现且快速发展。本文通过分析钢轨廓形、磨耗、轨面病害发展情况及车辆动力学指标变化，研究朔黄重载铁路半径400 m曲线线路钢轨打磨周期。

1 钢轨廓形变化及磨耗发展

采用GMC-48K 型打磨车对朔黄重载铁路半径400 m 曲线线路进行2 次修理性打磨，每次打磨10 遍，每遍打磨量为0.1 mm。采集了打磨前后的钢轨廓形，根据测量时间依次编号1#—9#，见图1。第一次测量时的通过总质量记为0，各廓形的测量时间及测量时的车通过总质量见表1。

表1 列车通过总质量与钢轨廓形编号的对应关系

图1 打磨前后钢轨廓形变化

钢轨磨耗变化曲线见图2。以上股钢轨侧面磨耗为例进行分析。可知：①第一次打磨前磨耗速率为0.077 mm/Mt；第一次打磨后，通过总质量M= 50 ～ 85 Mt（2#廓形到3#廓形）期间为0.024 mm/Mt，较打磨前降低了68.8%；M= 85 ～ 115 Mt（3#廓形到5#廓形）期间为0.138 mm/Mt，为打磨前的1.79倍。②M= 115 ～ 137 Mt（5#廓形到6#廓形）期间磨耗速率为0.116 mm/Mt；第二次打磨后，M= 137 ～ 150 Mt（6#廓形到7#廓形）期间为0.045 mm/Mt，较打磨前降低了61.2%；M= 180 ～200 Mt（8#廓形到9#廓形）期间为0.091 mm/Mt，约为打磨前的78.4%。

图2 钢轨磨耗变化曲线

2 钢轨表面疲劳损伤发展

打磨前后半径400 m 曲线线路上下股钢轨表面状态见图3。可知：第二次打磨前，5#廓形表面存在严重的鱼鳞纹、掉块病害，轨面掉块深度约0.6 mm；打磨后，6#廓形钢轨表面掉块病害完全去除（M= 137 Mt）；M= 180 Mt 时，8#廓形上下股钢轨表面存在严重鱼鳞纹，下股开始出现掉块；M= 200 Mt 时，9#廓形上股存在严重鱼鳞纹，下股严重掉块，深度约0.8 mm。可见，打磨可有效去除钢轨表面疲劳掉块，打磨后通过总质量累计约60 Mt时钢轨表面再出现严重疲劳病害。

图3 打磨前后钢轨表面状态

3 轮轨接触几何关系

对比打磨前后轮轨接触几何关系，见图4。可知：打磨前下股轮轨接触点集中在轨距角处，接触带宽为0.5 mm；打磨后轮轨接触关系得到优化，下股轮轨接触点靠近钢轨中心，接触带宽增至1.9 mm；打磨后1.3 个月时，钢轨廓形在磨耗和轨材塑性流动作用下发生变化，轮轨关系恶化，下股轮轨接触点集中在轨距角处，接触带宽变窄，为1.3 mm；打磨后2 个月时接触带宽变化为0.8 mm，与打磨前接近。

图4 打磨前后轮轨接触几何关系

4 车辆动力学性能

4.1 建立动力学模型

为分析钢轨磨耗演化对车辆动力学性能的影响，在多体动力学软件中建立该重载铁路实参数轨道-车辆多体动力学模型，模型中转向架主要部件包括轮对、侧架、轴箱、摇枕等［10］。研究对象为半径400 m 曲线，全长300 m，缓和曲线长90 m，超高80 mm；车辆通过速度为60 km/h；轨道激励采用该线实测轨道不平顺。车轮踏面为实测车轮踏面。运动学拓扑关系和动力学模型见图5。

图5 C80货车运动学拓扑关系及动力学模型

4.2 钢轨廓形对轮轨力的影响

第一次打磨前后轮轨横向力见图6，1#—9#廓形下轮轨横向力均方根值变化曲线见图7。可知：打磨后曲线上下股轮轨横向力明显减小；2#廓形上股、下股轮轨横向力较1#廓形分别降低33.8%和27.3%；5#廓形上股、下股轮轨横向力分别为1#廓形上下股轮轨横向力的88.2%和97.6%，6#廓形上股、下股轮轨横向力较5#廓形分别降低27.4%和21.2%；M= 190 Mt 时轮轨横向力恢复到打磨前，轮轨横向力从打磨后到恢复到打磨前水平，通过总质量累计约60 Mt。

图6 第一次打磨前后轮轨横向力

图7 1#—9#廓形下轮轨横向力均方根值变化曲线

4.3 钢轨廓形对磨耗指数的影响

轮轨磨耗指数是评定轮轨关系的一个重要指标，磨耗指数越小轮轨间越不易发生磨耗，越有助于延长钢轨使用寿命［11］。其中，小半径曲线上股侧面磨耗是决定钢轨使用寿命的重要因素。

打磨前后上股侧面磨耗指数变化曲线见图8。可知：两次打磨后上股钢轨侧面磨耗指数分别为0.39、0.37 kN，较打磨前分别下降了54.1%和54.8%；M=115、200 Mt 时磨耗指数分别为0.81、0.82 kN，与打磨前接近。可见，打磨后通过总质量累计约60 Mt 时上股磨耗指数恢复到打磨前。

图8 打磨前后上股侧面磨耗指数变化曲线

4.4 钢轨廓形对轮轨接触应力的影响

掉块是曲线下股钢轨表面的主要病害，轮轨接触应力是导致钢轨表面出现鱼鳞纹、掉块等疲劳损伤的重要因素。因此，对曲线下股的轮轨接触应力进行分析。

打磨前后曲线下股轮轨接触应力变化见图9。可知：打磨后，因轮轨关系改善，曲线下股轮轨接触点集中问题得到缓解，轮轨接触应力降低，第一次打磨后轮轨接触应力降低了37.6%，第二次打磨后降低了50.2%；打磨后随着通过总质量增加，轮轨关系逐步恶化，轮轨接触应力增大，通过总质量累计约60 Mt时恢复到打磨前。

图9 打磨前后曲线下股轮轨接触应力变化曲线

5 结语

通过对朔黄重载铁路半径400 m 曲线线路的钢轨磨耗变化、钢轨表面病害发展程度及车辆动力学性能的分析，可知打磨后累计通过总质量约60 Mt 时钢轨磨耗、钢轨表面病害和车辆动力学指标重新接近打磨前。为延长钢轨使用寿命，建议朔黄重载铁路半径400 m 曲线线路打磨周期设置为60 Mt，即通过总质量每累计60 Mt打磨一次。