地鐵線路控制鋼軌波磨的鋼軌打磨技術(shù)應(yīng)用研究

1、機械 2011年第10期 總第38卷 設(shè)計與研究 9地鐵線路控制鋼軌波磨的鋼軌打磨技術(shù)應(yīng)用研究杜星，郭俊，陳婧，崔大賓（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610031）摘要：介紹了國內(nèi)軌道交通工具輪軌形面匹配的情況和存在的問題。基于多體動力學(xué)軟件（SIMPACK）建立了地鐵車輛的動力學(xué)模型。首先，利用SIMPACK的前處理功能導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)的鋼軌型面和設(shè)計后的鋼軌型面，及實測的現(xiàn)場線路數(shù)據(jù)，作為仿真計算的輸入。然后以輪軌橫向力、垂向力以及脫軌系數(shù)為例，對打磨前后鋼軌對車輛動力學(xué)響應(yīng)進行了分析。比較了在相同車輪型面和實測線路不平順條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面和設(shè)計型面對地鐵動車的動力學(xué)響應(yīng)。計算結(jié)果

2、表明，在相同激擾條件下，使用設(shè)計鋼軌型面的輪軌垂向力、橫向力大大的減小。關(guān)鍵詞：鋼軌打磨；接觸疲勞；型面優(yōu)化；動力學(xué)中圖分類號：U216.424 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：10060316 (2011) 10000905Study on application of the rail grinding on controlling the corrugation in metroDU Xing，GUO Jun，CHEN Jing，CUI Da-bin（School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu

3、 610031, China)Abstract：This paper introduces the existence of the domestic rail transport rail-shaped surface of the wheel matches the situation and problems. The dynamic analysis model of metro vehicle is set up by automated dynamic analysis of mechanical system SIMPACK software. Firstly, used pre

4、process of the SIMPACK deal with the standard rail profile and design of rail profiles and the field lines and measured data input the simulation model. Secondly, the vehicle dynamic response is analyzed after the rail grinding, which is wheel-rail lateral force, vertical force and derailment coeffi

5、cient. Compared the wheel surface and measured the same uneven track conditions, the use of standard rail profile and design of rail profile of the dynamic response of the MTR EMU. The results show that the same excitation conditions, the use of the design rail profile of the wheel-rail vertical for

6、ce, lateral force greatly reduced.Key words：rail grinding；profile design；rolling contact fatigue；vehicle-track coupling dynamic隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市的不斷壯大，我國城市交通發(fā)展成為城市發(fā)展的核心要素，從而我國的城市軌道交通進入了一個快速 發(fā)展的時期。城市軌道交通在我國得到了廣泛 的發(fā)展，同時輪軌接觸問題也表現(xiàn)的尤為突出，鋼軌型面是輪軌系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素之一，收稿日期：20110531基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（50875221）；國家 973計劃資助項目（

7、2007CB714702）；“十一五”國家科技支撐計劃資助項目（2009BAG12A01B11）作者簡介：杜星（1984），男，河北秦皇島人，碩士研究生，主要研究方向為輪軌匹配問題研究。10 設(shè)計與研究 機械 2011年第10期 總第38卷它不僅關(guān)系到車輛的動力學(xué)性能，也關(guān)系到輪軌之間的接觸問題。選擇好的鋼軌型面，不僅可改善車輛動力學(xué)性能，而且可大大降低輪軌接觸應(yīng)力，減少輪軌維修成本，提高車輛運行的安全性和舒適性，延長鋼軌的使用壽命1。由于長期采用單一的車輛、統(tǒng)一的軸重、同一曲線區(qū)段采用相同的速度運營，所以出現(xiàn)了的鋼軌表面滾動接觸疲勞裂紋、剝離掉塊、曲線上股鋼軌側(cè)磨、曲線下股鋼軌頂面波磨、軌頭

8、壓潰、焊接接頭不平順、內(nèi)軌肥邊等，典型的傷損圖片如圖1所示。這些傷損情況嚴(yán)重的影響了車輛的安全運營，影響了車輛的乘坐舒適度。21 模型介紹純粹的商業(yè)化鐵路方面的的多體動力學(xué)軟件主要有Adams/rail和SIMPACK，以及其他一些少數(shù)的程序，其中目前SIMPACK的市場占有率為49%，而Adams/rail的市場占有率僅有15%。SIMPACK可以進行整車系統(tǒng)的振動特性、各部件的受力情況、加速度、位移等分析能力。其軌道模塊是德國宇航中心（DLR）總結(jié)20年來的輪軌接觸模擬經(jīng)驗和現(xiàn)代先進的模擬技術(shù)開發(fā)出來的。1.1 SIMPACK的優(yōu)點（1）采用全新的輪軌接觸模型。 采用運動學(xué)約束計算方法可以

9、有效地提高動力學(xué)的計算速度，采用Kalker的簡化線性滾動接觸理論，SIMPACK自帶有一種高度（a）鋼軌波浪形磨損自動化并經(jīng)過大量實驗驗證的輪軌接觸線性化模型能夠。即等效線性化和協(xié)函數(shù)線性化。（2）自動建立微分方程，便于查錯。 在車輛系統(tǒng)建模中，不需要建立微分方程，程序根據(jù)模型的拓撲關(guān)系，自動生成微分方程，便于尋找模型中的錯誤。方便建立模型。（3）實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)后處理結(jié)果。（b）鋼軌軌角斜裂紋SIMPACK具有較強的數(shù)據(jù)后處理能力，利用動畫、圖表等形式和其他的形式直觀的輸出結(jié)果。圖1 鋼軌型面典型傷損鋼軌打磨型面研究問題一直是鐵路維修工程中十分復(fù)雜而又迫切需要解決的問題。其解決與否直接影響到

10、軌道交通的飛速發(fā)展。本文使用多體動力學(xué)軟件SIMPACK建立地鐵車輛動力學(xué)模型，仿真計算了實測軌道不平順下，標(biāo)準(zhǔn)鋼軌型面和設(shè)計型面對車輛系統(tǒng)動力學(xué)的響應(yīng)。1.2 車輛模型車輛系統(tǒng)模型由一個車體、二個構(gòu)架、四條輪軌構(gòu)成，每一組構(gòu)件均考慮為剛形體。鋼軌型面數(shù)據(jù)時有專門的前處理程序來實現(xiàn)，及采用樣條函數(shù)擬合截面外形，可以將實測的數(shù)據(jù)和設(shè)計型面數(shù)據(jù)處理為仿真使用數(shù)據(jù)。對懸機械 2011年第10期 總第38卷 設(shè)計與研究 13激擾的條件下，由于本模型在軌道設(shè)置過程中，直線段也同樣采用曲線段設(shè)計的鋼軌型面，可能會造成進入曲線后出現(xiàn)較大的輪對沖擊，從而產(chǎn)生較大的脫軌系數(shù)。圖9給出了分別在打磨后1天、24天、

11、原因，造成波浪形磨損的產(chǎn)生。4 結(jié)論通過對標(biāo)準(zhǔn)型面和有設(shè)計型面在不同的速度等級、不同時期下的軌道激勵條件下的動力學(xué)指標(biāo)的比較，可以得到以下結(jié)論：（1）在曲線段鋼軌打磨中使用非對稱性的設(shè)計型面，可以有效的改善輪軌接觸狀態(tài)，車輪鋼軌踏面材料承受載荷，頻次相對降低，同時可以延長車輪和鋼軌的使用壽命。（2）在不同的激勵條件下的曲線上使用非對稱鋼軌型面更加有利于車輛的曲線通過，可以有效的減小輪軌橫向力和垂向力，在激擾存在的條件下，有效的降低脫軌系數(shù)。（3）在波磨發(fā)展的不同時期，鋼軌采用鋼軌打磨可以有效的降低輪軌相互作用力，控制波磨的快速反彈，延長鋼軌打磨周期，從而節(jié)省成本。57天、92天和142天后的動

12、力計算結(jié)果，在實測的軌道軌面不平順上，進行動力學(xué)仿真，在圖中不難看出，在打磨后24天的輪軌垂向力發(fā)生了迅速的增長，而且過了這一段時間后，在57天后，鋼軌的垂向力有較大的降低，并恢復(fù)到剛剛打磨的水平上，并且有降低的趨勢。動力學(xué)仿真等到的結(jié)果與后期觀測等到的結(jié)果顯示一致，這個時期鋼軌波磨反彈速度較快，隨后進入一個相對穩(wěn)定的時期，并且波磨深度有所下降。最大脫軌系數(shù)絕對編號參考文獻：1金學(xué)松，劉啟躍. 輪軌摩擦學(xué)M. 北京: 中國鐵道出版社，2004.2金學(xué)松，杜星，郭俊，崔大賓. 鋼軌打磨技術(shù)的研究現(xiàn)狀J. 西南交通大學(xué)學(xué)報，2010，（1）：1-10.圖8 打磨前后最大脫軌系數(shù)比較輪軌垂向力/N3

13、劉學(xué)毅. 不對稱打磨技術(shù)減緩鋼軌側(cè)磨效果初探J. 中國鐵路，1993，（10）：12-14.4郭俊，劉啟躍，王文健. 鋼軌打磨對輪軌滾動接觸斑行為影響研究J. 鐵道建筑，2009，（12）：92-94.5E. Megel， M. Roney， P. Sroba， The blending of theory and不同時期實測激擾practice in modern rail grindingJ. wear，2002，253（10）：308-316.6Joe Kalousek，Peter Sroba，Hegelund C. Analysis of Rail Grinding Tests and Implications for Corrective and Preventive GrindingC. proceedings of the 4th international heavy haul conference，Brisbane Australia，1989.7Sudhanshu Sharma， Positive Results From Rail Grinding in India J. International Rail