滾動半徑差對輪軌關系的影響

滾動半徑差對輪軌關系的影響

磨損和地表徑流破壞是鐵路重大局場破壞最常見的兩種表現(xiàn)形式。影響鋼表面的鋼鐵變形是鋼損失機、裂紋和滾動接觸的主要原因。本文利用車輛動力學軟件NUCARS和選用不同鋼軌廓形,仿真計算影響參數(shù)對輪軌關系的影響;通過對輪軌蠕滑形成機理的研究,分析影響輪軌蠕滑的主要參數(shù);并用現(xiàn)場觀察到的鋼軌傷損數(shù)據(jù)加以驗證,據(jù)此提出鋼軌打磨的指導思想和原則,并通過現(xiàn)場鋼軌打磨加以驗證。1縱向壓縮差異Tournay曾分析了基于車輛與軌道動態(tài)相互作用的輪軌關系。輪軌之間存在縱向和橫向2種蠕滑力。由于準剛性的轉向架在曲線線路上行進時無法適應曲線的弧度,再加上它自身的變形,使得每個輪對滾動的方向必然要與鋼軌的方向之間有一定的夾角,這個夾角就是輪軌沖角。橫向蠕滑力主要是由輪軌沖角產(chǎn)生的。但鑒于本文討論的主題是通過鋼軌打磨改善輪軌關系,而鋼軌打磨對輪軌沖角的影響有限,因此本文對此不作討論。當輪對在直線線路上沿軌道的中心線行駛時,2個理想車輪的滾動半徑必將相同,其滾動速度和車速相同,因而輪軌之間沒有滑動,稱之為純滾動。然而如圖1所示,當輪對在軌道上偏離軌道中心之后,左右2個車輪的滾動半徑R2和R3就會不同,形成滾動半徑差ΔRRD3,這時輪軌之間就必然會出現(xiàn)縱向輪軌蠕滑,也就是說輪軌的縱向蠕滑完全是由于車輪的滾動半徑差引發(fā)的。由于左右2個車輪的滾動半徑不同,使得兩車輪在輪軌接觸點處的表面速度一個高于車輛的速度,另一個低于車輛的速度,從而導致在左右2個車輪上形成的縱向蠕滑力的方向相反。這2個方向相反的縱向蠕滑力又在輪軸上形成了1個轉向力矩。在直線線路上,該力矩使偏離軌道中心的輪對返回軌道中心位置;在曲線線路上,該力矩幫助轉向架轉向。然而,這個縱向蠕滑力也對車輪和鋼軌造成一定的危害,主要表現(xiàn)為車輪和鋼軌的磨損和疲勞破壞。由圖1可知,當車輪向左側鋼軌偏移后,車輪往往與左側鋼軌形成2點接觸,從而形成了又一種滾動半徑差ΔRRD2。ΔRRD3是2個車輪之間形成的滾動半徑差,而ΔRRD2是在同一車輪上2個接觸點之間形成的滾動半徑差,它們的數(shù)學表達式分別為ΔRRD2=R2-R1ΔRRD3=R3-R2式中:R1和R2為左側車輪與鋼軌接觸位置的半徑;R3為右側車輪與鋼軌接觸位置的半徑。由于R2大于R1和R3,所以ΔRRD2為正值,而ΔRRD3為負值。為分析方便,設與車輛行進速度對應的名義滾動半徑為R。如果任何一個實際的滾動半徑(R1,R2或R3)大于R,則在相應接觸點上作用于車輪上的蠕滑力的方向與車輛行進的方向相同;反之,作用于車輪上的蠕滑力的方向與車輛行進的方向相反。一般來講,因為滾動半徑R2總是大于R,而R3總是小于R,所以由ΔRRD3產(chǎn)生的輪軸轉向力矩有助于轉向架轉向。但是,由于R1的大小取決于輪軌接觸點的位置,所以它有可能比R大,也有可能比R小。如果R1>R,則由ΔRRD2產(chǎn)生的輪軸轉向力矩有助于轉向架轉向,反之,則阻礙轉向架轉向。因此,ΔRRD2和ΔRRD3是影響輪軌蠕滑的2個最重要的參數(shù)。2車輛速度、車廓形及價值模型由于ΔRRD2和ΔRRD3是產(chǎn)生輪軌縱向蠕滑的兩大基本原因。因此,采用美國鐵路協(xié)會TTCI公司的車輛動力學仿真計算軟件NUCARS,分別分析ΔRRD2對輪軸轉向力矩、輪軌界面剪切能和輪軌橫向力的影響,以及ΔRRD3對輪軌界面剪切能的影響。仿真計算選用普通三大件轉向架的車輛,車輛速度為50km·h-1,輪軌表面干燥無潤滑,軌道線路條件為100m直線+100m緩和曲線+300m圓曲線+100m緩和曲線+100m直線,曲線路段為左旋曲線(上股鋼軌和下股鋼軌分別在車輛前進方向的左側和右側),線路各曲線段的半徑分別為800,450和300m,曲線段超高取50km·h-1車速時的平衡超高,車輪廓形為北美標準的AAR1B,車輪半徑為450mm,下股道鋼軌廓形為60kg·m-1鋼軌標準廓形。在仿真計算中,上股道鋼軌選用4種不同的廓形,分別得到ΔRRD2的值為4,6,8和12mm。另外,在同一種上股道鋼軌廓形工況下,人為地將ΔRRD3的值逐步從負值變?yōu)榱?再變到正值,使ΔRRD3的值從有助于轉向架轉向向阻礙轉向架轉向變化,由此研究ΔRRD2和ΔRRD3對輪軌關系的影響。2.1輪軌接觸的類型當車輛通過曲線線路時,上股鋼軌的4種廓形會產(chǎn)生4個不同的輪軌接觸位置和形成4個不同取值的ΔRRD2。圖2為車輛在3種半徑曲線線路上運行時在導向輪對輪軸上產(chǎn)生的轉向力矩。從圖3可以看出,對于給出的3種曲線半徑而言,當ΔRRD2為4和6mm時,轉向力矩相差不大;而當ΔRRD2增加到8mm時,轉向力矩從60kN·m左右驟然降低到32~36kN·m;當ΔRRD2繼續(xù)增加到12mm時,轉向力矩則進一步降低至26~34kN·m。經(jīng)進一步研究發(fā)現(xiàn),當ΔRRD2為4和6mm時,在上股鋼軌上輪軌的2個接觸點很靠近,而且在這兩點上車輪的滾動半徑都大于車輪的名義滾動半徑,故在車輪上2個接觸點生成的縱向蠕滑力的方向都與車輛行進的方向相同,可使轉向力矩增大;而當ΔRRD2≥8mm時,在上股鋼軌上輪軌的2個接觸點相離較遠,而且在軌頂接觸點上車輪的滾動半徑小于車輪的名義滾動半徑,因此在車輪上2個接觸點生成的縱向蠕滑力的方向與車輛運動方向相反,從而抵消了部分由輪緣根部蠕滑力產(chǎn)生的轉向力矩,使得輪軸轉向總力矩減小。當車輪行進在曲線線路上時,常常會發(fā)生輪緣與鋼軌內側的接觸,在輪緣根部和鋼軌軌距角處(鋼軌內側)會形成間隙,人們用這個間隙的最大值定義輪軌接觸的貼合性。當最大間隙大于0.5mm時,稱之為非貼合型兩點接觸;反之,則稱之為貼合型兩點接觸。貼合型接觸比非貼合型接觸更有利于形成較大的轉向力矩。在ΔRRD2為4~6mm時,輪軌接觸屬于貼合型接觸;而在ΔRRD2≥8mm時,輪軌接觸屬于非貼合型接觸。2.2輪軌各組織的剪切能輪軌界面上的剪切能是評估輪軌關系的重要參數(shù),它是接觸區(qū)內輪軌蠕滑位移和蠕滑力的乘積。蠕滑力的計算本文采用了Kalker的蠕滑理論,在該理論中,蠕滑力是蠕滑位移的函數(shù)。因為剪切能實際上是車輪在鋼軌上滾動時所耗費的能量,或者說是輪軌界面蠕滑力(阻力)所做的功,蠕滑力越大說明輪軌接觸時消耗的能量越多。圖3為車輛導向輪在輪軌各個接觸點上所產(chǎn)生的剪切能隨ΔRRD2變化而改變的情況。由圖可知,在上股鋼軌軌距角處(鋼軌內側)的剪切能隨ΔRRD2的增加而大幅升高,特別是當輪軌由貼合型接觸轉化為非貼合型接觸時,在軌距角處(鋼軌內側)接觸區(qū)內剪切能幾乎增加了5~8倍;總剪切能也隨ΔRRD2的增加呈遞增趨勢,特別是在貼合型接觸向非貼合型接觸的轉化過程中,總剪切能也有較大的增加。貼合型輪軌接觸的蠕滑力比非貼合型輪軌接觸的蠕滑力小。另外,導向輪輪軌界面輪軌總蠕滑力總是隨線路曲線半徑的減小而增大,如圖4所示。從磨損的角度看,在蠕滑力較大的區(qū)域內一定伴隨著鋼軌表面磨損的增加。由于在上下股鋼軌軌頂處的剪切能都比較小,所以軌頂處的磨損并不是鋼軌破壞的主要形式。但是,在鋼軌軌距角處(鋼軌內側),因為剪切能在非貼合型接觸時變得很大,所以鋼軌內側的磨損在非貼合型接觸時高于貼合型接觸時。2.3橫向力指標rrd2輪軌之間的橫向力是造成鋼軌側磨和輪緣磨損的重要影響因素,過大的橫向力還會導致鋼軌翻轉和車輪脫軌。圖5為1個轉向架上的4個車輪作用于上下股鋼軌的4個橫向力與ΔRRD2的關系。圖中橫向力為正值表示橫向力的方向指向上股鋼軌,橫向力為負值則表示橫向力的方向指向下股鋼軌。從圖5可以看出,當輪軌處于貼合型接觸狀態(tài)(ΔRRD2為4~6mm)時,ΔRRD2的變化對橫向力的影響很小;但是,在輪軌由貼合型接觸轉為非貼合型接觸(ΔRRD2≥8mm)的過程中,隨著ΔRRD2的增加,2個導向車輪作用于鋼軌上的橫向力驟然增加60%以上。一般情況下,導向車輪作用于鋼軌的橫向力較大,而從動輪作用于鋼軌的橫向力較小。綜合以上分析發(fā)現(xiàn),改善輪軌接觸的貼合性可以減小ΔRRD2,進而降低鋼軌軌距角處(鋼軌內側)的剪切能,還可以減小車輪作用于鋼軌的橫向力,這對于降低鋼軌側磨、減少輪軌傷損、改善輪軌關系、避免鋼軌翻轉和車輪脫軌,都具有十分重要的意義。目前改善輪軌接觸的貼合性的辦法之一就是打磨鋼軌的廓形,使鋼軌的廓面形狀與車輪形成貼合型接觸。2.4輪軌界面剪切能隨rrd3的變化情況由于鋼軌和車輪的磨損以及塑性變形導致了輪軌的接觸位置發(fā)生變化,使得ΔRRD3也隨之發(fā)生變化。圖6為3種不同曲線半徑情況下導向車輪與下股鋼軌的輪軌界面剪切能隨ΔRRD3的變化情況。由圖6可知,隨著ΔRRD3的增加,3種半徑曲線線路上導向輪與下股鋼軌的輪軌界面剪切能也均隨之增加,也就是輪軌蠕滑力隨之增大,從而導致輪軌磨損增加,加劇了鋼軌表面塑性流動的形成和延展,以及鋼軌表層中裂紋的生成和擴展。因此,為了減小ΔRRD3,也即減小R3,方法之一是將車輪踏面上的輪軌接觸區(qū)位置向車輪外側移動,為此只有改變鋼軌的廓形,使鋼軌上的輪軌接觸區(qū)位置移到軌頂中心或以外的區(qū)域。但是,如果輪軌接觸區(qū)的位置越過軌腰以外,將會增加鋼軌的翻轉力矩,嚴重時會導致鋼軌外翻,不利于鋼軌的維護。因此,下股鋼軌的廓形應該盡量使輪軌接觸區(qū)靠近軌頂中心位置。圖7為直線線路上導向輪與鋼軌各接觸點輪軌界面剪切能隨ΔRRD3變化的趨勢。在正常情況下,輪對運行在直線線路上時一般不會偏離軌道中心,自然也形不成滾動半徑差,或者說滾動半徑差ΔRRD3為零,車輪在鋼軌上做純滾動運動,輪軌之間沒有發(fā)生蠕滑。在這種情況下,輪軌界面剪切能自然為零。但是,當鋼軌發(fā)生磨損和塑性流動帶來的變形時,或者車輪踏面出現(xiàn)凹陷時,就會導致ΔRRD3不為零的情況。在本文算例中,當ΔRRD3的值增加到1~4mm時,上股鋼軌軌距角處(鋼軌內側)的輪軌界面剪切能不為零,說明鋼軌內側與車輪輪緣產(chǎn)生接觸;另外,各輪軌接觸區(qū)內的輪軌界面剪切能均隨著ΔRRD3的增加而增加,并且以軌距角接觸區(qū)內的輪軌界面剪切能增幅最大。3非匹配型輪軌接觸的非刑罰性為了驗證仿真計算結果,在現(xiàn)場對大秦線鋼軌傷損情況作了仔細的觀察與分析。圖8和圖9分別為貼合型接觸和非貼合型接觸的上股鋼軌接觸光帶、表面裂紋和輪軌接觸的狀況。由圖8可見,在鋼軌與車輪形成貼合型兩點接觸時,最大接觸間隙僅為0.04mm,遠遠小于貼合型接觸的臨界值0.5mm;滾動半徑差ΔRRD2也非常小,為3.4mm;鋼軌接觸光帶主要分布于鋼軌內側到軌頂中心的區(qū)域;鋼軌的傷損以疲勞破壞為主,主要在軌肩的位置;鋼軌內側的磨損比較輕微。由圖9可見,在非貼合型輪軌接觸狀況下,最大接觸間隙為1.3mm,滾動半徑差ΔRRD2高達20mm;在這樣的輪軌接觸狀況下,鋼軌的接觸光帶要比貼合型接觸的鋼軌接觸光帶寬得多;對鋼軌的破壞則以鋼軌內側磨損和軌肩處的疲勞破壞為主,而且鋼軌內側的磨損十分嚴重。這與仿真計算結果一致,即非貼合型接觸會造成橫向力和剪切能增大,輪軸轉向力矩減小。對于下股鋼軌和直線鋼軌而言,它們的傷損有1個共同的特點,即在鋼軌內側的軌肩處均發(fā)生了嚴重的塑性變形和出現(xiàn)了近乎垂直于鋼軌的疲勞裂紋,有的部位已出現(xiàn)剝離掉塊,如圖10和圖11所示。由圖可以看到,在輪軌的接觸位置上都有可能發(fā)生裂紋,而且車輪上輪軌接觸點的位置都比較靠近輪緣,也就是說,在輪軌接觸點上的車輪滾動半徑R3比正常的車輪滾動半徑大,這與仿真計算結果一致。圖11還明顯地反映出有大量的車輪滾壓在鋼軌的軌肩處,這表明輪對偏離了軌道中心,在輪軌界面發(fā)生了輪軌蠕滑,從而導致鋼軌產(chǎn)生疲勞裂紋。4rrd2是維護輪軌安全的有效手段通過仿真計算和現(xiàn)場鋼軌傷損情況的分析,可以說明滾動半徑差ΔRRD2和ΔRRD3對鋼軌磨損和疲勞破壞的影響不容忽視。通過控制ΔRRD2使輪軌保持貼合型接觸,可以起到減少輪軌蠕滑和磨損、降低輪軌滾動阻力和改善輪軸轉向特性的積極作用。通過減小ΔRRD3,有利于轉向架通過曲線線路和在直線線路上復位,改善輪軌關系。而改善和控制ΔRRD2和ΔRRD3的非常有效方法就是鋼軌打磨。4.1鋼軌磨削的原則雖然實踐已經(jīng)證明了鋼軌打磨是一種減少鋼軌傷損、延長鋼軌壽命的有效方法,但對于鋼軌打磨的理念和指導思想不盡相同。本文提出應以改善輪軌關系為基點,通過鋼軌打磨,消除或減弱輪軌蠕滑,從而實現(xiàn)輪軌關系的改善,達到延長鋼軌壽命的目的。根據(jù)這一指導思想和對鋼軌傷損狀況的觀察及仿真計算結果的分析,提出如下鋼軌打磨原則。(1)直線鋼軌打磨主要是將鋼軌兩側的塑性流動層磨削掉,收窄輪軌接觸帶。(2)下股鋼軌打磨除了將鋼軌兩側的塑性流動層磨削掉和收窄輪軌接觸帶外,如果鋼軌頂面中心附近普遍出現(xiàn)剝離掉塊的情況,對鋼軌頂面也應進行打磨。(3)上股鋼軌的打磨重點是軌距角附近淺表層的初始裂紋,打磨深度不宜超過0.3mm。另外,如果鋼軌頂面出現(xiàn)大面積的疲勞破壞,也應對鋼軌頂面進行打磨。(4)對所有鋼軌頂部的外側都要進行打磨,以消除造成鋼軌翻轉的輪軌力。(5)盡量減少鋼軌打磨的磨削量,以減少打磨對鋼軌帶來的損傷。4.2減少了鋼軌磨損和側磨試驗中對打磨前后每個觀測點的鋼軌廓形進行了測量,以準確得到通過總重為108t時鋼軌表面的磨損量,并計算相應的磨損率。表1為打磨前后鋼軌的磨損情況。從表1可知,鋼軌通過打磨,確實大大地減少了鋼軌的磨損。總體上打磨后的直線段鋼軌和曲線段上下股鋼軌的平均磨損總面積比打磨前減少了約40.8%。雖然減少鋼軌垂直磨耗是延長鋼軌壽命的必要條件,但是目前,造成大秦線鋼軌更換的主要原因是曲線段上股鋼軌的過度側磨,而不是鋼軌的垂磨。由于鋼軌過度側磨導致了鋼軌的早期損壞。據(jù)統(tǒng)計,90%以上更換下來的鋼軌是由于側磨超標,而且被更換鋼軌的通過總重在6×108t以下,甚至有的鋼軌僅通過總重2.5×108t就因側