地铁线路控制钢轨波磨的钢轨打磨技术应用研究

1、机械 2011年第10期 总第38卷 设计与研究 9地铁线路控制钢轨波磨的钢轨打磨技术应用研究杜星，郭俊，陈婧，崔大宾（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）摘要：介绍了国内轨道交通工具轮轨形面匹配的情况和存在的问题。基于多体动力学软件（SIMPACK）建立了地铁车辆的动力学模型。首先，利用SIMPACK的前处理功能导入标准的钢轨型面和设计后的钢轨型面，及实测的现场线路数据，作为仿真计算的输入。然后以轮轨横向力、垂向力以及脱轨系数为例，对打磨前后钢轨对车辆动力学响应进行了分析。比较了在相同车轮型面和实测线路不平顺条件下，采用标准钢轨型面和设计型面对地铁动车的动力学响应。计算结果

2、表明，在相同激扰条件下，使用设计钢轨型面的轮轨垂向力、横向力大大的减小。关键词：钢轨打磨；接触疲劳；型面优化；动力学中图分类号：U216.424 文献标识码：A 文章编号：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随着我国经济的高速发展，城市的不断壮大，我国城市交通发展成为城市发展的核心要素，从而我国的城市轨道交通进入了一个快速 发展的时期。城市轨道交通在我国得到了广泛 的发展，同时轮轨接触问题也表现的尤为突出，钢轨型面是轮轨系统中的关键因素之一，收稿日期：20110531基金项目：国家自然科学基金资助项目（50875221）；国家 973计划资助项目（

7、2007CB714702）；“十一五”国家科技支撑计划资助项目（2009BAG12A01B11）作者简介：杜星（1984），男，河北秦皇岛人，硕士研究生，主要研究方向为轮轨匹配问题研究。10 设计与研究 机械 2011年第10期 总第38卷它不仅关系到车辆的动力学性能，也关系到轮轨之间的接触问题。选择好的钢轨型面，不仅可改善车辆动力学性能，而且可大大降低轮轨接触应力，减少轮轨维修成本，提高车辆运行的安全性和舒适性，延长钢轨的使用寿命1。由于长期采用单一的车辆、统一的轴重、同一曲线区段采用相同的速度运营，所以出现了的钢轨表面滚动接触疲劳裂纹、剥离掉块、曲线上股钢轨侧磨、曲线下股钢轨顶面波磨、轨头

8、压溃、焊接接头不平顺、内轨肥边等，典型的伤损图片如图1所示。这些伤损情况严重的影响了车辆的安全运营，影响了车辆的乘坐舒适度。21 模型介绍纯粹的商业化铁路方面的的多体动力学软件主要有Adams/rail和SIMPACK，以及其他一些少数的程序，其中目前SIMPACK的市场占有率为49%，而Adams/rail的市场占有率仅有15%。SIMPACK可以进行整车系统的振动特性、各部件的受力情况、加速度、位移等分析能力。其轨道模块是德国宇航中心（DLR）总结20年来的轮轨接触模拟经验和现代先进的模拟技术开发出来的。1.1 SIMPACK的优点（1）采用全新的轮轨接触模型。 采用运动学约束计算方法可以

9、有效地提高动力学的计算速度，采用Kalker的简化线性滚动接触理论，SIMPACK自带有一种高度（a）钢轨波浪形磨损自动化并经过大量实验验证的轮轨接触线性化模型能够。即等效线性化和协函数线性化。（2）自动建立微分方程，便于查错。 在车辆系统建模中，不需要建立微分方程，程序根据模型的拓扑关系，自动生成微分方程，便于寻找模型中的错误。方便建立模型。（3）实现有效的数据后处理结果。（b）钢轨轨角斜裂纹SIMPACK具有较强的数据后处理能力，利用动画、图表等形式和其他的形式直观的输出结果。图1 钢轨型面典型伤损钢轨打磨型面研究问题一直是铁路维修工程中十分复杂而又迫切需要解决的问题。其解决与否直接影响到

10、轨道交通的飞速发展。本文使用多体动力学软件SIMPACK建立地铁车辆动力学模型，仿真计算了实测轨道不平顺下，标准钢轨型面和设计型面对车辆系统动力学的响应。1.2 车辆模型车辆系统模型由一个车体、二个构架、四条轮轨构成，每一组构件均考虑为刚形体。钢轨型面数据时有专门的前处理程序来实现，及采用样条函数拟合截面外形，可以将实测的数据和设计型面数据处理为仿真使用数据。对悬机械 2011年第10期 总第38卷 设计与研究 13激扰的条件下，由于本模型在轨道设置过程中，直线段也同样采用曲线段设计的钢轨型面，可能会造成进入曲线后出现较大的轮对冲击，从而产生较大的脱轨系数。图9给出了分别在打磨后1天、24天、

11、原因，造成波浪形磨损的产生。4 结论通过对标准型面和有设计型面在不同的速度等级、不同时期下的轨道激励条件下的动力学指标的比较，可以得到以下结论：（1）在曲线段钢轨打磨中使用非对称性的设计型面，可以有效的改善轮轨接触状态，车轮钢轨踏面材料承受载荷，频次相对降低，同时可以延长车轮和钢轨的使用寿命。（2）在不同的激励条件下的曲线上使用非对称钢轨型面更加有利于车辆的曲线通过，可以有效的减小轮轨横向力和垂向力，在激扰存在的条件下，有效的降低脱轨系数。（3）在波磨发展的不同时期，钢轨采用钢轨打磨可以有效的降低轮轨相互作用力，控制波磨的快速反弹，延长钢轨打磨周期，从而节省成本。57天、92天和142天后的动

12、力计算结果，在实测的轨道轨面不平顺上，进行动力学仿真，在图中不难看出，在打磨后24天的轮轨垂向力发生了迅速的增长，而且过了这一段时间后，在57天后，钢轨的垂向力有较大的降低，并恢复到刚刚打磨的水平上，并且有降低的趋势。动力学仿真等到的结果与后期观测等到的结果显示一致，这个时期钢轨波磨反弹速度较快，随后进入一个相对稳定的时期，并且波磨深度有所下降。最大脱轨系数绝对编号参考文献：1金学松，刘启跃. 轮轨摩擦学M. 北京: 中国铁道出版社，2004.2金学松，杜星，郭俊，崔大宾. 钢轨打磨技术的研究现状J. 西南交通大学学报，2010，（1）：1-10.图8 打磨前后最大脱轨系数比较轮轨垂向力/N3

13、刘学毅. 不对称打磨技术减缓钢轨侧磨效果初探J. 中国铁路，1993，（10）：12-14.4郭俊，刘启跃，王文健. 钢轨打磨对轮轨滚动接触斑行为影响研究J. 铁道建筑，2009，（12）：92-94.5E. Megel， M. Roney， P. Sroba， The blending of theory and不同时期实测激扰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