动车所小半径曲线钢轨磨耗及减磨措施研究

侯茂锐， 王卫东， 常崇义， 李 兰(1. 中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心， 北京 100081；2. 中国铁道科学研究院 高速轮轨关系实验室， 北京 100081)

随着京沪、京广、沪昆等高速铁路和大量城际铁路的开通运营，我国高速铁路运营里程不断增加，到2016年底，我国高速铁路运营里程已达2.2万km以上,服役运用的动车组2 500余组。高速动车组作为主要的载运工具，保证和维护其安全运营显得十分重要。为此需要修建动车运用所、动车组存车场，以进行动车组的运用整备、日常养护维修等工作。而随着城市规模的快速发展，动车运用所的选址变得异常困难，又因其规模通常较大，所以其位置受地形条件限制因素很多，导致小半径曲线较多。全国已经建成投入使用的动车所有37个，另有14个正在施工过程中，几乎每个动车所都设有半径等于或小于300 m的一般曲线或岔后曲线[1]。

钢轨侧磨是曲线上钢轨的主要损伤类型，尤其对于小半径曲线，钢轨侧磨已成为曲线钢轨更换的决定性因素[2]。同时，小半径曲线也加剧了车轮轮缘磨耗，使得车轮镟修量增大。因此，减缓曲线上钢轨的侧磨，延长钢轨使用寿命，降低维修费用，保证行车安全，是工务工作的一项重要内容。文献[3-6]分析了轨底坡、轨距、超高养护维修等因素对钢轨侧磨的影响，并提出了减缓钢轨侧磨的预防措施。文献[7]研究了直线钢轨出现的交替侧磨现象，认为主要由于轮对的蛇行运动导致。文献[8]研究了钢轨摩擦控制技术在重载铁路的应用情况，发现在半径300 m的曲线上应用轨侧磨耗摩擦控制技术可使车轮轮缘磨耗和钢轨轨距角磨耗减小约40%。文献[9]在滚动实验台上进行了轮轨摩擦系数调整实验，未经润滑的钢轨轨顶表面磨耗严重且疲劳裂纹发展迅速，经过润滑后钢轨磨耗较未经过润滑时减小约1/2。文献[10]在日本新干线选择了半径400 m和半径900 m的2条曲线开展了为期2年的钢轨磨耗现场实验，分析钢轨侧磨后轮轨横向力、冲角及钢轨变形的变化。文献[11]基于对我国多条高速铁路钢轨磨耗的长期观测，认为直线段钢轨磨耗很小，进出站的小半径曲线钢轨侧面磨耗严重，已影响到钢轨使用寿命。

以往研究很少关注动车所内小半径曲线钢轨的磨耗情况，本文作者在某动车所开展了为期一年半的钢轨磨耗跟踪测试，对比分析了2条曲线的钢轨磨耗情况。同时在多体动力学软件中建立了CRH5型动车组的动力学仿真模型，计算分析了曲线半径、轨距加宽、超高和轮轨摩擦系数对钢轨磨耗的影响，提出了减缓钢轨磨耗的技术措施。

1 钢轨磨耗跟踪测试

为了获取动车所内小半径曲线的钢轨磨耗情况，在某动车所选择了2条曲线进行钢轨磨耗的跟踪测试，这2条曲线分别为连接动车所Ⅰ场和Ⅱ场的环Ⅰ线和环Ⅱ线，曲线半径分别为275 m和280 m，钢轨类型为50 kg/m钢轨，其断面尺寸见图1。该曲线上列车为双向行驶，环Ⅱ线每天通过的列车数量较环Ⅰ线少。曲线具体参数见表1。

由图1可知，50 kg/m钢轨轨顶部分主要由3段圆弧组成，相较于60 kg/m钢轨轨顶部分的5段圆弧，50 kg/m钢轨轨顶缺少半径80 mm的2段圆弧。

表1 曲线参数

在半径275 m的环Ⅰ线上分别选择3个测点进行跟踪测试，其分别为：测点1、测点2、测点3。其中测点3靠近曲线段端部。测点示意图见图2。

使用MiniProf钢轨廓形测量仪对钢轨廓形进行测试，并计算钢轨的垂直磨耗和侧面磨耗，其中钢轨垂直磨耗指在钢轨顶面宽1/3处(距标准工作边)测量的磨耗量，钢轨侧面磨耗指在钢轨踏面(按标准断面)下16 mm处测量的磨耗量。

环Ⅰ线3个测点的钢轨磨耗量见表2和图3。由表2可知曲线外股钢轨侧磨严重，最大侧磨量为测点3，其值达到12.69 mm；测点1的侧磨量最小，为8.05 mm；由于曲线钢轨曲率的不均匀以及直线过渡的缘故，使得3个测点之间的侧磨量相差较大，位于曲线中部的测点侧磨量相对较小，位于曲线端部的测点3侧磨量最大。测点1、测点2、测点3的钢轨垂磨量也依次增大，测点2的垂磨量较测点1增大约70%，测点3垂磨量较测点2亦增大约70%；测点3垂磨量最大，其值为2.46，但相比钢轨侧磨量，钢轨垂磨量较小。

表2 环Ⅰ线3个测点的钢轨磨耗量

环Ⅰ线测点3和环Ⅱ线测点对应钢轨磨耗速率分别见表3、表4。

表3 环Ⅰ线测点3钢轨磨耗速率

表4 环Ⅱ线测点钢轨磨耗速率

对于半径275 m的环Ⅰ线，2015年6月换轨，换轨后按照文献[15]要求轨距加宽调整为5 mm，至2016年9月26日，该曲线通过总质量约8.3 Mt，外股最大侧磨量达到12.69 mm，最大垂磨量为2.46 mm。随着通过总质量的增大，磨耗速率略有增大，最大垂磨速率为0.30 mm/Mt，最大侧磨速率为1.53 mm/Mt。

对于半径280 m的环Ⅱ线，2014年6月换轨，轨距加宽为15 mm，至2016年9月26日，该曲线通过总质量约9.03 Mt，外股最大侧磨量为5.53 mm，最大垂磨量为0.9 mm。最大垂磨速率为0.10 mm/Mt，最大侧磨速率为0.61 mm/Mt。

由图5可知，环Ⅱ线的钢轨垂直磨耗速率和侧磨磨耗速率较环Ⅰ线减小约60%。由于环Ⅰ线的轨距加宽为5 mm，环Ⅱ线的轨距加宽为15 mm，可见，轨距加宽15 mm可以有效减小钢轨磨耗量。

2 分析方法

2.1 车辆动力学模型建立

建立CRH5型动车组拖车动力学模型，模型中采用两系悬挂，考虑轮轨接触几何关系的非线性、横向止挡的非线性、抗蛇行减振器以及部分减振器的非线性特性，由Kalker非线性蠕滑理论计算轮轨蠕滑力。

动力学仿真模型由1个车体、2个构架、4个轮对和8个轴箱组成，共50个自由度。车辆动力学仿真模型见图6，首先将建立的转向架模型作为子系统，然后通过子系统建模技术组装建立整车动力学仿真模型。拖车空车的动力学关键参数,见表5。

表5 车辆动力学关键参数

2.2 磨耗指数的确定

车轮在钢轨上运行时一般情况下轮轨之间为一点接触，即车轮踏面与钢轨顶面相接触。根据车辆动力学理论，转向架以低速通过小半径曲线时，通常是前轮对贴靠外轨，后轮对贴靠内轨，因此当轮对通过曲线时，导向车轮往往会发生车轮轮缘与钢轨轨距角处贴靠，形成2点接触。2点接触形成2个接触斑：1个为钢轨顶面的接触斑，另1个为钢轨轨头侧面的接触斑。由于轮轨之间存在冲角，钢轨侧面接触斑位置超前于钢轨顶面接触斑。一般情况下，冲角越大，则2个接触斑的距离越大，轮缘接触点的蠕滑率和蠕滑力也越大，造成剧烈的轮缘磨耗和钢轨侧磨，且极端情况下钢轨顶面与车轮踏面的接触点会脱开，造成轮缘的一点接触，容易引发爬轨脱轨。

轮轨磨耗的本质，是车轮与钢轨间在接触斑处的相对摩擦，因此摩擦程度与它们之间的相对滑动和摩擦力有关，即与蠕滑率和蠕滑力有关。各国研究人员提出了近10种轮轨磨耗模型及评价轮轨磨耗剧烈程度的磨耗指数[12]，大多数磨耗指数均与冲角相关，其中有2个磨耗指数应用较广泛，1个为由德国研究人员提出的Heumann磨耗指数，当摩擦系数为常量时，Heumann磨耗指数可简化为Vogel磨耗指数[13]；另1个为由英国Derby研究中心提出的Elkins磨耗指数。根据文献[14]的研究结果，Vogel磨耗指数的变化规律与实验规律一致。由于本文研究轮轨摩擦系数对钢轨侧磨的影响，摩擦系数不是常量，因此，本文使用Vogel磨耗指数简化前的Heumann磨耗指数评价钢轨侧磨的剧烈程度。

Heumann磨耗指数为轮缘导向力与冲角的乘积,具体为

WI=μ·F·α

( 1 )

式中：μ为轮轨摩擦系数；F为轮缘导向力；α为冲角。

3 计算结果分析

按照文献[15]中有关规定，动车组一般情况下不得通过半径小于250 m的曲线，通过曲线半径为250 m曲线时，限速15 km/h[14]。并且对曲线轨距加宽进行了调整，见表6。本节计算的车辆速度为15 km/h。

表6 曲线轨距加宽值

3.1 曲线半径影响

曲线半径分别250、300、350 m，曲线超高均设置为15 mm，轮轨摩擦系数均为0.4，半径250 m曲线的轨距加宽设置为5 mm。3组曲线半径对应的钢轨磨耗指数见图7。由图7可知，随着曲线半径的增大，钢轨磨耗指数明显减小。半径300 m曲线的磨耗指数较半径250 m曲线减小约65%；半径350 m曲线的磨耗指数较半径300 m曲线减小约70%。曲线半径增大对减小钢轨侧磨有显著作用，动车所的线路设计时，在现场条件允许的条件下应尽可能增大曲线半径。

3.2 轨距加宽影响

半径250 m曲线，曲线超高设置为15 mm时，轮轨摩擦系数为0.4，轨距加宽分别为5、15 mm的钢轨磨耗指数变化见图8。由图8可知，轨距加宽为5 mm的磨耗指数为29.7；加宽为15 mm的磨耗指数为23.72。轨距加宽为15 mm的磨耗指数较轨距加宽为5 mm的磨耗指数减小约20%。

机车车辆进入曲线轨道时，仍然存在保持其原有行驶方向的惯性，只是受到外轨的引导作用才沿曲线轨道行驶。为使机车车辆顺利通过曲线而不致被楔住或挤开轨道，减小轮轨间的横向作用力，曲线轨距要适当加宽。对于半径250 m曲线，文献[15]将轨距加宽由原先的15 mm缩小到现在的5 mm。而对于动车所内的小半径曲线，由于动车组运行速度较低，且没有搭载乘客，较大的轨距加宽有利于减小轮轨横向力，降低钢轨侧磨量。因此，对于动车所内半径250 m曲线，建议轨距加宽依然设置为15 mm。

3.3 轮轨摩擦系数影响

半径250 m曲线，曲线超高设置为15 mm、轨距加宽设置为5 mm时，轨侧摩擦系数分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5的钢轨磨耗指数,见图9。轨顶摩擦系数为0.4保持不变，计算时模拟采取轨侧润滑后，工作边轨距角处的摩擦系数变化。由图9可知，轨侧摩擦系数分别为0.5、0.4、0.3、0.2、0.1时的磨耗指数分别为32.12、30.31、26.58、19.86、10.51。轨侧摩擦系数为0.4时的磨耗指数较摩擦系数0.5时的磨耗指数减小约6%；轨侧摩擦系数为0.3时的磨耗指数较摩擦系数0.4时的磨耗指数减小约12%；轨侧摩擦系数为0.2时的磨耗指数较摩擦系数0.3时的磨耗指数减小约25%；轨侧摩擦系数为0.1时的磨耗指数较摩擦系数0.2时的磨耗指数减小约50%。

由此可见，如果采取轨侧润滑措施，将轨侧摩擦系数由0.5降低到0.1～0.2，则钢轨侧磨将减小40%～70%。

4 结论与建议

(1) 在某动车所的环Ⅰ线和环Ⅱ线开展了为期一年半的钢轨磨耗跟踪测试，发现钢轨侧磨严重且磨耗不均匀，环Ⅰ线钢轨测试的3个位置中最小钢轨侧磨为8.05 mm，最大钢轨侧磨达到12.69 mm，钢轨使用寿命大约一年半。环Ⅰ线轨距加宽为5 mm，钢轨侧磨速率为1.53 mm/Mt；环Ⅱ线轨距加宽为15 mm，钢轨侧磨速率为0.61 mm/Mt，环Ⅱ线的钢轨侧磨磨耗速率较环Ⅰ线减小约60%。

(2) 曲线半径对减小钢轨侧磨有显著作用。半径300 m曲线的磨耗指数较半径250 m曲线磨耗指数减小约65%，半径350 m曲线的磨耗指数较半径300 m曲线磨耗指数减小约70%。动车所的线路设计时，在现场条件允许的条件下应尽可能减少使用半径250 m曲线。

(3) 动车组在动车所内一般空载且运行速度较低，适当增大轨距可以减小钢轨侧磨。对于半径250 m的曲线，轨距加宽15 mm的钢轨磨耗指数较轨距加宽5 mm钢轨磨耗指数减小约20%。因此，对于动车所内的半径小于300 m的曲线，建议轨距加宽设置为15 mm。

(4) 对于小半径曲线，采取钢轨轨侧润滑措施将轨侧摩擦系数由0.5降低到0.1～0.2，则钢轨侧磨将减小40%～70%，显著降低钢轨侧磨同时改善车轮轮缘磨耗，提升小半径曲线钢轨使用寿命。

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