钢轨铣磨和打磨对钢轨滚动接触疲劳和磨耗的影响

钢轨铣磨和打磨对钢轨滚动接触疲劳和磨耗的影响

胡英光

中国铁路北京局集团有限公司秦皇岛工务段 河北 秦皇岛 066000

摘要：钢轨滚动接触疲劳和磨耗是影响钢轨使用寿命的主要损伤。随着铁路货运需求的增大，该损伤日益凸显，严重增加了铁路维修成本。为缓解钢轨滚动接触疲劳的产生和磨耗的发展，国内外专家进行了大量的研究，从多角度提出解决办法。Li等分析了不同摩擦因数工况下轨面材料塑性变形和压陷型损伤的变化。Donzella等通过建立有限元模型研究了轮轨滚动接触疲劳和磨耗之间的竞争机制，认为轨面切向应力超过弹性极限时裂纹萌生最快。Jin等通过滚动接触试验机对轮轨磨耗进行分析，主要分析了轴重、冲角、钢轨材料硬度和润滑对钢轨磨耗的影响，并建立了考虑接触应力、接触斑滑移比和磨损表面材料硬度的磨损预测方法。

关键词：钢轨铣磨；钢轨滚动

去除钢轨表面疲劳裂纹最直接的方法是钢轨打磨和铣磨。2013年以来，我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。钢轨打磨可以去除钢轨疲劳损伤，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。打磨车单遍打磨量为0.10～0.12 mm，处理严重疲劳病害时打磨遍数较多，轨面深层病害较难去除。钢轨铣磨作业单遍铣磨量为0.3～1.5 mm，可以有效去除钢轨表面严重的疲劳损伤，但无法修复廓形，铣磨后轮轨关系得不到改善，短时间内轨面疲劳损伤再次出现。目前尚无钢轨铣磨和钢轨打磨综合实施的相关研究。

1 轨道-车辆动力学仿真模型

钢轨滚动接触疲劳和钢轨磨耗的发展主要取决于轮轨接触几何、轮轨蠕滑和轮轨力。为了分析钢轨打磨和铣磨对钢轨滚动接触疲劳和磨耗发展的影响，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。研究对象为半径400 m的曲线区段，全长238 m，缓和曲线段长度为90 m，超高85 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。C80货车运动学拓扑关系和动力学模型见图1。

图1 C80货车运动学拓扑关系及动力学模型 

模型中，钢轨廓形采用该曲线铣磨前、铣磨后和打磨后实测钢轨廓形，见图2。可知：铣磨前下股钢轨两侧存在塑性流动；铣磨后下股钢轨内侧较高，打磨后廓形得到修复。

图2 铣磨、打磨前后曲线上、下股钢轨廓形 

为使仿真计算结果与实测数据接近，对朔黄线运行的货车进行了车轮采集。

实测车轮关键特征分布情况见图3。可知：实测车轮轮缘厚度主要分布在31.0～33.5 mm，占车轮总数的75.3%；轮缘高度主要分布在26.7～27.6 mm，占车轮总数的91.4%；轮缘倾斜度主要分布在9.8～10.8 mm，占车轮总数的93.1%，车轮整体呈现轻微凹磨。

图3 实测车轮关键特征分布

上下股轮轨接触点分布统计见图4。以打磨前上下股钢轨廓形为例，采用不同实测车轮与打磨前上下股钢轨廓形进行匹配。由图4可知，上股轮轨接触点主要分布在轨顶，最大分布占比为45%；下股轮轨接触点主要集中在轨距角处。因此仿真时选取代表车轮进行计算。

图4 轮轨接触点分布统计 

2 轮轨关系和动力学指标变化

2.1 轮轨接触几何关系

铣磨前车轮与下股钢轨轮轨接触点主要集中在轨距角处，且轮轨接触点的分布范围较窄；铣磨后轮轨接触几何关系没有明显改变，曲线下股轮轨接触点依然集中在轨距角处；打磨后轮轨接触点集中问题明显改善，上股轨面轮轨接触点分布范围变大，下股轨面轮轨接触点由轨距角处移动到轨头中心，且无接触点跳跃现象。

2.2 轮轨作用力

铣磨前上下股横向力均方根分别为28.67、19.13 k N；铣磨后上下股横向力均方根分别为19.54、16.17 k N；打磨后上下股横向力均方根分别为18.89、14.87 k N；相比铣磨前，铣磨后上下股横向力分别降低了31.8%、15.4%，打磨后分别降低了34.1%、22.3%。

2.3 轮轨振动加速度

与铣磨前相比，铣磨和打磨综合维修后，上下股车轮横向振动加速度均方根值分别降低33.9%和45.3%。

可知：铣磨后，曲线区段上股轨面最大法向接触应力均方根较铣磨前增大了50.2%，打磨后较铣磨后减小了31.9%；打磨后曲线下股轨面接触应力集中问题得以改善，最大法向接触应力较铣磨前减小了49.5%。

3 结论及建议

为了明确钢轨铣磨和钢轨打磨综合实施对钢轨波磨的治理效果，本文基于朔黄重载铁路小半径曲线和运行车辆实际参数，建立了实参数轨道-车辆多体动力学仿真模型，利用钢轨损伤函数、罚函数和磨耗指数分析钢轨铣磨和打磨对钢轨滚动接触疲劳和钢轨磨耗耦合竞争关系的影响。主要结论如下：

1）钢轨铣磨可以有效去除钢轨疲劳损伤，但未能明显改善轮轨关系；钢轨打磨使轮轨接触点集中问题得到明显改善，可以有效改善轮轨接触关系，降低轮轨横向力、轮轨振动加速度和法向接触应力，有效控制病害发展。

2）对于小半径曲线区段上股钢轨，铣磨前以磨耗为主；铣磨后疲劳伤损严重，钢轨磨耗有所减小；打磨后，钢轨疲劳损伤小于铣磨后，钢轨磨耗指数小于铣磨前，钢轨疲劳损伤和磨耗基本达到平衡状态。

3）对于小半径曲线区段下股钢轨，铣磨前疲劳损伤大，钢轨磨耗快；铣磨后与打磨后的疲劳损伤、磨耗指数均明显下降，且比较接近。

4）建议对较严重的钢轨滚动接触疲劳实施钢轨铣磨和钢轨打磨综合维修，先通过钢轨铣磨去除病害，再通过钢轨打磨修复钢轨廓形、改善轮轨关系，最大程度延缓钢轨病害和磨耗的发展。

参考文献

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