钢轨擦伤对动车组动力学性能的影响

高速铁路钢轨擦伤严重影响轨道的平顺性，造成轮轨冲击力急剧增大。钢轨擦伤不仅会使轨下基础承受较大冲击荷载，造成其结构破坏，导致钢轨折断；同时也会将冲击载荷反作用给车辆各部件，使其产生疲劳裂纹，严重时甚至导致车辆部件发生疲劳断裂。车辆系统、轨道状态、轮轨匹配、驾驶操作、环境因素等均是造成钢轨擦伤的诱因。钢轨擦伤后，若无法通过打磨等方法进行处理，工务部门只能更换钢轨，造成较大的经济损失。近年来，各个铁路局管辖范围内的高速铁路已经发生多次因钢轨擦伤致使钢轨下道的事件。

高平顺性的轨道状态是高速列车平稳、安全运行的根本保证，在运营维护中针对钢轨擦伤的预防和及时处理是我国高速铁路急需解决的重要问题。目前，针对车轮踏面擦伤[1-3]，国内外学者做了大量基础性的研究工作，但对于钢轨擦伤的产生机理[4-5]及钢轨擦伤对车辆动力学性能的影响的研究相对较少，大部分研究主要还是针对车轮擦伤以后对车辆部件使用寿命和钢轨疲劳伤损发展的影响[6-10]。

为了研究钢轨擦伤对动车组动力学性能的影响，本文以一城际高速铁路存在钢轨擦伤的区段为研究对象，对擦伤钢轨的表面状态进行了测量，简要分析了钢轨擦伤产生的机理，并通过建立车辆动力学模型，分析了无擦伤模型以及擦伤模型的动力学性能特点。

1 工程概况

该城际铁路旅客列车设计速度为160～250 km/h，年通过总质量约50 Mt，全线铺设60 kg/m的U75VG钢轨，客货共线。该线路开通半年以后部分直线和曲线钢轨表面存在擦伤现象。

1.1 问题调查

首先对钢轨表面状态进行仔细的现场观测，采用深度计和平板尺测量擦伤区域的深度和形状，并对擦伤钢轨表面的伤损情况进行宏观分析。测试结果表明：上股擦伤区域大致为椭圆形，其大小约为直径20 mm，深度0.984 mm；下股钢轨轨头擦伤区域呈长条形，其大小约为长度60 mm，深度1.038 mm；上下股擦伤深度均较深。钢轨踏面伤损的表面状态如图1、图2所示。部分岔区也存在类似擦伤。

（3）加大科技人才创新激励力度。鼓励企业通过股权、期权、分红等激励方式，调动科研人员创新积极性。探索科技成果转移转化个人所得税优惠政策，加强知识产权保护力度，积极推动创新成果向生产力转化。

图1 曲线上股钢轨踏面伤损状态

图2 曲线下股钢轨踏面伤损状态

1.2 产生机理

一般来说，普速铁路钢轨的擦伤通常发生在列车启动和制动阶段，车站如果存在上、下坡道也会出现较为严重的擦伤情况，而在平直地段几乎不会发生擦伤情况。客货共线并有动车组运行的线路一般也是由普速客货车造成钢轨的擦伤。高速铁路钢轨的擦伤多数不是由动车组造成的，而是在高速铁路建设或运营过程中由普通列车包括工程车造成的，但也不排除在部分小半径进站曲线是由于动车组制动频繁造成的。

1.3 解决办法

当钢轨表面出现擦伤可以通过打磨设备进行处理。一般来说，当擦伤区域面积较大、深度超过0.5 mm 的时候宜采用铣磨车或者打磨车处理。但铣磨车不具有廓形修复能力，作业效率低，不适用于该线路的局部擦伤缺陷处理；而一般打磨车长度都超过100 m，没有必要为了修复该线路的局部擦伤而增加整条曲线钢轨的磨耗，这会缩短钢轨的寿命。此时，采用小型打磨机进行局部处理就很有必要。采用小型打磨机对擦伤区域进行局部处理时一定要树立廓形打磨意识，做好擦伤区域两侧钢轨的顺接，不应只是简单地将擦伤区域的伤损消除掉而不考虑修复擦伤区域的廓形及平顺性，防止小型打磨机打磨后对钢轨造成额外不平顺。图3为小型打磨机打磨后曲线上股钢轨表面状态。

（3）针对单独抗-HBc阳性，而抗-HBs、HBsAg阴性人群，建议在注射1剂次乙型肝炎疫苗1月后复查 如抗-HBs，如抗-HBs滴度小于 100 IU/mL，则需按照 0、1、2、6 个月 4 次方法接种乙型肝炎疫苗。

图3 曲线上股打磨后钢轨表面状态

2 动力学模型的建立及仿真计算工况

2.1 动力学模型的建立

车辆是一个复杂的多体系统，在建立动力学仿真模型的过程中，对一些次要因素进行简化，对动力学性能影响较大的因素应尽可能与实际工况相似。坐标系采用铁路坐标系，即x轴平行于车辆前进的方向；y轴平行于轨道横截面且以指向右手方向为正方向；z轴垂直于轨道平面且以向下为正方向。

根据各分子在相同电泳迁移率（相同分子量片段）的有无，统计得到所有条带的二元数据，有DNA扩增条带记为“1”，无带记为“0”，利用 Ntsys计算出遗传相似系数、构建聚类图。

采用SIMPACK软件建立通过该线路动车组的动力学仿真模型。仿真模型由1个车体、2个转向架、4个轮对和8个轴箱组成。在计算该车动力学性能时取整车模型，车体、转向架、轮对均取6个自由度，即纵向、横向、垂向、侧滚、点头、摇头；轴箱取1个自由度，即点头。整个车辆系统共计54个自由度,垂向、横向运动耦合在一起。车辆动力学模型如图4所示。

图4 车辆动力学模型

2.2 计算工况

根据既有某型动车组的悬挂参数，对比分析车辆通过擦伤钢轨以及未擦伤钢轨的动力学性能。

采用的钢轨擦伤大小上股为长度30 mm，深度0.52 mm，下股为长度58 mm，深度1.038 mm。直线擦伤布置在左右股钢轨正中心，曲线擦伤布置在曲线中点。采用轨道单个激扰方式进行仿真模拟。

人民群众是创造历史的决定力量，其中人民群众的概念是一个历史范畴，在不同的国家和各个国家不同的历史时期，人民群众有着不同的内容。但是，“马克思在使用‘人民’一语时，并没有用它来抹煞各个阶级之间的差别，而是用它来把那些能够把革命进行到底的确定的成分联为一体。”［2］118在中国历史的每个时期，由于生产力发展水平在不断变化发展，社会主要矛盾也随之发生相应的变化，社会革命和改革的任务也有所不同。因此，中国力量也理所应当包含不同的社会群体，中国力量具有历史性的特点。

2.2.1 直线工况

直线工况为车辆分别通过擦伤钢轨和无擦伤钢轨的直线轨道，轨道谱采用德国高速低干扰谱，分别计算50，100，150，200，250 km/h速度级下的平稳性和舒适度指标，分析的主要参数有动车组车体的振动加速度最大值、均方根值等。

2.2.2 曲线工况

采用爱丁堡产后抑郁量表（EPDS）对护理后两组产妇抑郁情况进行评定，共10个条目，每个条目0～3分，总分30分，评分越高，表示产妇抑郁症状越严重[3-4]。采用本院自行设计拟定的护理满意度问卷对两组护理后产妇的满意度进行统计，总分100分，分数在90分及以上为非常满意；分数在70～89分为满意；分数不足70分为不满意；总满意=非常满意+满意。

曲线工况为车辆分别通过擦伤钢轨和无擦伤钢轨的曲线轨道，轨道谱采用德国高速低干扰谱，计算速度分别为50，100，150，200，250 km/h。仿真计算曲线参数见表1。计算的主要指标包括动车组通过曲线时的轮轴横向力、轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率、磨耗指数。

表1 仿真计算曲线参数

曲线半径/m超高/mm缓和曲线长度/m圆曲线长度/m顺坡率/‰3 000801703100.5

3 动力学计算结果分析

3.1 直线工况仿真计算结果

直线工况下车辆的平稳性、舒适度、最大加速度、加速度均方根值的计算结果见表2—表5。可以看出，擦伤模型的各项指标都较无擦伤模型大，钢轨擦伤对于车辆的动力学性能有一定影响，但影响程度较小。

表2 直线工况下车辆的平稳性计算结果

车速/(km· h-1)横向平稳性指标垂向平稳性指标无擦伤模型擦伤模型无擦伤模型擦伤模型501.218 871.387 131.454 901.565 861001.397 871.487 611.780 491.800 861501.565 581.629 821.956 861.959 372001.717 811.797 952.053 762.057 922501.874 261.967 572.120 952.132 35

表3 直线工况下车辆的舒适度计算结果

车速/(km·h-1)舒适度指标无擦伤模型擦伤模型500.229 6720.229 6741000.468 3650.468 3691500.721 9130.721 9212000.928 5200.928 5232501.201 1221.201 124

表4 直线工况下车辆的最大加速度 m·s-2

车速/(km·h-1)横向加速度垂向加速度无擦伤模型擦伤模型无擦伤模型擦伤模型500.205 650.225 671.412 511.473 521000.274 330.370 771.588 161.708 831500.627 870.727 921.664 551.767 222000.829 610.944 621.791 411.865 712501.007 121.107 121.889 141.949 41

表5 直线工况下车辆的加速度均方根 m·s-2

车速/(km·h-1)横向加速度均方根垂向加速度均方根无擦伤模型擦伤模型无擦伤模型擦伤模型500.022 780.041 650.048 820.071 731000.039 850.055 010.098 810.121 511500.059 910.070 950.138 810.156 582000.080 470.099 610.171 160.193 212500.108 380.131 530.200 810.256 73

3.2 曲线工况仿真计算结果

表6—表10为曲线工况下车辆的轮轴横向力、轮轨横向力、轮重减载率、脱轨系数、磨耗指数，其中磨耗指数为通过擦伤区域的值。可以看出，车辆通过擦伤模型时，车辆的各项安全性指标都急剧增大。尤其是轮重减载率和脱轨系数，在速度大于200 km/h时会发生严重超限现象。当速度从200 km/h 变到 250 km/h，上下股激励不一致，下股的动态作用力急剧增大，车辆高速通过擦伤区域时轮轨的垂向振动加剧，导致减载率突然从0.36左右变化到0.90左右，减载率变化过大。此外擦伤模型的整车磨耗指数比无擦伤模型的整车磨耗指数增大尤为明显，而轮轨是一个整体，反映到钢轨上就是钢轨磨耗速率会显著增大，降低钢轨的使用寿命。

表6 曲线工况下的轮轴横向力 kN

车速/(km·h-1)无擦伤模型轮轴横向力擦伤模型轮轴横向力导向轮对从动轮对导向轮对从动轮对5019.307 8718.698 8721.223 8720.969 8710019.100 8718.881 8720.584 8720.156 8715018.455 8718.307 8721.190 8719.957 9920016.775 8716.618 8718.848 8718.717 8725013.222 8713.313 8718.207 8715.697 87

表7 曲线工况下的轮轨垂向力 kN

车速/(km·h-1)无擦伤模型轮轨垂向力擦伤模型轮轨垂向力导向轮对从动轮对导向轮对从动轮对5071.914 271.885 272.565 272.809 210072.456 272.300 281.815 280.280 215074.285 273.623 292.316 291.643 220075.564 275.109 294.686 294.005 225075.371 275.561 290.904 289.505 2

表8 曲线工况下的轮重减载率

车速/(km·h-1)无擦伤模型轮重减载率擦伤模型轮重减载率导向轮对从动轮对导向轮对从动轮对500.292 120.297 750.298 970.297 061000.295 350.293 130.329 430.323 011500.297 980.291 030.366 620.365 662000.289 850.273 120.360 030.349 552500.258 240.237 440.991 100.889 37

表9 曲线工况下的脱轨系数

车速/(km·h-1)无擦伤模型脱轨系数擦伤模型脱轨系数导向轮对从动轮对导向轮对从动轮对500.186 980.176 520.334 380.326 661000.178 920.173 480.180 860.173 741500.169 770.165 910.175 260.173 972000.152 540.151 350.162 070.160 472500.119 680.119 720.872 710.355 05

表10 曲线工况下的磨耗指数

车速/(km·h-1)整车磨耗指数/kW无擦伤模型擦伤模型500.030 450.120 431000.047 890.118 521500.064 130.132 412000.077 350.141 932500.086 010.153 68

4 结论及建议

1)钢轨擦伤是目前我国高速铁路钢轨伤损的主要形式之一，钢轨擦伤对车辆的动力学性能影响较大。本文测量区域的擦伤程度并不是十分严重，实际线路上可能存在更连续、更严重的擦伤，工务部门应及时发现和治理，防止擦伤给行车带来严重影响。

2)仿真结果表明某型动车组通过钢轨擦伤地段时，钢轨擦伤对车辆的平稳性影响较小，擦伤模型的横向和垂向平稳性指标计算结果均比无擦伤模型要大。

生活化的教学理念是一种先进的教学理念，生活化的课堂教学是一种先进的教学方式，在教学中有着明显的优势，其首先体现在其突出学生的主体地位和挖掘学生的学习潜力上。

3)钢轨擦伤对动车组安全性的影响与车速有关，当运行速度小于200 km/h时，钢轨擦伤对安全性影响较小；当运行速度大于200 km/h时，钢轨擦伤对安全性影响较大，尤其是轮重减载率和脱轨系数在速度大于200 km/h时会发生超限现象。

4)钢轨擦伤对动车组整车磨耗指数影响较大，不利于延长轮轨的使用寿命。

5)随着我国高速铁路运营里程不断增长，钢轨擦伤问题会更加凸显，后续应重点对造成擦伤的原因进行研究，找到造成擦伤的根源，从而采取相应的治理措施。

参考文献

[1]金学松，沈志云.轮轨滚动接触疲劳问题研究的最新进展[J].铁道学报，2011,23(2)；92-108.

[2]赵蓉.高速列车轮对踏面擦伤轨上感知算法研究[D].北京：北京交通大学，2017.

[3]刘俊.货车轮对踏面擦伤分析及预防措施[J].铁道运营技术，2015,21(2):67-68.

[4]魏堂建，刘林芽，李纪阳，等.客运专线钢轨擦伤原因分析[J].铁道科学与工程学报，2015,12(3):491-495.

[5]胡二根.钢轨擦伤原因及其防治[J].铁道建筑，2000,40(1)：32-33.

[6]严隽耄.车辆工程[M].2版.北京:中国铁道出版社，2006.

[7]刘丰收,李闯,田常海.我国高速铁路钢轨早期伤损研究[J].铁道建筑，2018,58(1):138-140.

[8]TRUE H.On the Theory of Nonlinear Dynamics and Its Application in Vehicle Systems Dynamics[J].Vehicle System Dynamics,1999,31:393-421.

[9]史密斯.钢轨滚动接触疲劳的进一步研究[J].中国铁道科学,2002，23(3)：6-10.

[10]霍庶辉,陈国庆.钢轨踏面损伤与打磨技术[J].铁道学报,1991,13(3):105-111.