钢轨轨底坡对重载铁路轮轨关系影响的研究

刘畅

摘要：为从根本上提升钢轨运的安全性及平稳性，要细致分析钢轨轨底坡与重载铁路轮轨之间的关系，计算出不同归地坡条件下，重型钢轨车轮踏面运行期间的各类参数数据。计算结果发现，在采用1/20的轨底坡时，重载铁路轮轨的接触角分布更加均匀，能够从根本上提升车辆的接触面，降低重载铁路轮轨的接触斑面积，保障重载铁路轮轨平稳。

关键词：钢轨轨底坡;重载铁路轮轨;关系

前言：由于钢轨轨底坡的车轮踏面与顶面接触面存在一定锥度，为保障钢轨轴心受力，需注重控横向弯矩力，计算钢轨轨底坡数值，确保钢轨其中接触在轨顶中部，从根本上提升钢轨的横向稳定力，控制钢轨的损耗程度，降低钢轨与重载铁路轮轨维护成本。

1、钢轨轨底坡与重载铁路轮轨之间的关系研究现状

通常情况下，在钢轨行进期间，车轮踏面与钢轨顶部存在一定锥度，为从根本上控制横向弯曲，确保钢轨始终保持在一个向内的倾斜度，需设置钢轨轨底坡数值，确保钢轨轨底坡的设置能够保障钢轨接触力集中在钢轨顶部，从根本上提升横向稳定性，因此需对钢轨轨底坡的设置数值进行细致研究，就目前来看，各国研究钢轨轨底坡的进度不同，相应的轨底坡数值存在较大差距。在欧洲大部分国家，钢轨轨底坡数值设置通常遵循UIC标准，采用1/20轨底坡设置方式。车轮以及锥形踏面、磨耗型踏面等均为1/20;美国以及日本等国家，钢轨轨底坡采用1/40的设置手段;瑞士等国钢轨轨底坡为1/30。

20世纪60年代中，我国直线地段钢轨轨底坡的数值从原有1/20更改为1/40。经过文献资料调查发现，由于当时轨道标准不够完善，主要采用钩头道扣压钢轨的方式，导致钢轨在实际运行过程中经常会出现翻转或扣道钉浮起等问题，导致钢轨底坡不断减少。由于钢轨运行期间，车轮踏面会受到各种荷载力的影响，导致踏面锥度逐渐趋向于1/40。

以朔黄铁路龙宫工务工队的调查研究来发现，管内小半径曲线轨枕（含普枕、桥枕）存在大量承轨槽磨损现象，导致轨枕轨底坡变化从而出现部分大轨距、轨距变化率、水平不均、三角坑等病害，增加了工队养护维修难度。据统计，以每公里线路1667根轨枕配置进行计算，磨损轨枕总量已占到小半径曲线轨枕量的21.94%（磨损轨枕普枕4792根、桥枕1684根）。经过原因分析，1、工队管内上行线轨枕分别于2008年至2012年间上线，至今通过总重已达到17亿至23亿吨，导致产生疲劳磨损。2、出现轨枕磨损的曲线道床均存在道床板结、翻浆冒泥等病害，道床弹性不足导致轨枕承轨槽磨损。3、通过检查磨损后承轨槽状态，与热塑型胶垫基本一致，热塑型胶垫材质较硬也导致轨枕承轨槽磨损。

通过分析钢轨轨底坡与重载铁路轮轨之间的关系，发现曲线地段钢轨轨底坡应保持在1/20，确保车辆曲线通过性能能够得到根本上的改善，同时缓解曲线区域外轨磨损程度。因此从一定角度上来说，对钢轨轨底坡数值的优化不仅需分析钢轨形面特征，还应考虑到线路条件、重载铁路轮轨等因素，计算出更加适当的钢轨轨底坡设置数据。

2、重载铁路轮轨模型的设立

本文采用多体动力学分析软件，对重载铁路轮轨动力学模型进行构建，分析模型内砌块运行自由度，计算出砌块摩擦产生的压力。通过实际验证发现，重载铁路轮轨模型能够展现出重载铁路车体以及摇枕之间的作用关系，切实提升重载车辆回转摩擦力以及车体结构的抗侧滚能力，因此可在研究钢轨轨底坡与重载铁路轮轨关系时发挥出重要作用。

3、分析钢轨断面特征

作为铁路轨道重要组成部分，钢轨承载力以及抗摩擦力能够从根本上引导列车车轮正常运行。钢轨顶端与车轮部分直接联系在一起，要求该部分具有较强的抗压力以及耐磨性，确保钢轨头部重量与体积符合质量要求，其外形能够与车轮踏板相互适应。

就目前来看，重轨车轮发展速度不断加快，国内运煤干线所使用的重型轨道数量增多，机械性能不断提高，轨道顶部的运行半径增加了200毫米，从根本上扩大了车轮与底部的接触面积，使轨道顶部承载能力不断增加，顶部锥度相应减小。

4、静态接触参数的计算

在分析钢轨轨底坡与重载铁路轮轨结构之间关系时，应做好静态接触参数的计算工作。钢轨轨底坡数值的改变可直接影响到轮毂接触点分布情况，改变接触角差、轮径差等数值[3]。分析1/40与1/20轨底坡的静态接触参数，发现1/40轨底坡接触面集中分布于钢轨中轴线处，1/20轨底坡接触面分布于钢轨中轴线两侧，受力范围更加均匀。

通过计算不同轨底坡数值的轮径差以及接触角差发现，1/40轨底坡的轮径差与接触角差均小于1/20的轨底坡。由于轨底坡不断增大，钢轨运行期间的横移量与重力刚度进一步提升，更好改善了轮轨的恢复对中性，有效控制钢轨在实际运行期间的摩擦损耗量。钢轨轨道底坡的轮对横移量接近10mm的情况下，曲线形态发生较大改变，轮缘接触现象明显。由此可判断出，1/20钢轨轨底坡，比1/40钢轨轨底坡更容易发生轮缘接触。

5、钢轨轨底坡与重载铁路轮轨的动态响应情况

钢轨轨底坡参数数值的设置可直接影响到钢轨接触面位置，通过不断优化钢轨接触量，能够有效改善轮轨动态接触行为，确保重载车辆的动力学响应发生改变。采用当前先进的动态仿真技术，分析重载车辆在匀速行进时，1/20钢轨轨底坡与1/40钢轨轨底坡的横移量、冲角、轮轨力等数值，判断出钢轨轨底坡设置情况对车辆曲线通过性能的影响。

通过绘制动态仿真图形模型，发现车辆通过曲线时，不同钢轨轨底坡的导向车轮横移量存在极大不同。具体而言，在1/40钢轨轨底坡时，圆曲线车轮的横移量为7.3mm;1/20钢轨轨底坡时，圆曲线车轮的横移量为6.5mm。根据此结果可发现，轮轨的横移量数值与钢轮的重力及刚力具有直接影响，钢轮的重力与刚力增大，轮轨的横移量数值减小。在冲角、横向力减小的情况下，钢轮的重力与高度明显增加。钢轨轨底坡数值由1/40转变为1/20，能够更好控制曲线钢轨的磨损程度，延长钢轨使用寿命，从根本上提升鋼轨后期运维的成本利用率。

6、钢轨轨底坡与重载铁路轮轨关系的实践验证

通过分析钢轨轨底坡与重载铁路轮轨关系，将1/20钢轨轨底坡应用在当前钢轨侧磨损治理环节，开展钢轨轨底坡综合治理试验，验证了钢轨轨底坡数值增大的必要性，从根本上增强钢轨减磨效果。通过对比分析1/20与1/40钢轨轨底坡的磨损程度，发现随着钢轨轨底坡数值增大，外轨道侧磨损程度得到控制，从原有50%的磨损量减少到25%。

为做好国内钢轨轨底坡优化工作，应细致判断钢轨实际运行情况，遵照钢轨损耗程度以及横移量数值，明确钢轨轨底坡优化范围。为有效提升钢轨耐磨性能，相关部门要细致分析曲线钢轨轨道的不对称外观特征，通过该特征对钢轨轨底坡进行不对称打磨，由原有1/40钢轨轨底坡稳定朝向1/20钢轨轨底坡数值转变。

总结：

总而言之，通过分析钢轨轨底坡以及重载铁路轮轨具体特征，控制钢轨轨底坡计算数值，采用更加先进的多体动力学软件，分析钢轨轨底坡静态接触几何关系。发现在不同钢轨轨底坡的轮接触点时，轮缘接触面积不同，受力情况需经过细致分析。同时，计算出钢轨轨底坡运行期间的轮径差与接触角设置数值，确保通过控制钢轨轨底坡以及重载铁路轮轨结构，提高轮轨自身承载力与稳定性。

参考文献：

[1]钟浩，王文健，刘启跃. 钢轨型面对重载轮轨匹配关系影响[J]. 机械设计与制造，2014（04）：61-64.

[2]王文健. 轮轨滚动接触疲劳与磨损耦合关系及预防措施研究[D].西南交通大学，2013.

[3]周宇，王少锋，张杰，姜俊楠. 轨底坡对曲线线路钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响[J]. 中国铁道科学，2015，36（01）：25-32.