道岔尖轨段打磨目标廓形优化研究

道岔尖轨段打磨目标廓形优化研究

袁玺恩

中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司阿克苏工务段新疆阿克苏843000

摘要：随着钢轨打磨技术的普遍运用，尤其是道岔尖轨打磨要求作业人员技术要过硬，尖轨部分打磨目标轮廓的控制是整个道岔打磨的难点和重点。本文针对目前普速铁路中存在的道岔尖轨段打磨廓形缺乏的问题，运用改进的轮轨最小间隙法对尖轨段钢轨形面进行优化。对基本轨和尖轨部分廓形优化进行设计，并引入踏面跳跃点横向间距作为优化控制条件。试验结果表明:优化后的钢轨廓形与原廓形相比，轮轨平均间隙值下降，在同一轮重下，轮轨间的接触应力峰值可有效降低;接触点位置分布更加均匀，正应力曲线降低，接触斑面积增大，钢轨和车轮之间的相互磨耗明显减少。

关键词：普速道岔;尖轨;钢轨打磨;接触应力;轮轨间隙

引言

道岔是铁路线路的三大薄弱环节之一，直接影响着列车的运行速度和行驶安全。道岔中的尖轨作为变换车轮轨迹的重要钢轨件，其廓形质量状态对轮轨接触动力学及列车变换轨道时的平稳性具有重要影响。

1普速铁路道岔尖轨打磨期间的注意事项探究

在普速铁路道岔尖轨打磨期间需要注意的事项主要体现在以下三个方面，即：（1）工作人员需坚持贯通打磨原则。该内容要求道岔内部钢轨廓形和线路钢轨廓形之间必须保持一致统一的状态，另外还要求小于50m的夹直线在打磨期间，必须与道岔一起贯通打磨。（2）需要注意先将差异消除，之后实施打廓形操作，并且要坚持贯通打磨原则。按照该原则，相关工作人员首先需要做的是对比各测点廓形和目标廓形，之后需要对道岔内以及前后存在明显差异的廓形，需要对其展开差异性打磨处理操作，同时需要根据实际情况，按照道岔区段的整体廓形展开打磨操作，并实施贯穿打磨，以确保打磨质量。（3）在大机打磨和人工打磨期间，两者必须结合起来打磨。在此过程中，必须做好以大机打磨为主，以人工打磨为辅。大机的主要任务在于，给道岔内钢轨整体实施修型操作，而人工则主要负责补充打磨工作，如大机限大区与大机打磨以后廓形偏差没有完全的将病害消除的时候，便需要人工对其进行补充打磨。

2模型

（1）优化范围的选取。道岔转辙区钢轨由基本轨和尖轨两部分组成。通常情况下，只需保证优化范围稍大于接触范围即可。优化范围如图1所示。图1中，A和B表示基本轨优化区域的两端点，C和D表示尖轨优化区域的两端点。区域内坐标点横向固定，竖向可动。尖轨优化范围边缘不可太靠近尖轨与基本轨贴靠处，以避免法向间隙的骤增或骤减。

（2）轮轨最小法向间隙法。在某个横移量xw下，轮轨接触点处的法向间隙求解图如图2所示。在接触点K的切线范围内，选取E、F两点距接触点距离分别为C1和C2，C1与C2值应略小于轮轨接触斑的短轴值。以接触点的法向，按照等间距进行直线分割(如图2所示)，当分割密度取得足够大时，便可近似得到在该位置处的轮轨法向间隙值dki(i=1，2，3，…，m)。dki的平均值Dk即为在某横移量下轮轨对应的平均法向间隙值，即:

将轮轨法向间隙值曲线与横轴的面积值S作为

求解的目标函数，即:

式中:j———对应的平均间隙值个数;h———每次轮对横移的步长。采用3次样条曲线进行进一步拟合，然后利用插值法，以获得平顺的优化点。优化之后的钢轨型面必须在原型面的下方，其约束式为:

式中:Gi———第i点处的约束方程;yi———第i点处的纵坐标值。对于第i点处的上下边界值，有:

式中:Bi———原廓形的位置;Ai———可以变化的区间范围，通常参照打磨车的最大磨削量。利用SQP(序列二次规划)方法进行求解。轮轨最小法向间隙法具体流程如图3所示。

（3）试验验证。以LM型车轮踏面和60kg/m轨右侧单开道岔为例，设行驶轨距为1435mm、轨底坡度为1/40、车轮名义滚动圆半径为420mm，对关键的截面点进行优化分析。跳跃点定义为:当横移量发生微小改变时，轮轨接触点从基本轨跳跃到尖轨，而跳跃点横向间距为车轮踏面上跳跃点之间横坐标之差的绝对值。试验结果表明:优化之后的轮轨间平均法向间隙值变小，在轨顶接触部分降低明显。在整体范围内，轮轨平均法向间形优化能有效降低轮轨间的接触应力峰值。中端优化前、后的轮轨接触分布如图7和图8所示。结果表明:该方法有效降低了优化过程中轮轨的横向跳跃，优化后轮轨接触分布比优化前更均匀，尤其在尖轨处。假定轮重为20t，材料泊松比为0．3，动摩擦因数为0．29，静摩擦因数0．3，杨氏弹性模量为210GPa，结合CONTACT数值程序，可见:优化后的正应力变小，接触斑面积增加，接触应力峰值减小，从而有效减缓钢轨磨耗，可提高其使用寿命。转辙区前端和后端的计算结果同转辙区中端计算结果类似。运用改进的轮轨间隙法对廓形优化后，轮轨平均间隙值下降，轮轨间的接触应力峰值降低。接触点位置分布更加均匀，正应力曲线降低，接触斑面积增大，钢轨和车轮之间的相互磨耗减少。

3大机打磨工艺

为了能够使得切削量得到保障，廓形打磨前10次需要对轨头两侧展开有效的打磨，并且要对打磨速度进行严格的控制，一般其速度被控制在4~5km/h。在完成该项工作以后，需要实施测量工作，同时需要对比设计廓形，其目的在于将打磨切削量与范围更好的确定下来。同时还需要对打磨程序和打磨速度进行有效调整，并在确保调整正确以后实施打磨操作，必要时还需要展开单股打磨操作。在对其打磨12次以后，还需要适当的增加测量频率，并且要对比标准廓形，最后需不断的调整打磨速度，其目的在于能够更好的控制切削量，确保廓形能够打得到设计要求。道岔打磨技术还包括曲股打磨工艺。曲股打磨作业方法需将直股打磨方法作为参照，而曲股短心轨区段在打磨期间，其打磨范围为+3°~+40°。在此过程中，曲股打磨岔后作业其停止位置，需与现场实际情况相结合，在导曲线外向导发现适当延长。按照打磨深度，在实施后几次打磨操作的时候，需要由打磨作业停止位置外顺5~10m，其打磨角度还需要保证将切削位置覆盖。在完成上述工作以后，需要实施打磨接茬操作。通常道岔打磨2次搭茬作业时，工作人员往往需要将其控制在一定的范围内，该范围一般在5m左右。前次作业廓形停止位置一般为接茬的中心点，需要注意的是，在该2.5m范围内，不能够做廓形全覆盖打磨操作。在后次作业期间，廓形打磨停止位置则在接茬的中心位置，并且在全扩面覆盖打磨过程中，能够覆盖整个搭接范围。

结束语

综上所述，借助最小面法向间隙法，在一定改进的基础上优化了道岔区钢轨形面，获得了其目标形面。本文讨论了基本轨和尖轨部分廓形优化，并引入踏面跳跃点横向间距作为优化控制条件，得出以下结论:该方法可有效降低轮轨间的平均法向间隙值，增加轮轨的接触面积，降低接触应力峰值。该方法使得轮轨接触点在轮对横移范围内分布更加均匀，并且分布范围更加广，可以尽量减少在不同横移量下，钢轨上接触位置重叠的情况。该方法对整个横移范围内的接触面积和接触应力值都有所改善，从而能够降低钢轨磨耗，提高其使用寿命，为道岔转辙区打磨提供一个模版。

参考文献

［1］周亮节．钢轨打磨形面研究［D］．成都:西南交通大学，2010．

［2］崔大宾，李立，金学松，等．基于轮轨法向间隙的车轮踏面优化方法［J］．机械工程学报，2009，45(12):205．