機車輪對動態檢測系統過渡段設計與動態分析

陸鳳岐 張長福 盧洋 王英奇 黃博聰

第一作者簡介：陸鳳岐（1994-），男，碩士，助理工程師。研究方向為工程結構強度與動力學分析。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.009

摘? 要：機車輪對的磨損是影響機車運營穩定性的不利因素，該文設計的機車輪對動態檢測線路是一種新型不駐車檢測機車輪對磨損狀態的專用軌道線路，顯著提高輪對磨損狀態的檢測效率。檢測線路軌道間距為1 568 mm，寬于標準軌距1 435 mm，此時輪對與軌道正常接觸區域顯著暴露，便于對輪對磨損狀態進行檢測。通過有限元方法模擬機車通過過渡線路的動態分析，驗證該檢測方法的可行性。模擬結果表明，從軌道強度、軌道變形及輪對搭載量3個方面綜合評價，該機車輪對動態檢測線路具有較強實用性，能夠滿足23 t軸重機車以36 km/h速度安全通過的要求，實現不駐車情況下對輪對磨損狀態進行安全檢測。

關鍵詞：輪對磨損；動態檢測；過渡段設計；超大軌距；安全檢測

中圖分類號：U269.3? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0037-04

Abstract： The wear of locomotive wheelset is an unfavorable factor affecting the stability of locomotive operation. the wheel pair dynamic detection line designed in this paper is a new type of special track line for wheel pair wear state of non-parking tester， which significantly improves the detection efficiency of wheelset wear state. The track spacing of the detection line is 1 568 mm， which is wider than the standard rail gauge 1 435 mm. At this time， the normal contact area between the wheelset and the track is significantly exposed， which is convenient to detect the wear state of the wheelset. The dynamic analysis of the locomotive passing through the transition line is simulated by the finite element method， and the feasibility of the detection method is verified. The simulation results show that from the comprehensive evaluation of track strength， track deformation and wheelset carrying capacity， the wheel of this machine has strong practicability for dynamic detection line， and can meet the requirement of 23 t-axle load locomotive passing safely at 36 km/h speed， and realizes the safety inspection of wheelset wear state without parking.

Keywords： wheelset wear; dynamic detection; transition section design; super rail gauge; safety inspection

當重載列車運行在鐵路軌道上時，鋼軌與機車輪對踏面長期接觸，踏面磨損是一種必然現象。為了保證其安全地行駛在軌道上就需要對二者接觸面，也就是輪、軌接觸位置的輪踏面進行檢測[1-2]。目前對輪踏面的檢測方式在運維單位仍然采用駐車檢測，即將車體抬升起來之后，讓輪、軌接觸面進行暴露，再對輪子的踏面進行檢測，這種檢測方法效率很低，且需要耗費大量的人力、物力。

為提高機車輪對磨損檢測效率，學者們提出了動態檢測的概念。高靜濤等[1]調研了國內外的車輪狀態檢測系統，發現已存在多種方法可以實現輪對的動態檢測。任宏偉等[3]提出了一種基于圖像處理的輪對在線動態檢測方法，有效提高了輪對檢測的精度。鄭承來[4]針對現場不同線路曲線進行了線型對比，提出了在軌道曲線線型設計中半波形更具有優勢。楊成坤[5]設計出超大軌距檢測路段，為輪對踏面動態檢測提供了可行方案。

綜上可知，為了保證機車順利地從標準軌距軌道進入超大軌距檢測軌道，需要設計合適的過渡段軌道。本文進行了標準軌道與檢測段超大軌距間過渡段的開發設計，通過對輪軌靜態搭載量計算及軌道強度分析，驗證該機車輪對動態檢測系統的可行性，實現機車安全、平緩地從標準軌道過渡至檢測部分軌道[6]。

1? 過渡段線型設計

為完成輪踏面的磨損檢測任務，需要設置軌距變化過渡段來保證機車輪對平穩順利地駛入、駛出檢測軌道線路。本文設計了一種過渡段線路，用來連接標準軌距軌道與大軌距檢測段軌道。在動態檢測線路過渡段設計過程中，需要考慮基本軌線型、護軌線型、軌道布局等問題。輪對動態檢測線路軌道平面設計如圖1所示。車輪損傷動態檢測項目開始時，列車由AB段標準軌距軌道（軌距為1 435 mm）駛入BC′段（輪對動態檢測系統過渡段軌道），而后駛入C′D′段輪對動態檢測系統軌道進行車輪踏面損傷檢測，在C′D′段檢測路段完成車輪踏面損傷檢測后，由D′E段（輪對動態檢測系統過渡段軌道）回歸標準軌，從而完成列車的輪對動態檢測。為保證機車過渡安全、平順，輪對動態檢測系統過渡段軌道（BC′段、D′E段）設置2段不同線型軌道實現輪對導入、導出。其中BC、DE段為輪對導入、導出區，CC′、D′D段分別為輪對待檢區、輪對檢出區。

1.1? 檢測過渡段基本軌道線型設計

本文設計的檢測過渡段的基本軌道線型由兩部分軌道結構線型組成，第一部分BC段軌道稱為輪對導入區軌道（或導出區軌道）；第二部分CC'段軌道稱為輪對待檢區軌道。第一部分的主要作用是保證輪對在進入檢測軌道的過程中保證平穩、安全；第二部分的主要作用是使機車的輪對保持正確方向。為保證輪對在基本軌上過渡平緩，過渡段輪對導入區的基本軌線型為三次曲線—直線—三次曲線的形式。其中，當圖1中B點為坐標原點的情況下，三次曲線方程為y=9.4×10-9x3。過渡段輪對待檢區線型采用輪對導入區終點與檢測段軌道起點直線相連的方式進行連接。

1.2? 檢測過渡段護軌線型設計

由于軌道過渡段的軌距變化，在駛入檢測段時輪對的晃動容易使其掉軌或者卡住。因此，需在輪對動態檢測線路及過渡段線路上設置護軌結構。為避免連接處碰撞，護軌在輪對導入區進行彎折，并設計ab段護軌設計為圓弧，設計彎曲起始點b與主軌間距最小，輪對在b點前由主軌導向，在b點后由護軌導向，b為導向變更點。其中，護軌設計圓弧半徑為9.4×104 mm，護軌與基本軌相對位置關系如圖2所示。

1.3? 過渡段通過性分析

根據TB 10082—2017《鐵路軌道設計規范》[7]中內容，一個輪對的2個輪緣之間的內側間距為1 353 mm，車輪踏面在橫向的寬度為135 mm。輪對在過渡段軌道的行駛過程中，其靜態搭載量（車輪踏面在基本軌上的接觸寬度）在逐漸變小，護軌的作用就是對輪對起到引導（曲線部分作用）并限制輪子與軌道的間距（直線部分作用），由此車輪方可安全通過。當車輪輪緣緊緊貼住護軌時，通過計算可求得，檢測線路軌道范圍內隨位置變化的靜態搭載量（不考慮基本軌及護軌變形）如圖3所示。從圖中可以看出，基本軌上的輪對其搭載量隨著軌道縱向位置變大而呈現變小趨勢，其最小靜態搭載量值不出現在過渡段軌道上，而是出現在大軌距檢測軌道與過渡段連接處，數值為25 mm。根據《鐵路軌道設計規范》[7]，容許最小輪對搭載量為17 mm。說明車輪雖以最不利的方式進入，但不會有掉軌的情況發生，過渡段設計安全。

圖2? 護軌與基本軌相對位置關系圖

圖3? 搭載量變化曲線

2? 檢測線路過渡段軌道動態分析

2.1? 輪軌有限元模型

由于要實現過渡段軌道的逐漸增大，無法避免其存在眾多部件。為保證結構模型的建立過程中最小化計算成本，動態檢測軌道及過渡段軌道所有部件采用成本較小的C3D8六面體單元建立。通過網格劃分軟件進行結構體離散，最終離散為134 670個單元與87 686個節點。

仿真采取和諧號電車中的轉向架進行建模分析，HXD3轉向架為三軸，軸重為23 t；為保證檢測過渡段可以為重載機車提供檢測服務，加設25 t工況以提高結構適用性；設置36～57 km/h低車速進行仿真實驗，根據《鐵路軌道設計規范》[7]，不同車速及軸重將會對結構產生不同程度橫向力，且車速增大橫向荷載也隨之增大。不同荷載工況設置見表1。

表1? 荷載工況

2.2? 過渡段軌道強度分析

根據設置的工況Z1—Z8，對結構進行有限元數值仿真計算并分析輪對在通過過渡段軌道時的數據結果，得到了和諧號電車（23 t軸重）及重載機車（25 t軸重）對過渡段軌道結構強度的變化規律、最大應力值及最大應力值所出現的位置。

2.2.1? 護軌強度分析

由于在建模過程中，添加了采用剛性約束的支座結構。因此，支座附近護軌結構剛度應大于兩相鄰支座間無支撐部分護軌結構剛度。并隨著輪對向前滾動的同時，軌道結構的軌距也在隨之增大，與此同時護軌發揮作用，假設最不利情況（輪對在晃動過程中對護軌產生擠壓）下，一側護軌緊貼輪緣，另一側護軌與輪緣脫離，擠壓側護軌出現最大應力。數值計算結果也驗證了最大Mises應力出現在兩支座結構所對應的中間部分受擠壓護軌處。通過與鋼材屈服強度對比，薄弱處最大應力小于鋼材屈服強度，結構安全，如圖4所示。

圖4? 車速57 km/h沖擊護軌最大應力Mises云圖

Z1—Z8工況下，輪對運行至護軌最薄弱處最大Mises應力變化情況，且在應力最大值653 MPa的Z8工況下，設計結構安全，如圖5所示。

圖5? 不同軸重下護軌最大Mises應力折線圖

由圖5可知，在重載機車25 t軸重下，護軌應力水平明顯高于23 t和諧號機車軸重的應力水平，且在Z8工況下，護軌數值仿真所得應力值以非常接近材料的抗拉極限σb（653 MPa），根據應力曲線趨勢，機車在速度43～57 km/h增加的過程中，應力曲線斜率明顯大于速度范圍36～43 km/h增長過程。因此，應該將機車輪對駛入、駛出檢測過渡段時速控制在較低水平，有助于保障輪對安全通過檢測段。

2.2.2? 基本軌強度分析

在機車轉向架進入檢測過渡段時，轉向架會出現不規則晃動，在最不利情況下，一側車輪貼住護軌，相應的出現另一側車輪則會遠離護軌，遠離護軌一側的車輪與基本軌的接觸面積增大，從小面積搭接到大面積搭接的變化過程中，基本軌會承受更大的荷載，Z1—Z8工況下基本軌Mises應力如圖6所示。

由圖6可知，在重載機車25 t軸重下，基本軌應力水平明顯高于23 t和諧號機車軸重的應力水平；隨著車速增加，基本軌應力呈平緩上升趨勢，且在Z8工況下，基本軌最大應力為187.6 MPa，遠小于材料的抗拉極限σb，設計結構安全。

圖6? 不同軸重下基本軌最大Mises應力折線圖

3? 結論

1）通過對檢測線路過渡段的靜態搭載量計算及結構強度驗算，本結構設計能夠實現和諧號及重載機車在低速條件下安全駛入、駛出超大軌距檢測段。

2）相比于速度而言，檢測線路過渡段結構對軸重變化更為敏感。因此，在重載列車通過檢測過渡段時，應通過嚴格控制車速的方法，保證機車安全駛入、駛出檢測線。

參考文獻：

[1] 高靜濤，戴立新，王澤勇.輪對狀態動態檢測系統應用綜述[J].鐵道技術監督，2009，37（7）：10-12.

[2] 張甬成.車輛輪對動態檢測裝置[D].成都：西南交通大學，2011.

[3] 任宏偉，李聲.基于圖像的輪對在線動態檢測應用研究[J].機車車輛工藝，2004（5）：29-31.

[4] 鄭承來.建議我國鐵路采用半波型正弦緩和曲線[J].鐵道工程學報，1985（1）：39-45.

[5] 楊成坤.機車輪對動態檢測系統的軌道結構方案設計與分析[D].大連：大連交通大學，2017.

[6] 陸鳳岐.輪對動態檢測系統過渡段設計與動態分析[D].大連：大連交通大學，2019.

[7] 鐵路軌道設計規范：TB 10082—2017[S].2017.