摘要
近年来，重载铁路运输因其成本低、载重多和运量大等优势，受到了各个国家的青睐。大力发展重载铁路运输可以降低运营成本、提升运输能力、提高运输效率，是煤炭和矿石资源运输的主要方式。随着轴重和运行速度的增加，轮轨冲击作用加剧，导致钢轨出现压溃和剥离等破坏形式。影响重载铁路钢轨破坏的另一个重要因素是钢轨磨耗，尤其在小半径曲线地段钢轨磨耗更加严重。因此，研究及解决重载铁路曲线段钢轨磨耗是铁路安全运营和节省维修成本需要迫切解决的问题。 本文以车辆-轨道耦合动力学、轮轨多点接触和钢轨廓形磨耗预测方法为理论支撑，在阅读了大量参考资料的基础上。首先，应用UM软件建立重载铁路车-轨耦合模型；其次，深入研究重载铁路曲线段钢轨磨耗的发展规律；最后利用钢轨廓形磨耗预测方法，研究了曲线半径、外轨超高、轨底坡、运行速度和货车轴重等参数对钢轨磨耗的影响。 本文研究得出的主要结论如下： (1)随着曲线半径增大，外轨侧磨值和钢轨磨耗功率均呈显著减小的变化趋势，建议在铁路选线设计时尽量采用半径大于800m的曲线。随着外轨超高的增大，外轨侧磨值在均衡超高处最小；设置恰当的过超高可以有效减缓外轨侧磨。随着轨底坡的增大，外轨侧磨累积磨耗深度呈先减小后增大的变化趋势，在轨底坡为1:50和1:40时外轨累积磨耗深度较小，恰当的轨底坡可以减缓外轨侧磨。较小的轮轨摩擦系数可以减小钢轨磨耗，建议在小半径曲线地段通过及时打磨钢轨和涂油处理来减小钢轨磨耗。 (2)随着运行速度增大，外轨侧磨累积磨耗深度和钢轨磨耗功率显著增大；垂磨累积磨耗深度先减小后增大，在均衡速度处最小，这表明曲线段重载车辆运行速度在均衡速度附近时可以有效减缓钢轨磨耗。随着货车轴重增大，钢轨累积磨耗深度和钢轨磨耗功率显著增大，这表明较小的货车轴重可以降低曲线段钢轨磨耗，但由于重载铁路运输的需求很难通过减小轴重来减缓钢轨磨耗。当曲线半径为600m时，外轨侧磨量随通过曲线的混合单辆车次增加呈线性增大，当通过混合单辆车次增加515463次时，外轨侧磨值增加1mm；当曲线半径为5000m时，外轨垂磨量随通过曲线的混合单辆车次增加同样呈线性增大，当通过混合单辆车次增加467289次时，外轨垂直磨耗深度增加1mm。 (3)随着外轨侧磨深度由0mm增大至6mm时，脱轨系数和轮重减载率分别增大了54%和62%，重载车辆运行安全性显著降低；轮轨垂向力和轮轨横向力分别增大了32%和24%，轮轨动态相互作用略有加剧。随着钢轨垂直磨耗深度由0mm增大至8mm时，脱轨系数和轮重减载率分别增大了56%和89%，钢轨垂直磨耗和外轨侧磨对车辆运行安全性都具有不利影响。因此，建议钢轨垂直磨耗与外轨侧磨达到限值时，应及时打磨维修钢轨或更换新轨。
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