道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响.pdf

Vol.44 No.5September，2023中国铁道科学CHINA RAILWAY SCIENCE第 44 卷，第5期2 0 2 3 年 9 月道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响高原，司道林，王树国，杨东升（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081）摘要：为揭示轮轨廓形演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响，结合迹线法和基于先进经验的窗口放缩搜索法，构建道岔区轮轨多点接触几何模型，并利用传统迹线法和成熟商业软件对比验证几何模型计算的精确性；在测试长期服役过程中真实车轮型面和道岔变截面钢轨廓形的基础上，研究不同服役阶段下轮轨廓形演变对接触点分布、滚动圆半径差和侧滚角的影响，进而分析轮轨接触几何关系和轮轨力过渡特性。结果表明：随着道岔通过总重的增加，轮轨接触点从基本轨提前迁移至尖轨；磨耗会导致轮轨接触点发生跳跃、分布不连续，从而显著增加轮轨间动态相互作用；随着磨耗进一步加剧，轮对侧滚角最大值从0.04 mrad逐渐减小至0 mrad并最终出现负值；轮轨垂向力和车体加速度从86.643 kN和0.032 m s2分别升至101.466 kN和0.038 m s2后，脱轨系数和轮重减载率对应从0.433和0.215分别升至0.505和0.247，显著降低了列车行车平稳性和安全性。关键词：高速道岔；多点接触算法；廓形演变；轮轨接触关系；窗口放缩搜索法中图分类号：U213.6 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1001-4632.2023.05.17道岔是实现列车转线或跨线运行必不可少的基础设备，是铁路成网的关键节点，因其结构复杂、状态多变、病害繁多，是高速铁路线路的薄弱环节及养护维修的重点和难点1。轮轨接触几何关系是反映轮轨动态相互作用和轮轨接触力学的重要指标之一2，受道岔区钢轨变截面特性及多点接触的影响，且长期服役条件下道岔区钢轨组合廓形会同时演变，致使轮轨接触几何关系复杂多变，加剧了轮轨间动态相互作用，并显著影响道岔钢轨服役寿命和行车安全性，导致铁路运营和养护维修成本显著提升3-5。针对道岔区复杂的轮轨接触几何关系，国内外学者开展了大量相关研究，提出多种数值分析方法，并经历了车轮型面从锥形或圆弧形过渡至任意形状、轮轨接触从二维过渡至三维的过程6-7。王平等考虑了真实道岔结构特征，提出了可用于分析车轮磨耗对轮轨接触关系影响的方法8；任尊松等在迹线法的基础上，引入轮轨多点接触准则，提出了可计算道岔区轮轨多点接触的理论方法，避开了复杂的赫兹或非赫兹接触计算过程9-10；钱瑶和罗燕等提出了考虑道岔变截面钢轨廓形特性的法向切割法，能准确探明不同轮对横移量和摇头角下的道岔区轮轨接触几何关系11-12；秦航远等针对道岔区复杂的轮轨接触几何关系，结合轮轨多点判定准则，利用曲面轮廓投影方法对变截面和非变截面钢轨与车轮的空间接触几何关系进行了分析 13；Shu等编制了可精确求解道岔轮轨接触行为的软件NUCARS，详细分析了车轮滚动通过道岔过程中的轮轨接触几何关系14。上述文献针对道岔区轮轨接触几何关系开展了深入研究，但仅分析钢轨廓形或车轮型面单独发生演变时道岔区轮轨多点接触分布规律，未全面揭示道岔实际服役中复杂的接触关系。本文通过对不同服役阶段道岔和过岔列车的轮轨真实廓形开展长期跟踪测试，结合多点接触算法评估不同服役阶段下道岔钢轨和车轮型面的轮轨接触关系，全面考虑道岔钢轨廓形演变过程中与不同服役阶段车轮磨耗型面相互作用时的轮轨接触几何，揭示道岔区轮轨接触几何关系随通过总重的演文章编号：1001-4632（2023）05-0169-11引用格式：高原，司道林，王树国，等.道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响 J.中国铁道科学，2023，44（5）：169-179.Citation：GAO Yuan，SI Daolin，WANG Shuguo，et al.Influence of Wheel-Rail Profile Evolution on Contact Geometric Relationship in Turnout J.China Railway Science，2023，44（5）：169-179.收稿日期：2022-09-26；修订日期：2023-06-15基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题（K2021G026）；中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题（2020YJ208）第一作者：高原（1994），男，湖北宜昌人，助理研究员，博士。E-mail：第 44 卷 中国铁道科学变规律，探明长期服役条件下轮轨廓形演变对道岔区轮轨接触几何关系的影响。1 道岔区轮轨多点接触几何模型在考虑车轮和道岔真实接触几何廓形的影响下，结合二分法搜索左右股车轮和钢轨同时接触时的姿态，随后构建移动窗，结合先进经验的分析方法对道岔区轮轨潜在接触点进行分析，进而构建道岔区轮轨多点接触几何模型。1.1模型建立1.1.1轮轨接触迹线的确定道岔区轮轨接触点位置及坐标系示意图如图1所示。图中：OrXrYrZr和OwXwYwZw分别为轨道坐标系和轮对坐标系，其中轮对坐标系原点Ow为质心，Xw为轮对前进方向，因此侧滚角为OwYw和XrOrYr平面间的夹角，摇头角为OwYw和XrOrZr平面间的夹角；dw为轮对横移量。车轮型面对应的旋转曲面可视为一系列以轮轨中心线为轴的滚动圆，该滚动圆上轮轨接触点组成的空间曲线为轮轨接触迹线，该迹线在YOZ平面上的投影可视为平面接触迹线。将车轮投影至车轮坐标系Xw=0平面上的曲线视为车轮初始轮廓线，其中Owc=(0dw0)，可视为轮对横移后车轴中心线上的滚动圆中心；由于轮对摇头角影响，每个滚动圆上与钢轨可能发生潜在接触点OC通常不位于最低点，会存在一定的超前或滞后角度，因此滚动圆上任意轮廓线上点i在轮对坐标系中的坐标xwi，ywi和zwi可表示为()xwiywizwi=()00sini01000cosi()0y0z0()0dw0i=1,2,n-1（1）式中：y0和z0分别为初始轮廓线上节点的横向、垂向坐标。对于道岔钢轨，沿线路纵向的廓形会发生变化，因此需要采用合适的数值方法获得可靠的钢轨廓形。将实测的道岔区关键控制断面处钢轨廓形进行离散处理，采用分段三次多项式将离散钢轨进行插值拟合，获得道岔非控制断面处钢轨潜在接触区段的坐标信息，并将获得的坐标信息用于道岔区轮轨接触几何关系计算。进行插值拟合时采用的分段三次多项式为fr(y)=ai+bi(y-yi)+ci(y-yi)2+di(y-yi)3（2）式中：fr(y)为轮轨接触区坐标函数；ai，bi，ci和di均为多项式系数；y和yi分别为拟合节点和关键断面节点上的横向坐标。若分析对象为磨耗或打磨后钢轨廓形，则需要采用廓形测量仪每隔1段距离测量1次钢轨廓形，尤其是磨耗严重区域，测量距离越短则拟合得到的磨耗道岔钢轨型面信息越接近真实。当利用分段三次多项式进行插值拟合时，需要采用迹线法将空间曲面的面-面接触问题转化为曲线间的线-面接触问题，转化过程主要考虑以下基本假设得到：首先，假设轮对为刚体，且车轮型面上任意点位置均可通过轮对坐标系表征；其次，车轮型面通过轮对中心线为轴的曲面旋转而成，且钢轨假定为道岔区该截面的拉伸体，在已知摇头角和横移量dw的条件下，当上述假设成立时，通过车轮型面与道岔钢轨廓形信息及它们的相对位置关系，结合迹线法计算出车轮型面上的接触迹线；最后，利用“最小距离法”搜索接触迹线与对应钢轨距离最小的点，用于确定轮轨接触点位置及相应的接触几何参数。潜在接触点OC在轨道坐标系中可表示为OC=()cos-sincossinsinsincoscos-cossin0sincos()xwiywizwi+()0dw0（3）接触点法向矢量noc在总体坐标系中可表征为noc=nWnRkc（4）其中，nW=()cos-sincossinsinsincoscos-cossin0sincos图1道岔区轮轨接触点位置及坐标系示意图170第 5 期道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响nR=()cossinsincossin0cos-sin-sinsincoscoscoskc=()001式中：为轮轨接触角。将侧滚角代入式（3）确定潜在接触点，通过调整横向位移dw即可确定轮轨接触轨迹，所得轮轨接触轨迹可用于后续接触几何参数的计算。1.1.2轮轨接触点的计算确定轮轨接触迹线后，可将轮轨空间曲面接触问题转化为空间曲线与曲面的接触问题，此时求解轮轨接触几何状态时可分为2类：当不考虑轮对摇头角时，可采用刚性约束模型，假设轮轨均为刚体且接触过程中不存在渗透，根据左右轮轨接触迹线与钢轨截面曲线之间的最小垂向距离之差接近零确定接触点位置，而受刚性约束下轮对横移、侧滚和垂向位移等因素不独立的影响，需要将轮对横移作为自变量求解轮轨接触点和侧滚角；当考虑轮对摇头角时，需要采用基于几何渗透的接触方法，该方法假定轮轨相互作用过程中轮轨接触迹线与钢轨截面发生渗透或脱离，但不存在变形。因此，基于几何渗透的接触方法可考虑轮轨接触过程中的6个独立自由度，并能高效模拟爬轨、跳轨和脱轨等特殊状态，并将渗透量最大对应的节点作为轮轨接触点。利用几何渗透接触方法求解的具体步骤如下。（1）给定初始车轮垂向位移范围hS，hL，并取两者的中值h=(hS+hL)/2作为初始轮对垂向位置，保证接触迹线随之一起移动。（2）在已知轮对横移量和摇头角的条件下，通过经验值判断并搜索给定轮轨接触的侧滚角范围S，L，基于最小距离法求取左右侧轮轨间最小距离差f（）=d=dL，min-dr，min（dL，min和dr，min分别为左侧和右侧轮轨间的距离），若d=0，则判定轮轨发生接触；若d0，该侧滚角条件下轮轨 未 发 生 接 触，需 要 缩 小 侧 滚 角 范 围，若f()f(S)st+st 单点接触-swdst-swst+st多点接触dst-sw-sw 单点接触（8）式中：dst-sw为尖轨与基本轨上接触点之间的垂向距离差；st为基本轨完全承受车轮荷载时的垂向刚体位移；sw为尖轨完全承受车轮荷载时的垂向刚体位移。1.2模型验证以 LMA车轮型面和 18 号高速道岔尖轨顶宽15 mm断面为例，将其导入至道岔区轮轨多点接触171第 44 卷 中国铁道科学几何模型中进行计算，在考虑摇头角的情况下，基于道岔区轮轨多点接触几何模型的计算结果分别与迹线法和商业软件 SIMPACK 的计算结果进行对比，验证本文方法的正确性。考虑轮对摇头角的情况下，基于本文模型和迹线法的计算结果差值如图2所示。考虑轮对摇头角时，接触点所组成的轮轨接触迹线会偏离主轮廓线对应的道岔钢轨，运用迹线法所得结果与本文方法计算结果偏差较大，尖轨和基本轨上接触点的坐标差值最大可达40 mm。受道岔变截面钢轨廓形和轮轨不对称激励的影响，轮对在道岔中必然存在一定的摇头角，加之迹线法未曾考虑道岔区多点接触等特殊状况，因此传统迹线法不再适用道岔轮轨接触几何的计算，也无法考虑轮轨廓形演变对接触几何关系的影响。为进一步验证程序计算结果的精确性，当轮对存在摇头角时，利用轮轨接触几何程序与动力学软件SIMPACK的计算结果差值如图3所示。由图3可以看出：2种计算结果中轮轨接触点在尖轨和基本轨上的分布区域大致相近，基本集中于0附近，但部分结果存在较小偏差，位于基本轨和尖轨上的接触点最大偏差值分别为3.8和2.1 mm，该偏差值远小于接触斑尺寸，可从一定程度上验证程序计算结果的精确性。2 轮轨廓形演变条件下轮轨接触几何计算基于道岔区轮轨多点接触几何模型，以车轮LMA型踏面与对应的 18 号高速道岔钢轨廓形为研究目标，分别测试不同磨耗阶段轮轨的真实几何廓形，揭示轮轨廓形动态演变对接触点分布和接触几何参数（滚动圆半径差、侧滚角等）的影响。（a）基本轨侧X轴差值（d）尖轨侧Y轴差值（b）尖轨侧X轴差值（e）基本轨侧Z轴差值（c）基本轨侧Y轴差值（f）尖轨侧Z轴差值图2基于道岔区轮轨多点接触几何模型和迹线法计算结果差值（考虑摇头角）1510505101584048 钢轨Y方向差值 钢轨Z方向差值 车轮Y方向差值 车轮Z方向差值接触点差值/mm轮对横移量/mm（a）基本轨差值172第 5 期道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响2.1轮轨真实廓形的测试为揭示道岔钢轨廓形演变过程中与不同服役阶段车轮磨耗型面相互作用时的轮轨接触几何，需准确获取不同服役时刻下轮轨真实几何廓形，以沪宁城际高速铁路镇江站高速道岔作为研究目标，建立钢轨廓形跟踪测试试验段，该试验线路日通过总重为48 t，过岔列车日均80次，平均运营速度为250 km h1。采用轮轨廓形测量仪 Miniprof定期对高速道岔钢轨廓形及相关车轮型面进行跟踪测试，测试仪器和现场情况如图4所示。测试钢轨廓形时，关键断面尽量选用道岔设计生产过程中的控制断面，并每隔0.2 m取1个测试断面，在提升测试精度的同时保证所测廓形变化量能够反映道岔钢轨廓形的纵向变化特征。选取 2018 年 3 月2018 年 10 月的测试结果，其中道岔区钢轨组合廓形选取顶宽分别为5，20，35和50 mm的关键断面。车轮共测量200个型面，由于列车服役时间长短不同，选取典型车轮磨耗型面代表不同服役阶段，测量的磨耗车轮型面和道岔钢轨廓形如图5所示。15105051015420246 钢轨Y方向差值 钢轨Z方向差值 车轮Y方向差值 车轮Z方向差值接触点差值/mm轮对横移量/mm（b）尖轨差值图3基于道岔区轮轨多点接触几何模型与动力学软件计算结果差值（考虑摇头角）（a）测试仪器Miniprof（b）35 mm尖轨断面廓形测试图4测试仪器和现场情况80400408040302010010垂向坐标/mm横向坐标/mm车轮型面 (20180324)车轮型面(20180628)车轮型面(20181010)（a）车轮型面80406020040205051015 垂向坐标/mm横向坐标/mm 20180324 20180628 20181010（d）道岔35 mm钢轨廓形806040200205051015垂向坐标/mm横向坐标/mm 20180324 20180628 20181010（b）顶宽5 mm钢轨廓形8040040805051015垂向坐标/mm横向坐标/mm 20180324 20180628 20181010（e）道岔50 mm钢轨廓形80 602040040205051015 垂向坐标/mm横向坐标/mm 20180324 20180628 20181010（c）道岔20 mm钢轨廓形图5不同服役时间实测车轮型面与高速道岔钢轨廓形173第 44 卷 中国铁道科学由图 5 可以看出：随道岔通过总重的不断增加，轮轨磨耗不断加剧，轮轨廓形均发生动态演变；车轮型面磨耗区域的横向坐标范围为3030 mm，且随车轮运行历程的增加而增加；对于道岔钢轨，受其变截面特性的影响，不同断面处、不同钢轨件的磨耗分布规律存在显著差异，其中基本轨的磨耗主要位于轨顶区域，尖轨轨顶靠近工作边侧的磨耗相对严重。2.2轮轨廓形演变对接触点分布的影响基于2.1中获得的真实钢轨廓形和车轮型面，利用道岔区轮轨多点接触几何模型，对不同服役阶段下车轮型面与5，20，35和50 mm断面道岔钢轨廓形匹配时的轮轨接触点进行计算，得到轮轨接触点分布规律如图6所示。151050510151510505101580604020020 钢轨横向坐标/mm钢轨竖向坐标/mm轮对横移量/mm车轮型面下接触点坐标道岔钢轨5 mm断面廓形车轮型面下接触点坐标车轮型面下接触点坐标（a）5 mm断面（3月）15105051015151050510158060402002040 钢轨横向坐标/mm钢轨竖向坐标/mm轮对横移量/mm车轮型面下轮轨接触点道岔钢轨20 mm断面廓形车轮型面下轮轨接触点车轮型面下轮轨接触点（d）20 mm断面（3月）15105051015151050510158060402002040 钢轨横向坐标/mm钢轨竖向坐标/mm轮对横移量/mm车轮型面下接触点坐标道岔钢轨35 mm断面廓形车轮型面下接触点坐标车轮型面下接触点坐标（g）35 mm断面（3月）15105051015钢轨竖向坐标/mm15105051015806040200204060钢轨横向坐标/mm轮对横移量/mm车轮型面下接触点坐标道岔钢轨50 mm断面廓形车轮型面下接触点坐标车轮型面下接触点坐标（j）50 mm断面（3月）151050510151510505101580604020020 钢轨横向坐标/mm钢轨竖向坐标/mm轮对横移量/mm车轮型面下接触点坐标道岔钢轨5 mm断面廓形车轮型面下接触点坐标车轮型面下接触点坐标（b）5 mm断面（6月）15105051015151050510158060402002040 钢轨横向坐标/mm钢轨竖向坐标/mm轮对横移量/mm车轮型面下轮轨接触点道岔钢轨20 mm断面廓形车轮型面下轮轨接触点车轮型面下轮轨接触点（e）20 mm断面（6月）15105051015151050510158060402002040 钢轨横向坐标/mm钢轨竖向坐标/mm轮对横移量/mm 车轮型面下接触点坐标道岔钢轨35 mm断面廓形车轮型面下接触点坐标车轮型面下接触点坐标（h）35 mm断面（6月）15105051015钢轨竖向坐标/mm15105051015806040200204060钢轨横向坐标/mm轮对横移量/mm车轮型面下接触点坐标道岔钢轨50 mm断面廓形车轮型面下接触点坐标车轮型面下接触点坐标（k）50 mm断面（6月）151050510151510505101580604020020 钢轨横向坐标/mm钢轨竖向坐标/mm轮对横移量/mm车轮型面下轮轨接触点道岔钢轨5 mm断面廓形车轮型面下轮轨接触点车轮型面下轮轨接触点（c）5 mm断面（10月）15105051015151050510158060402002040 钢轨横向坐标/mm钢轨竖向坐标/mm轮对横移量/mm车轮型面下轮轨接触点道岔钢轨20 mm断面廓形车轮型面下轮轨接触点车轮型面下轮轨接触点（f）20 mm断面（10月）15105051015 钢轨竖向坐标/mm151050510158060402002040钢轨横向坐标/mm轮对横移量/mm 车轮型面下接触点坐标道岔钢轨35 mm断面廓形车轮型面下接触点坐标车轮型面下接触点坐标（i）35 mm断面（10月）车轮型面下接触点坐标道岔钢轨50 mm断面廓形车轮型面下接触点坐标车轮型面下接触点坐标15105051015钢轨竖向坐标/mm15105051015806040200204060钢轨横向坐标/mm轮对横移量/mm（l）50 mm断面（10月）图6关键断面轮轨接触点分布174第 5 期道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响由图6可以看出：不同服役阶段下车轮与道岔钢轨间的轮轨接触点分布规律存在差异，当车轮型面与道岔钢轨廓形匹配较好时（车轮型面，和分别对应匹配3，6和10月道岔钢轨实测廓形时），轮轨接触点均匀分布在道岔钢轨上；随着轮对横移量逐渐增加（1212 mm），轮轨接触点从轨顶迁移至轨距角附近；在道岔钢轨20 mm断面，轮轨接触点将从基本轨逐渐迁移至尖轨，随着轮轨磨耗进一步发展且轮对横移量相对较小时，轮轨接触点将提前从基本轨迁移至尖轨；在35 mm断面，车轮荷载从基本轨持续向尖轨过渡，且随着轮轨磨耗的进一步加剧，基本轨和尖轨上的轮轨接触点逐渐向尖轨非工作边迁移；在道岔钢轨50 mm断面，随着轮轨服役时间的增加，磨耗剧烈的车轮和钢轨越容易提前完成轮载过渡，这是由于轮轨磨耗程度增大而导致的横向不平顺加剧所引起的，另外，由于车轮型面磨耗较少，而尖轨磨耗相对较大，型面车轮在此处会发生多点接触现象，而车轮型面和型面车轮由于磨耗较大，在道岔钢轨 50 mm 断面会结束多点接触；随着服役时间的增加，磨耗剧烈下的轮轨接触点逐渐向外侧移动，并发生跳跃而导致其分布不连续，这会显著加剧轮轨间的动态相互作用，致使道岔钢轨伤损严重。结合多体动力学模型对列车直向通过转辙器的动态响应进行计算，道岔钢轨选用实测廓形，列车参数选用CRH2型动车组16的相关数据，得到考虑轮轨廓形演变的转辙器区动力学响应最大值计算结果见表1。由图6和表1可以看出：随着车轮镟修后运营里程的增加，车轮型面磨耗越大，轮轨接触点在钢轨廓形上分布的范围相对越大，且发生轮载过渡时的轮轨接触点发生跳跃，并显著加剧了轮轨间动态相互作用；当钢轨廓形发生演变时，轮轨接触点仍不断向外侧移动，基本轨上存在多处轮轨接触区域，轮轨接触点跳跃的剧烈程度有一定程度的衰减。2.3轮轨廓形演变对滚动圆半径差的影响滚动圆半径差是表征轮轨接触姿态和接触几何关系的相关参数，也是反映轮轨动态特性作用的重要指标。不同服役阶段车轮型面与 5，20，35 和50 mm断面处道岔钢轨廓形匹配时的轮轨滚动圆半径差分布规律如图7所示。表1考虑轮轨廓形演变的转辙器区动力学响应计算结果道岔钢轨廓形测试时间3月6月10月车轮型面车轮型面车轮型面车轮型面车轮型面车轮型面车轮型面车轮型面车轮型面车轮型面轮轨垂向力/kN86.64389.28393.92989.34894.51899.74294.36598.461101.466车体垂向加速度/(m s2)0.0320.0360.0330.0350.0370.0350.0360.0370.038脱轨系数0.4330.4600.4800.4450.4700.4950.4700.4900.505轮重减载率0.2150.2250.2340.2170.2300.2420.2300.2390.24715 105844000448510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm 车轮型面 车轮型面 车轮型面（a）5 mm断面（3月）15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm84400448 车轮型面 车轮型面 车轮型面（d）20 mm断面（3月）车轮型面 车轮型面 车轮型面15 105051015轮对横移量/mm3020100102030滚动圆半径差/mm84400448（b）5 mm断面（6月）15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm84400448 车轮型面 车轮型面 车轮型面（e）20 mm断面（6月）15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm 车轮型面 车轮型面 车轮型面84400448（c）5 mm断面（10月）15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm84400448 车轮型面 车轮型面 车轮型面（f）20 mm断面（10月）175第 44 卷 中国铁道科学由图7可以看出：当车轮型面与道岔钢轨廓形匹配较好时，由于尖轨侧和基本轨侧钢轨工作边几何廓形相同，因此它们在5 mm断面处对应的滚动圆半径差随轮对横移量的变化规律相近；在轮对横移量接近 0 mm 时，轮轨滚动圆半径差近似为 0；而在道岔其他关键断面处，受尖轨与基本轨侧钢轨工作边几何廓形不对称的影响，轮对横移量为0时对应的滚动圆半径差不为0，且随着道岔尖轨顶宽的增加，滚动圆半径为0时对应的轮轨接触点逐渐向右侧移动；随着车轮磨耗进一步加剧，滚动圆半径为0时对应的轮对横移量区域不断减少，这说明车轮磨耗加剧会导致轮轨接触点的不连续性和随机性，威胁行车平稳性；当钢轨廓形发生演变而车轮型面不改变时，道岔钢轨磨耗导致轮对横移量较小时的滚动圆半径差增加，滚动圆半径差较大虽会提升列车曲线通过性能，但会影响列车行车的平稳性。2.4轮轨廓形演变对侧滚角的影响侧滚角可用来描述轮轨接触状态，是反映轮轨接触性能的重要指标。不同服役阶段实测车轮型面与道岔不同尖轨顶宽断面发生接触时的侧滚角分布规律如图8所示。由图8可以看出：在尖轨尖端处（尖轨顶宽为0）当轮对不存在横移时轮对和钢轨均呈对称状态，因此轮轨接触点也呈对称分布，轮对侧滚角为0；当轮对进入道岔区后，受道岔钢轨变截面组合廓形的影响，轮对侧滚角随尖轨顶宽的增大逐渐增大，直至尖轨顶宽30 mm附近达到最大值，并继续随着尖轨顶宽的增大而逐渐减小；另外，随着轮轨磨耗程度的进一步加剧，轮对侧滚角最大值逐渐减小，且达到最大值时对应的关键断面位置也相应滞后（对应尖轨顶宽更大的断面）；当车轮和道岔钢轨磨耗到一定程度后，轮对侧滚角最大值从0102030405060700.020.0100.010.020.030.040.05 侧滚角/mrad尖轨顶宽/mm 车轮型面 车轮型面 车轮型面（a）3月0102030405060700.0100.010.020.03侧滚角/mrad尖轨顶宽/mm 车轮型面 车轮型面 车轮型面（b）6月0102030405060700.020.0100.010.020.03尖轨顶宽/mm 车轮型面 车轮型面 车轮型面侧滚角/mrad（c）10月图8不同服役时间下侧滚角随尖轨顶宽分布规律15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm84400448 车轮型面 车轮型面 车轮型面（g）35 mm断面（3月）15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm 车轮型面 车轮型面 车轮型面84400448（j）50 mm断面（3月）15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm84400448 车轮型面 车轮型面 车轮型面（h）35 mm断面（6月）15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm 车轮型面 车轮型面 车轮型面84400448（k）50 mm断面（6月）15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm84400448 车轮型面 车轮型面 车轮型面（i）35 mm断面（10月）15 1050510153020100102030滚动圆半径差/mm轮对横移量/mm 车轮型面 车轮型面 车轮型面84400448（l）50 mm断面（10月）图7关键断面滚动圆半径差分布176第 5 期道岔区轮轨廓形演变对接触几何关系的影响0.04 mrad逐渐减小至0并最终出现负值，这显著改变了轮对在道岔中的接触姿态。3 结论（1）结合窗口放缩搜索法提出了一种可精确计算道岔区轮轨接触几何的模型，全面考虑道岔钢轨廓形演变过程中与不同服役阶段车轮磨耗型面的接触状态，可精确求解道岔区轮轨接触几何关系和多点接触信息。（2）磨耗后的轮轨接触点易提前从基本轨迁移至尖轨，轮载过渡特性表现得更为显著。随着钢轨磨耗的进一步加剧，轮轨接触点会逐渐向外侧移动，并导致轮轨接触点跳跃而引起接触点不连续，这会显著增加轮轨间的动态相互作用，导致道岔钢轨伤损严重。（3）随着服役时间的增长，车轮和钢轨磨耗进一步加剧，滚动圆半径为0时对应的轮对横移量区域不断减少，且随着道岔尖轨顶宽的增加逐渐向右侧移动，这说明车轮磨耗加剧会导致接触点的不连续性及随机性，威胁行车平稳性。（4）随着轮轨服役时间的增加，轮对侧滚角最大值从 0.04 mrad 逐渐减小至 0 并最终出现负值，且轮对侧滚角所对应的尖轨顶宽也略微增大，致使轮轨接触点位置发生显著变化，最终导致轮轨接触几何关系发生改变。（5）基于车辆-道岔耦合动力仿真计算的轮轨垂向力、车体加速度从86.643 kN和0.032 m s2分别升至101.466 kN和0.038 m s2后，脱轨系数和轮重减载率从0.433和0.215分别升至0.505和0.247，表明轮轨廓形演变会恶化轮轨接触几何关系，进而威胁列车行车的平稳性和安全性。参考文献1 王树国，王璞，葛晶，等.高速道岔尖轨磨耗特征及管理限值研究 J.中国铁道科学，2022，43（1）：9-16.（WANG Shuguo，WANG Pu，GE Jing，et al.Study on Wear Characteristics and Management Limit of Switch Rail in High-Speed Turnout J.China Railway Science，2022，43（1）：9-16.in Chinese）2 王树国，司道林，王猛，等.高速铁路道岔尖轨降低值对行车平稳性影响机理研究 J.中国铁道科学，2014，35（3）：28-33.（WANG Shuguo，SI Daolin，WANG Meng，et al.Influence of Value Reduced for Switch Rail of High Speed Railway on Riding Quality J.China Railway Science，2014，35（3）：28-33.in Chinese）3 倪平涛，王开文，张卫华，等.轮轨接触关系计算方法 J.交通运输工程学报，2006，6（4）：10-13.（NI Pingtao，WANG Kaiwen，ZHANG Weihua，et al.Calculation Method of Wheel-Rail Contact Relation J.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2006，6（4）：10-13.in Chinese）4 SUGIYAMA H，TANII Y，MATSUMURA R.Analysis of Wheel/Rail Contact Geometry on Railroad Turnout Using Longitudinal Interpolation of Rail Profiles J.Journal of Computational and Nonlinear Dynamics，2011，6（2）：024501.5 周清跃，刘丰收，张银花，等.高速铁路轮轨匹配存在问题及对策 J.中国铁道科学，2017，38（5）：78-84.（ZHOU Qingyue，LIU Fengshou，ZHANG Yinhua，et al.Solutions for Problems at Wheel-Rail Interface in High Speed Railway J.China Railway Science，2017，38（5）：78-84.in Chinese）6 杨震寰，戴焕云，石俊杰，等.磨耗后轮轨型面接触关系及线路适应性分析 J.铁道学报，2021，43（5）：37-46.（YANG Zhenhuan，DAI Huanyun，SHI Junjie，et al.Analysis of Worn Wheel-Rail Contact Relationship and Line Adaptability J.Journal of the China Railway Society，2021，43（5）：37-46.in Chinese）7 任尊松.轮轨多点接触及车辆-道岔系统动态相互作用 M.北京：科学出版社，2014.（REN 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