城市軌道交通快線輪軌側(cè)磨成因及防治

任 靜

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

小半徑曲線上的輪軌側(cè)磨，歷來(lái)是城市軌道交通及國(guó)鐵線路重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。城市軌道交通線路由于受城市規(guī)劃及線路周邊條件的制約較大，與國(guó)鐵線路相比，小半徑曲線數(shù)量更多、曲線半徑更小。鋼軌磨耗超限已成為小半徑曲線地段的主要病害和更換鋼軌的主要原因。

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，尤其是近幾年，一些速度達(dá)到甚至超過(guò)100 km/h軌道交通快線的投入運(yùn)營(yíng)，使小半徑曲線的鋼軌側(cè)磨及輪緣磨耗問(wèn)題更為突出。基于此，筆者主要針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 輪軌側(cè)磨的主要特點(diǎn)

在目前已運(yùn)營(yíng)的部分軌道交通快線中，小半徑曲線的輪軌側(cè)磨主要有以下2個(gè)特點(diǎn)。

1)折返道岔導(dǎo)曲線及岔后附帶曲線，出入段線鋼軌側(cè)磨較嚴(yán)重，曲線半徑在200～250 m之間，且側(cè)磨速度較快，已超出正常水平，典型配線及鋼軌側(cè)磨分布見圖1。而正線最小曲線半徑為350 m，側(cè)磨處于正常水平。輪軌異常側(cè)磨的測(cè)試數(shù)據(jù)(運(yùn)營(yíng)約3個(gè)月左右所測(cè))見表1，其中岔1導(dǎo)曲線鋼軌的側(cè)磨速率達(dá)到0.1 mm/d，最大側(cè)磨達(dá)9.27 mm，不得不對(duì)導(dǎo)曲線部分的鋼軌進(jìn)行更換。一般情況下，折返道岔?yè)Q軌周期在1年以上，小半徑曲線換軌周期為5～7年，平均每年側(cè)磨量2～3 mm。

圖1 典型配線及鋼軌側(cè)磨分布

表1 軌道交通快線側(cè)磨情況統(tǒng)計(jì)

2)車輛輪緣磨耗較嚴(yán)重，且有偏磨問(wèn)題。經(jīng)車輛相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，輪緣磨耗最大值達(dá)7 mm，僅差2 mm到極限。此外，輪對(duì)兩側(cè)輪緣磨耗呈不對(duì)稱特征，右側(cè)車輪磨耗5～6 mm，左側(cè)車輪磨耗量2～3 mm，車輪磨耗右側(cè)是左側(cè)的2倍左右。

2 輪軌側(cè)磨主要成因的定性分析

針對(duì)目前軌道交通快線上輪軌側(cè)磨呈現(xiàn)的現(xiàn)象，在匯總各種可能因素的基礎(chǔ)上，采用排除次要因素、抓主要因素的分析方法，力圖找到輪軌異常側(cè)磨產(chǎn)生的根本原因，主要現(xiàn)象及相應(yīng)的定性分析見表2。

表2 輪軌側(cè)磨成因定性分析

表3 車輛主要參數(shù)對(duì)比

通過(guò)定性分析，可得輪軌異常側(cè)磨產(chǎn)生的主要原因有以下兩點(diǎn)。

2.1 列車制動(dòng)的影響

測(cè)試及分析表明，車輛制動(dòng)將加劇輪軌側(cè)磨［1-2］。列車制動(dòng)將導(dǎo)致輪對(duì)頻繁貼靠外軌，從而輪軌橫向力加大，相應(yīng)輪軌沖角也有所增加。因此，制動(dòng)條件下的輪軌側(cè)磨較正常運(yùn)行情況下增大較多。

某線路出入段線處于長(zhǎng)大坡道上(坡度為26‰，曲線長(zhǎng)度約320 m)，且曲線半徑較小，約200 m，這些因素疊加后導(dǎo)致該線輪軌側(cè)磨將更加嚴(yán)重。

2.2 車輛一系簧縱向剛度的影響

車輛的一系縱向剛度對(duì)輪軌側(cè)磨的影響是軌道交通快線系統(tǒng)中新出現(xiàn)的問(wèn)題。從調(diào)研情況看，100 km/h車輛一系懸掛參數(shù)對(duì)于半徑200～250 m曲線的適應(yīng)性稍差。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，車輛一系懸掛縱向剛度對(duì)于車輛的曲線通過(guò)性能影響較大，進(jìn)而對(duì)輪軌側(cè)磨產(chǎn)生影響［3］。

1)從車輛動(dòng)力學(xué)角度而言，較大的一系剛度有利于提高車輛的臨界速度，但一系縱向剛度的提高，將導(dǎo)致車輛曲線通過(guò)時(shí)輪對(duì)的沖角增大，降低了車輛的曲線通過(guò)能力(見圖2)。部分軌道交通快線的車輛，為提高一系懸掛縱向剛度，采用的是轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)80 km/h地鐵車輛的一系懸掛，多采用層疊式橡膠結(jié)構(gòu)［4］，如圖3 所示。

2)根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)理論，列車的曲線通過(guò)能力可采用導(dǎo)向能力系數(shù)評(píng)價(jià)［3］。如圖4所示，車輛的導(dǎo)向能力系數(shù)與一系縱向剛度成反比關(guān)系，一系縱向剛度提高后，會(huì)降低車輛通過(guò)曲線時(shí)的導(dǎo)向能力系數(shù)，導(dǎo)致車輛曲線通過(guò)能力的降低。

此外，目前一些快線上采用的100 km/h車輛軸距較大，這在一定程度上也降低了車輛的曲線通過(guò)能力，導(dǎo)致100 km/h車輛比80 km/h車輛通過(guò)曲線時(shí)引起的輪軌側(cè)磨更為嚴(yán)重。

圖2 不同一系縱向剛度下輪對(duì)通過(guò)曲線的形態(tài)

圖3 不同地鐵車輛一系懸掛結(jié)構(gòu)的差異

圖4 自導(dǎo)向能力系數(shù)與縱向剛度關(guān)系曲線

3 車輛參數(shù)對(duì)鋼軌側(cè)磨影響的動(dòng)力仿真

為進(jìn)一步從理論的角度評(píng)價(jià)100 km/h車輛通過(guò)小半徑曲線時(shí)的輪軌側(cè)磨與地鐵80 km/h車輛的差異，通過(guò)建立輪軌系統(tǒng)空間動(dòng)力仿真模型，采用輪軌橫向力、輪對(duì)沖擊角及國(guó)外常用的VOGEL磨耗指數(shù)，比較兩種車輛輪軌側(cè)磨程度的差異。

3.1 計(jì)算條件

車輛參數(shù):100 km/h車輛及80 km/h地鐵車輛動(dòng)力參數(shù)。

線路條件:曲線半徑205 m，超高50 mm(全超高)。車輛速度:根據(jù)測(cè)速資料，車輛速度按曲線通過(guò)速度25 km/h考慮。

計(jì)算工況:工況1采用100 km/h車輛參數(shù);工況2采用80 km/h車輛參數(shù);工況3在100 km/h車輛參數(shù)基礎(chǔ)上，將一系縱向剛度調(diào)整為5 MN/m，其他參數(shù)不變。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3種工況的輪軌側(cè)磨評(píng)價(jià)參數(shù)見表4。

表4 3種工況的輪軌側(cè)磨評(píng)價(jià)參數(shù)

由表4可計(jì)算結(jié)果如下:

1)輪軌橫向力。工況1的輪軌橫向力比工況2及工況3分別大18%及3%，工況2的輪軌橫向力最小。

2)輪對(duì)沖擊角。工況1的輪對(duì)沖擊角比工況2及工況3均大22%，工況2及工況3的輪對(duì)沖擊角相當(dāng)。

3)磨耗指數(shù)。磨耗指數(shù)為3種工況下差異最大的動(dòng)力指標(biāo)。工況1的磨耗指數(shù)比工況2及工況3分別大36%及21%，工況2的磨耗指數(shù)最低。

綜上所述，在同樣的小半徑曲線及車輛速度條件下，100 km/h車輛比80 km/h車輛的輪軌側(cè)磨大，且100 km/h車輛一系剛度的大小對(duì)輪軌側(cè)磨的影響較大，這與文獻(xiàn)［3］的觀點(diǎn)一致。3種工況的鋼軌側(cè)磨對(duì)比見圖5。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)已開通100 km/h軌道交通快線上輪軌側(cè)磨的調(diào)研及成因分析，并結(jié)合目前國(guó)鐵及城市軌道交通小半徑曲線上常用的減緩輪軌側(cè)磨的措施，對(duì)于今后軌道交通快線小半徑曲線輪軌側(cè)磨的防治，有以下幾點(diǎn)建議。

1)速度大于100 km/h的快線，尤其是車輛一系剛度加大后，車輛系統(tǒng)需從輪軌側(cè)磨的角度考慮對(duì)于正線、道岔導(dǎo)曲線(包括岔后附帶曲線等輔助線)、出入段線等的適應(yīng)能力;若100 km/h車輛的動(dòng)力性能參數(shù)與地鐵車輛相差較大，則應(yīng)重視輪軌動(dòng)力匹配的研究，以此進(jìn)行車輛選型和軌道、線路等相關(guān)工程設(shè)計(jì)，避免輪軌動(dòng)力作用加劇，導(dǎo)致輪軌異常磨耗等病害。

圖5 3種工況的鋼軌側(cè)磨程度對(duì)比

2)建議軌道交通快線的正線及出入線最小曲線半徑控制在300 m以上，且應(yīng)盡量避免長(zhǎng)大坡道與小半徑曲線重疊布置。

3)建議從輪軌磨合期開始就設(shè)置鋼軌涂油或輪緣潤(rùn)滑等輪軌潤(rùn)滑裝置。在曲線上利用鋼軌側(cè)面涂油的辦法可減緩輪軌側(cè)磨，這在國(guó)內(nèi)外國(guó)鐵及地鐵領(lǐng)域已是成熟的經(jīng)驗(yàn)。但應(yīng)注意，曲線鋼軌潤(rùn)滑后，磨耗降低的同時(shí)有可能加劇鋼軌的接觸疲勞傷損，國(guó)外通常的做法是在涂油前打磨鋼軌，以消除疲勞源，然后再涂油潤(rùn)滑。目前，在軌道交通快線中的輪軌側(cè)磨較快地段安裝鋼軌涂油器后，輪軌側(cè)磨已得到有效緩解。

4)在小半徑曲線及道岔導(dǎo)曲線內(nèi)股鋼軌內(nèi)側(cè)加裝減磨護(hù)軌。目前，減磨護(hù)軌已在北京地鐵古城車輛段，國(guó)鐵的津浦聯(lián)絡(luò)線、武鋼廠區(qū)鐵路等采用，效果良好。

5)其他措施。如加強(qiáng)小半徑曲線的養(yǎng)護(hù)維修，提高軌道的平順性，對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)打磨、廓型打磨［5-6］等。

輪軌側(cè)磨的影響因素繁多，本文僅是結(jié)合軌道交通快線的輪軌側(cè)磨特點(diǎn)做了一些探索性研究。軌道交通快線的建設(shè)方興未艾，今后應(yīng)重視軌道交通快線輪軌系統(tǒng)動(dòng)力特性的研究，針對(duì)性地開展相關(guān)測(cè)試工作，盡可能避免出現(xiàn)類似輪軌異常側(cè)磨的問(wèn)題。

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