槽型軌及普通鋼軌對獨立輪對輕軌車輛輪軌動力特性的影響＊

陳 鵬

（北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司，100037，北京／／工程師）

目前國內(nèi)外的輕軌交通系統(tǒng)中槽型軌及普通鋼軌（截面對稱）均有采用[1－2]，槽型軌由于在軌行區(qū)做高覆蓋需綠化或鋪面時優(yōu)勢明顯，國內(nèi)外對與以地面敷設(shè)方式為主，且為開放式或半封閉式的輕軌系統(tǒng)中，一般推薦采用槽型軌。車輛方面，輕軌車輛主要有高地板、部分低地板、全低地板輕軌三大類[3]，地板的降低通過采用獨立輪對轉(zhuǎn)向架來實現(xiàn)[4－5]。高地板輕軌車輛由于需要建造較高的地面站臺，不僅影響市容、增加造價，且不便于乘客上下車，隨著車輛制造技術(shù)的不斷發(fā)展，高地板輕軌車輛已逐漸被部分低地板及全低地板車輛取代。

目前，國內(nèi)已逐步開展了對輕軌車輛輪軌動力特性的研究[6－7]，但研究時采用的鋼軌均主要基于普通鋼軌，采用輕軌交通系統(tǒng)中普遍使用的槽型軌進行輪軌作用研究的文獻資料還很少。基于此，針對輕軌車輛的結(jié)構(gòu)特點，研究不同軌型條件下的輪軌動力特性差異十分必要。

1 模型建立

目前輕軌車輛獨立輪對轉(zhuǎn)向架的制造方案之一為在既有的轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上進行改造，并將剛性輪對更換為獨立輪，懸掛系統(tǒng)等保持不變[8]。采用輪軌系統(tǒng)動力學(xué)理論建立車輛－軌道動力學(xué)仿真模型。車輛由一個車體，兩個轉(zhuǎn)向架，四個輪對共7個體組成，對于傳統(tǒng)地鐵車輛模型，每個體均考慮縱向、橫向和垂向的運動及繞這三個方向的轉(zhuǎn)動。對于獨立輪對輕軌車輛模型，與傳統(tǒng)地鐵車輛的主要區(qū)別之一在于同一軸上的兩個輪均可相對與車軸轉(zhuǎn)動，因此建模時需要對一個軸上的兩個車輪進行解耦，也即一個輪對有7個自由度（即三個方向的平移、轉(zhuǎn)動自由度及相對于車軸的轉(zhuǎn)動自由度）。

對于輪軌接觸面，鋼軌斷面采用CHN50普通鋼軌斷面及德國有軌電車交通系統(tǒng)中普遍采用的Ri60槽型軌斷面。車輪踏面由于目前國內(nèi)尚未有專用于獨立輪對的車輪踏面，在此采用LM型踏面。

此外，CHN50普通鋼軌斷面與Ri60槽型軌的軌距測量基線位置及軌底坡取值有所不同，應(yīng)有所區(qū)分。主要不同之處為：歐洲及大連輕軌系統(tǒng)槽型軌軌距1 435mm對應(yīng)的測量基線為鋼軌頂面以下9mm，而非普通鋼軌的鋼軌頂面以下16mm；Ri60／R10軌不設(shè)軌底坡，CHN50軌的軌底坡定為1∶40。

2 動力仿真結(jié)果及分析

仿真計算中擬定的線路參數(shù)為：曲線半徑400m，圓曲線長100m，緩和曲線長60m，超高60 mm。車輛通過速度為50km／h。

2.1 動力仿真結(jié)果

輪軌動力響應(yīng)結(jié)果見圖1～圖6。

圖1 垂向輪軌力

圖2 橫向輪軌力

2.2 結(jié)果分析

由仿真計算結(jié)果可見，兩種軌型條件下的輪軌系統(tǒng)動力響應(yīng)結(jié)果相比，有以下規(guī)律：

1）垂向輪軌力。垂向輪軌力均變化不大，本計算中變化幅度不超過1%。采用Ri60軌時，外側(cè)輪的垂向輪軌力略小于采用CHN50時的垂向輪軌力，內(nèi)側(cè)輪軌力則略大。

2）橫向輪輪軌力。采用Ri60軌時的內(nèi)、外側(cè)輪軌力均大于采用CHN50軌時，且相差較大。本計算中輕軌車輛中Ri60軌與CHN50軌條件下的橫向輪軌力最大相差約14%，此種結(jié)果的主要原因在于槽型軌條件下輪軌之間發(fā)生了顯著的兩點接觸作用（車輛運行過程中踏面和輪背同時與鋼軌發(fā)生接觸）。

圖3 脫軌系數(shù)

圖4 磨耗功率

圖5 輪對橫移量

圖6 輪對沖角

3）脫軌系數(shù)。脫軌系數(shù)的影響規(guī)律與橫向輪軌力類似，也即采用Ri60軌的內(nèi)、外側(cè)輪軌力均大于采用CHN50軌時。本計算中兩種軌型條件下輕軌車輛的橫向輪軌力最大相差約13%。需要說明的是，雖然槽型軌條件下較大的橫向輪軌力造成脫軌系數(shù)比CHN50有一定增大，但由于其鋼軌斷面同時具有了一定的護軌功能，這對于確保車輛安全是有利的。

4）輪對橫移量。采用Ri60軌與CHN50軌相比，輪對橫移量均較小，本計算中Ri60軌條件下輪對橫移量比CHN50軌條件下約小15%，這體現(xiàn)了槽型軌的護軌作用對限制輪對橫移起到了顯著作用。此外，由時程曲線可見，獨立輪對轉(zhuǎn)向架由于喪失縱向蠕滑力后自動回復(fù)能力較差，不存在像剛性輪對一樣在線路中心線附近振動并逐步衰減的過程，此規(guī)律與相關(guān)文獻的分析結(jié)果一致[9]。

5）輪對沖角。從計算結(jié)果來看，采用Ri60軌與CHN50相比，沖角相差很小，兩種軌型的結(jié)果幾乎一致。

6）輪對磨耗功率。采用Ri60軌與CHN50軌相比，Ri60條件下的外側(cè)輪磨耗功率略大于采用CNH50軌時，內(nèi)側(cè)輪磨耗功率則相反。但兩種軌型的結(jié)果相差不大，本計算中結(jié)果相差最大不超過4%。

此外，一般認為獨立輪對輕軌車輛輪軌磨耗較大，主要原因是其橫向輪軌力較大、輪緣頻繁貼靠鋼軌等因素所造成。為改善獨立輪對轉(zhuǎn)向架的的導(dǎo)向性能，降低輪軌相互作用，世界各國如德國、日本、法國等國開展了很多研究工作[10]。

3 結(jié)語

從Ri60軌與CHN50軌兩種軌型條件下輪軌動力特性的計算結(jié)果及對比分析來看：

1）所討論的幾項車輛動力特性指標(biāo)中，Ri60軌與CHN50軌條件下橫向輪軌力、脫軌系數(shù)、輪對橫移量差異較大。

2）雖然Ri60軌條件下的輪軌橫向力及脫軌系數(shù)較大，但由于其斷面類型決定了其具有一定的護軌功能，對于確保車輛的安全仍然是有利的，且使得輪對橫移量要小于CHN50軌時的輪對橫移量。

3）對于輪軌磨耗而言，雖然兩種軌型的輪軌磨耗功率、輪對沖角相差不大，但由于Ri60軌條件下的輪軌橫向力較大，綜合而言Ri60軌的輪軌磨耗略大。但由于實際運行的輕軌系統(tǒng)與傳統(tǒng)地鐵相比，其編組少，運量小，這對于降低輪軌磨耗是有利的，加之槽型軌有利于在軌行區(qū)做鋪面或綠化，因而總體而言，對于敷設(shè)方式以地面為主的輕軌系統(tǒng)，采用槽型軌較為合理。

獨立輪車輛動特性的影響因素繁多，研究及優(yōu)化還需從多方面入手，如輪軌接關(guān)系的優(yōu)化、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的改進等。今后還需結(jié)合現(xiàn)場試驗及今后實際運營中積累的經(jīng)驗，不斷地研究、總結(jié)，以求得更加客觀、準(zhǔn)確的認識。

[1]National R C.Track design handbook for light rail transit[R].Washington D C：National Academy Press，2000.

[2]李秋義，李陽春，李康杰，等.大連市現(xiàn)代有軌電車軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)方案初探[J].中國鐵路，2003（3）：41.

[3]黃運華.李芾，張麗平.獨立輪對在輕軌車輛上的應(yīng)用[J].交通運輸工程學(xué)報，2001（2）：21.

[4]Satou E，Miyamoto M.Dynamics ofa bogie with indepeadeatly ratatingwheels[J].Vehicle System Dynamics，1991（20）：519.

[5]Fisette P，Samin J C.Lateral dynamics ofa light railway vehicle with independent wheels [J].Vehicle System Dynamics，1991（Supplement）：157.

[6]池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等.獨立輪對柔性耦合轉(zhuǎn)向架耦合剛度對動力學(xué)性能的影響[J].鐵道學(xué)報，2007，29（5）：26.

[7]張麗平，輕軌車輛動力學(xué)數(shù)字仿真[D].成都：西南交通大學(xué)，2002.

[8]張厚勝，獨立輪轉(zhuǎn)向架的研制[J].鐵道車輛，1999，37（9）：39.

[9]池茂儒，張衛(wèi)華，戴煥云.獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向性能[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2007，42（6）：695.

[10]池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等.新型獨立輪對柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架[J].機械工程學(xué)報，2008，44（3）：9.