軌道科研試驗(yàn)線的輪軌力、脫軌系數(shù)及減載率研究

唐吉意，羅雁云，廖 博，蔣宇春，單 傲

(同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

軌道科研試驗(yàn)線的輪軌力、脫軌系數(shù)及減載率研究

唐吉意，羅雁云，廖 博，蔣宇春，單 傲

(同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

為了對(duì)同濟(jì)大學(xué)軌道交通科研試驗(yàn)線進(jìn)行脫軌安全性評(píng)定，采用測(cè)力鋼軌法測(cè)試軌道交通科研試驗(yàn)線列車通過(guò)時(shí)的輪軌力，包括輪軌垂直力及橫向力，由輪軌力計(jì)算脫軌系數(shù)及輪重減載率。結(jié)果表明，列車以速度20、30及40 km/h駛過(guò)時(shí)，南側(cè)鋼軌的輪軌垂直力平均值在54.91～56.14 kN范圍內(nèi)，北側(cè)鋼軌的輪軌垂直力平均值在72.91～76.62 kN范圍內(nèi)；南側(cè)鋼軌的輪軌橫向力平均值在5.77～7.86 kN范圍內(nèi)，北側(cè)鋼軌的輪軌橫向力平均值在6.48～7.11 kN范圍內(nèi)；脫軌系數(shù)分別為0.096、0.104及0.113，輪重減載率分別為0.141、0.152及0.154，脫軌系數(shù)及輪重減載率都遠(yuǎn)小于限界值，都具有很大的安全余量，軌道交通科研試驗(yàn)線在脫軌安全性評(píng)定方面完全符合要求。

輪軌作用；脫軌系數(shù)；輪重減載率；輪軌垂直力；輪軌橫向力；科研試驗(yàn)線

同濟(jì)大學(xué)軌道交通科研試驗(yàn)線是國(guó)內(nèi)第一條軌道交通科研試驗(yàn)線[1-3]，有必要對(duì)軌道科研試驗(yàn)線進(jìn)行脫軌安全性評(píng)定指標(biāo)的研究，輪軌力的研究與測(cè)試是評(píng)定軌道科研試驗(yàn)線脫軌安全性的基礎(chǔ)[4-5]。國(guó)外學(xué)者在輪軌力的研究與測(cè)試方面，進(jìn)行了諸多嘗試，包括研發(fā)新的方法與裝置，減小橫向力和垂向力之間的耦合，測(cè)試輪軌力的同時(shí)檢測(cè)車輪的缺陷及輪軌力連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)等[6-17]。國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來(lái)對(duì)輪軌力連續(xù)檢測(cè)進(jìn)行了許多研究，包括輪軌垂向力連續(xù)測(cè)量，滾動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上輪軌力模型試驗(yàn)，連續(xù)測(cè)量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法及連續(xù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)等[18-26]。在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，本文主要采用測(cè)力鋼軌法測(cè)試軌道科研試驗(yàn)線列車通過(guò)時(shí)的輪軌力，包括輪軌垂直力及橫向力，由輪軌力計(jì)算脫軌系數(shù)及輪重減載率，然后對(duì)軌道交通科研試驗(yàn)線進(jìn)行脫軌安全性評(píng)定，為軌道科研試驗(yàn)線的安全運(yùn)行提供一定參考作用。

1 輪軌力測(cè)試

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)軌道交通科研試驗(yàn)線上進(jìn)行，軌道結(jié)構(gòu)類型為無(wú)砟軌道，線路類型為直線段平坡路線，扣件間距為0.6 m，鋼軌類型為普通60 kg/m，道床下部由寬度為4 500 mm的鋼筋混凝土基礎(chǔ)構(gòu)成，厚度為250 mm，道床上部寬2 500 mm，厚度為360 mm，接觸網(wǎng)供電。試驗(yàn)列車為城市軌道交通A型車，1動(dòng)1拖共兩節(jié)車廂編組，列車軸重14.5 t，軸距為2 500 mm，共有4個(gè)轉(zhuǎn)向架，每個(gè)轉(zhuǎn)向架2個(gè)輪對(duì)，共計(jì)8個(gè)輪對(duì)，如圖1所示。

圖1 車輛側(cè)視及俯視示意圖Fig.1 Side view and overhead view of vehicle

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及斷面

試驗(yàn)設(shè)備名稱、型號(hào)及數(shù)量如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備Tab.1 Test equipment

測(cè)試斷面位于一段軌道線路狀態(tài)良好的直線段，如圖2所示，該斷面的南側(cè)鋼軌與北側(cè)鋼軌的輪軌力測(cè)試同時(shí)進(jìn)行。

圖2 測(cè)試斷面示意圖Fig.2 Sketch map of test section

1.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

按照?qǐng)D3、圖4分別進(jìn)行輪軌垂直力及輪軌橫向力的貼片及組橋，在貼片前，對(duì)鋼軌貼片處進(jìn)行打磨并用丙酮進(jìn)行清洗，以保證貼片處光滑平整。貼片完成后，先進(jìn)行貼片質(zhì)量檢查，將測(cè)試橋路接入應(yīng)變儀的通道，進(jìn)行調(diào)平，用大拇指分別在各應(yīng)變花上輕輕按壓，在應(yīng)變儀的表頭上觀察指針偏轉(zhuǎn)的情況，要求其輸出不大15 με，如果超出，應(yīng)變片應(yīng)當(dāng)重貼；然后再粘貼接線端子，焊接引線，并進(jìn)行絕緣性能檢查，要求絕緣電阻達(dá)500 MΩ以上。

應(yīng)變片調(diào)平完成以后，進(jìn)行測(cè)試荷載標(biāo)定，目的是確定所設(shè)置的貼片系統(tǒng)與實(shí)際施加力的相互關(guān)系，鋼軌受力大小與貼片系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓大小成一定比例，利用標(biāo)定施加模擬輪軌力確定這個(gè)比例系數(shù)，在后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中可以通過(guò)比例關(guān)系將電壓值轉(zhuǎn)化為實(shí)際的輪軌力。

圖3 輪軌垂直力貼片及組橋方式Fig.3 Patch mode and bridge mode for wheel-rail vertical force

圖4 輪軌橫向力貼片及組橋方式Fig.4 Patch mode and bridge mode for wheel-rail lateral force

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

標(biāo)定后進(jìn)行測(cè)試，采樣頻率設(shè)為5 000 Hz，由于列車有8個(gè)輪對(duì)，每次列車經(jīng)過(guò)時(shí)，測(cè)試斷面可以采集到8個(gè)輪軌垂直力波峰及8個(gè)輪軌橫向力波峰。為評(píng)定不同速度下列車的脫軌安全性，讓列車分別以20、30、40 km/h的速度通過(guò)測(cè)試斷面，記錄下每次列車通過(guò)時(shí)的垂直力與橫向力波形圖，典型的輪軌垂直力與橫向力波形圖如圖5—圖6所示。

圖5 輪軌垂直力波形圖示例Fig.5 Example of wheel-rail vertical force waveform

圖6 輪軌橫向力波形圖示例Fig.6 Example of wheel-rail lateral force waveform

2 輪軌力分析

為便于區(qū)分，將8個(gè)輪對(duì)按離車頭的距離由近至遠(yuǎn)，分別編號(hào)為輪對(duì)1—輪對(duì)8，不同行車速度下測(cè)試斷面的8個(gè)輪對(duì)的輪軌垂直力及橫向力如表2所示；對(duì)8個(gè)輪對(duì)的輪軌垂直力及橫向力求得平均值，如表3所示。

表2 測(cè)試截面的輪軌垂直力及橫向力Tab.2 Vertical and lateral forces of the wheel-rail of the test cross section

表3 測(cè)試截面的輪軌垂直力及橫向力平均值Tab.3 The mean value of wheel-rail vertical force and lateral force of test cross section

在輪軌垂直力方面，以南側(cè)鋼軌為分析對(duì)象，列車速度分別為20、30及40 km/h時(shí)，8個(gè)輪對(duì)的輪軌垂直力分別在49.50～61.54、48.59～66.16及52.31～65.69 kN范圍內(nèi)，平均值分別為54.91、55.66及56.14 kN；以北側(cè)鋼軌為分析對(duì)象，列車速度分別為20、30及40 km/h時(shí)，8個(gè)輪對(duì)的輪軌垂直力分別在67.27～79.21、68.28～81.55及69.26～85.35 kN范圍內(nèi)，平均值分別為72.91、75.67及76.62 kN。結(jié)果表明，輪軌垂直力隨列車速度的增大而逐漸增大，因?yàn)檐壍辣砻娌⒉皇墙^對(duì)光滑的，存在一定的高低不平順，車輪滾動(dòng)經(jīng)過(guò)這些不平順區(qū)域時(shí)會(huì)對(duì)軌面產(chǎn)生豎向沖擊且速度越大沖擊作用越大，所以輪軌垂直力會(huì)隨速度增大而逐漸增大。

在輪軌橫向力方面，以南側(cè)鋼軌為分析對(duì)象，列車速度分別為20、30及40 km/h時(shí)，8個(gè)輪對(duì)的輪軌橫向力分別在3.87～9.23、2.85～10.58及1.99～21.96 kN范圍內(nèi)，平均值分別為5.77、7.02及7.86 kN；以北側(cè)鋼軌為分析對(duì)象，列車速度分別為20、30及40 km/h時(shí)，8個(gè)輪對(duì)的輪軌橫向力分別在2.17～11.16、1.48～10.74及4.04～13.5 kN范圍內(nèi)，平均值分別為6.48、6.63及7.11 kN。結(jié)果表明，輪軌橫向力隨列車速度的增大而逐漸增大，因?yàn)榱熊囋谶\(yùn)行過(guò)程中存在蛇形運(yùn)動(dòng)且蛇形運(yùn)動(dòng)會(huì)使輪軌間橫向相互作用加劇，列車速度越大蛇形運(yùn)動(dòng)越劇烈，進(jìn)而導(dǎo)致輪軌橫向力逐漸增大。

從8個(gè)輪對(duì)輪軌力的平均值來(lái)看，列車以不同速度駛過(guò)時(shí)，南側(cè)鋼軌的輪軌垂直力在54.91～56.14 kN范圍內(nèi)，平均值為55.57 kN；北側(cè)鋼軌的輪軌垂直力在72.91～76.62 kN范圍內(nèi)，平均值為75.07 kN；北側(cè)鋼軌的輪軌垂直力要比南側(cè)鋼軌的輪軌垂直力明顯偏大，因?yàn)樵摐y(cè)試截面處北側(cè)鋼軌高度比南側(cè)鋼軌高度略低，導(dǎo)致列車分布于北側(cè)鋼軌的垂直力略大。

從8個(gè)輪對(duì)輪軌力的平均值來(lái)看，列車以不同速度駛過(guò)時(shí)，南側(cè)鋼軌的輪軌橫向力在5.77～7.86 kN范圍內(nèi)，平均值為6.88 kN；北側(cè)鋼軌的輪軌橫向力在6.48～7.11 kN范圍內(nèi)，平均值為6.74 kN。雖然該測(cè)試截面處北側(cè)鋼軌高度比南側(cè)鋼軌高度略低，但北側(cè)鋼軌的輪軌橫向力跟南側(cè)鋼軌的輪軌橫向力很相近，差別不明顯，表明輪軌垂直力受兩股鋼軌的細(xì)小高程差的影響較大，而輪軌橫向力受兩股鋼軌的細(xì)小高程差影響較小。

3 脫軌系數(shù)分析

脫軌系數(shù)用于評(píng)定列車車輛在輪軌橫向力和垂直力的綜合作用下，車輪輪緣爬上鋼軌的安全程度，脫軌系數(shù)越大越容易脫軌，參照標(biāo)準(zhǔn)《GB5599-1985鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》給出的公式：

式中Q為輪軌垂直力，P輪軌橫向力。當(dāng)脫軌系數(shù)超過(guò)上述限度時(shí)，需要檢查超限值的持續(xù)作用時(shí)間，當(dāng)輪軌橫向力的作用時(shí)間t＜0.05 s時(shí)，容許的脫軌系數(shù)為：

式中t為輪軌橫向力作用時(shí)間(s)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，列車在速度為20、30及40 km/h時(shí)的脫軌系數(shù)分別為0.096、0.104及0.113，都遠(yuǎn)小于限界值0.8，結(jié)果表明，在脫軌系數(shù)方面，軌道交通科研試驗(yàn)線有很大的安全余量。

4 輪重減載率分析

以前發(fā)生脫軌事故之后，我們常歸因于輪軌橫向力過(guò)大，但在實(shí)際運(yùn)行中我們發(fā)現(xiàn)，在輪軌橫向力較小但輪重減載率過(guò)大時(shí)，也會(huì)發(fā)生脫軌現(xiàn)象；也就是說(shuō)，為了防止列車脫軌，需要對(duì)兩股鋼軌上的輪軌垂直力之差進(jìn)行限定。參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，目前建議采用的輪重減載率安全指標(biāo)為

5 結(jié)論

列車以速度20、30及40 km/h駛過(guò)時(shí)，南側(cè)鋼軌的輪軌垂直力平均值在54.91～56.14 kN范圍內(nèi)，北側(cè)鋼軌的輪軌垂直力平均值在72.91～76.62 kN范圍內(nèi)；南側(cè)鋼軌的輪軌橫向力平均值在5.77～7.86 kN范圍內(nèi)，北側(cè)鋼軌的輪軌橫向力平均值在6.48～7.11 kN范圍內(nèi)；脫軌系數(shù)分別為0.096、0.104及0.113，輪重減載率分別為0.141、0.152及0.154，脫軌系數(shù)及輪重減載率都遠(yuǎn)小于限界值，都具有很大的安全余量。

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Research on wheel-rail force derailment coef fi cient and wheel load reduction ratio of the scienti fi c research track line

TANG Jiyi，LUO Yanyun，Liao Bo，Jiang Yuchun，Shan Ao
(Institute of Rail Transit，Tongji University，Shanghai，201804，China)

Absract：The train running on the track test line without derailment is the basic premise of track engineering scienti fi c research test. In order to carry out the assessment of the derailment safety of the rail transportation comprehensive test line of Tongji University，this article measures the wheel-rail force of the rail transportation comprehensive test line，including wheel rail lateral force and vertical force，and then calculates the derailment coef fi cient and wheel load reduction rate through the wheel rail force.Results show，when the train passes at the speed of 20，30and 40 km/h，the average value of the wheel rail vertical force of the south rail is in the range of 54.91～56.14 kN，those of the north rail is in the range of 72.91～76.62 kN；t of the south rail is in the range of 5.77～7.86 kN，those of the north rail is in the range of 6.48～7.11 kN；The derailment coef fi cient are 0.096，0.104 and 0.113，wheel load reduction rate are 0.141，0.152 and 0.154. The derailment coef fi cient and wheel load reduction rate is less than the limit value，and has great safety margin，the scientific research test rail transportation line meets the requirements completely in the derailment safety evaluation.

wheel-rail interaction；derailment coefficient；wheel load reduction ratio；wheel rail vertical force；wheel rail lateral force；scienti fi c research line

U211.5

A

1673-9469（2017）04-0051-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.012

2017-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678446)

唐吉意(1992-)，男，湖南永州人，碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘熊壍琅c鐵道工程。