地鐵軌道小半徑曲線(xiàn)鋼軌側(cè)磨規(guī)律研究★

王學(xué)彥，王 琴，張光亮,董小衛(wèi)

(1.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002; 2.湖南恒德檢測(cè)有限公司,湖南 衡陽(yáng) 421002)

1 研究背景及意義

隨著現(xiàn)代城市快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)輛數(shù)量不斷增多，交通擁堵已成為城市中一種較為常見(jiàn)的現(xiàn)象，給城市居民出行和城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成較大的影響。為有效緩解城市交通擁堵的現(xiàn)象，當(dāng)前許多城市加強(qiáng)軌道交通網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)，充分利用地下空間，打造完善的地下軌道交通體系。

地鐵項(xiàng)目主要占據(jù)地下空間，以隧道結(jié)構(gòu)形式存在，在運(yùn)行過(guò)程中能夠承載較多的乘客，同時(shí)由于路線(xiàn)的專(zhuān)用性，使得其在運(yùn)行過(guò)程中擁有較高的準(zhǔn)時(shí)性，不會(huì)出現(xiàn)交通堵塞的情況。現(xiàn)階段地鐵在我國(guó)許多城市都得到快速發(fā)展，將地鐵規(guī)劃建設(shè)與原有地面公共交通體系相結(jié)合，使得城市公共交通更加的便利，從而為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生積極促進(jìn)作用。但由于地鐵項(xiàng)目在城市中進(jìn)行建設(shè)時(shí)，較容易受到街道、原有建筑等影響，因此在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，不能像地面鐵路工程一樣設(shè)置半徑較大的曲線(xiàn)，必然存在較多小半徑的曲線(xiàn)形式。此外，在進(jìn)行地鐵線(xiàn)路規(guī)劃建設(shè)的過(guò)程中，還需要考慮到與其他地面公共交通之間的有效銜接，這也在一定程度上影響到地鐵線(xiàn)路規(guī)劃的曲線(xiàn)半徑，使得實(shí)際規(guī)范建設(shè)中地鐵項(xiàng)目的小半徑曲線(xiàn)遠(yuǎn)多于地面普通鐵路線(xiàn)路，而從車(chē)輛運(yùn)行作用情況來(lái)看，在小半徑曲線(xiàn)位置處較容易形成劇烈摩擦，使得鋼軌受到損傷。

鋼軌作為引導(dǎo)列車(chē)運(yùn)動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)，必然會(huì)受到來(lái)自于車(chē)輪的荷載作用，使得車(chē)輪與鋼軌產(chǎn)生摩擦，而在不斷摩擦作用下，鋼軌表面將會(huì)受到一定的磨損。而這種磨損現(xiàn)象在地鐵中表現(xiàn)得更加的突出，首先地鐵車(chē)站之間的間距相對(duì)較短，每個(gè)站之間的距離通常都在3 km以?xún)?nèi)，也就意味著列車(chē)在運(yùn)行的過(guò)程中需要頻繁性的啟動(dòng)和制動(dòng)，勢(shì)必會(huì)造成摩擦加劇；其次受規(guī)劃環(huán)境影響，地鐵線(xiàn)路存在的小半徑曲線(xiàn)較多，這也會(huì)增大輪軌之間的磨損。

根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，當(dāng)前國(guó)內(nèi)建設(shè)地鐵線(xiàn)路較早的北上廣一線(xiàn)城市，鋼軌現(xiàn)都出現(xiàn)不同程度的磨損。而在磨損影響下，使得列車(chē)車(chē)輪與鋼軌之間的匹配度降低，不僅進(jìn)一步增加軌道與車(chē)輪之間的磨損，使得列車(chē)部件損害概率增大，而且也讓列車(chē)運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性受到較大的影響。為保證乘客能夠擁有較高的舒適性和安全性，需要定期檢查鋼軌磨損程度，并對(duì)之做出更換，而該過(guò)程則會(huì)使得地鐵的運(yùn)營(yíng)成本增高。

2 軌底坡的設(shè)置

輪軌關(guān)系是軌道側(cè)磨的核心條件，除了車(chē)型、載重、摩擦系數(shù)、軌距以及鋼軌材質(zhì)等因素外，軌底坡也直接影響著輪軌接觸關(guān)系，從而影響到外軌的側(cè)磨發(fā)展[1]。基于世界鐵路發(fā)展歷史上常用的幾種軌底坡大小，分別設(shè)置1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40等幾種軌底坡進(jìn)行研究，通過(guò)仿真的方法來(lái)模擬不同軌底坡條件下外軌的側(cè)磨發(fā)展規(guī)律，在標(biāo)準(zhǔn)軌底坡的基礎(chǔ)上，不改變其他參數(shù)設(shè)置，研究小半徑曲線(xiàn)外軌從新軌上道到嚴(yán)重側(cè)磨損傷全過(guò)程中的側(cè)磨發(fā)展特征。為了消除其他參數(shù)的改變對(duì)結(jié)果的影響，研究時(shí)只改變軌底坡大小，初始軌距采用1 435 mm的標(biāo)準(zhǔn)軌距，研究過(guò)程中不重新調(diào)整軌距。

3 不同軌底坡對(duì)側(cè)磨的影響

3.1 軌底坡影響

所謂軌底坡，主要指的是軌底與軌道平面之間形成的橫向坡度。列車(chē)在軌道上運(yùn)行時(shí)，車(chē)輪踏面與鋼軌頂面的接觸位置存在著一定的傾斜，為有效降低鋼軌后期運(yùn)行時(shí)的磨損程度，在初期鋪設(shè)時(shí)需使之向內(nèi)側(cè)做適當(dāng)?shù)膬A斜，同時(shí)在此種情況下也能夠讓磨損的部位發(fā)生變化。在現(xiàn)代軌道結(jié)構(gòu)中，軌底坡屬于十分重要的參數(shù)信息，在設(shè)計(jì)中需綜合多方面因素進(jìn)行考慮。尤其是軌道環(huán)境因素，軌道在后期運(yùn)行過(guò)程中，由于地基出現(xiàn)不同程度的下降或者鋼軌下鋪設(shè)的橡膠墊板出現(xiàn)變形，都會(huì)造成軌道的整體結(jié)構(gòu)情況發(fā)生變化，使得實(shí)際軌底坡數(shù)值與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響到輪軌之間的接觸，使得二者之間的力學(xué)作用發(fā)生變化，造成二者之間的磨損程度增大[2-4]。從當(dāng)前關(guān)于軌底坡的研究情況來(lái)看，都沒(méi)有給出具體的數(shù)值，只是對(duì)設(shè)置安全區(qū)間做出規(guī)定，如：多認(rèn)為(1/12,1/60)之間屬于安全取值范圍。而從國(guó)內(nèi)地鐵軌道交通建設(shè)的情況來(lái)看，都采用1/40軌底坡，本文選擇(1/20,1/60)范圍進(jìn)行研究，分析該范圍內(nèi)鋼軌產(chǎn)生磨損。

3.1.1 各種軌底坡參數(shù)對(duì)A型車(chē)外軌側(cè)產(chǎn)生的影響

從實(shí)際仿真獲得數(shù)據(jù)來(lái)看，在軌距保持一定的情況下，新軌道在投入使用后，外軌側(cè)產(chǎn)生磨損主要分為兩個(gè)階段：階段Ⅰ屬于投入運(yùn)行后到開(kāi)始出現(xiàn)側(cè)磨這段時(shí)間；階段Ⅱ?qū)儆趥?cè)磨開(kāi)始產(chǎn)生后，到側(cè)磨量達(dá)到15 mm后為止，每階段、不同軌底坡情況的運(yùn)營(yíng)時(shí)間如圖1所示。

從圖1可以看出，第一階段中，設(shè)置五種軌底坡條件下，外軌從新軌上道至開(kāi)始產(chǎn)生側(cè)磨所用的運(yùn)營(yíng)時(shí)間相差不多，最快的為1∶40軌底坡。分別為：10.84個(gè)月(1∶20)，10.35個(gè)月(1∶25)，10.62個(gè)月(1∶30)，10.35個(gè)月(1∶35)，9.85個(gè)月(1∶40)。在此階段中，延緩側(cè)磨的軌底坡順序是：1∶20>1∶30>1∶25=1∶35>1∶40。

第二階段中，設(shè)置1∶20軌底坡條件下，外軌從側(cè)磨開(kāi)始萌生至發(fā)展到15 mm側(cè)磨所需要的時(shí)間最長(zhǎng)，約為99個(gè)月，側(cè)磨發(fā)展速率為0.152 mm/月；其次是設(shè)置1∶25軌底坡，為88.26個(gè)月，側(cè)磨發(fā)展速率約為0.170 mm/月；設(shè)置1∶30和1∶35軌底坡則分別需要77.79個(gè)月和69.87個(gè)月，側(cè)磨速率分別為0.193 mm/月和0.215 mm/月；設(shè)置1∶40軌底坡所需運(yùn)營(yíng)時(shí)間為72.15個(gè)月，側(cè)磨速率為0.208 mm/月。在此階段中，側(cè)磨速率發(fā)展由慢到快的排序?yàn)椋?∶20>1∶25>1∶30>1∶40>1∶35。兩階段累積所需時(shí)間如圖2所示。

從圖2可以看出，分別設(shè)置五種軌底坡，從新軌上道至產(chǎn)生15 mm側(cè)磨所需要的時(shí)間最長(zhǎng)為1∶20，約為109.84個(gè)月，其次是1∶25軌底坡需要98.61個(gè)月，1∶30則需要88.41個(gè)月，1∶35軌底坡產(chǎn)生側(cè)磨最快，僅需要80.22個(gè)月。1∶40軌底坡產(chǎn)生15 mm側(cè)磨，約82.00個(gè)月。五種軌底坡產(chǎn)生15 mm側(cè)磨的累積時(shí)間順序?yàn)?∶20>1∶25>1∶30>1∶40>1∶35。

五種軌底坡產(chǎn)生15 mm外軌側(cè)磨的整體趨勢(shì)如圖3所示。

從圖3可以看出，從新軌上道至產(chǎn)生5 mm側(cè)磨時(shí)，幾種軌底坡所需要的時(shí)間相差不多，側(cè)磨發(fā)展速率相對(duì)穩(wěn)定，但其后側(cè)磨發(fā)展速率不穩(wěn)定，側(cè)磨速率急劇增長(zhǎng)；當(dāng)側(cè)磨繼續(xù)增大時(shí)，軌底坡越大，則側(cè)磨發(fā)展越慢。設(shè)置1∶20軌底坡，能夠有效延緩?fù)廛壍膫?cè)磨發(fā)展速率，比側(cè)磨發(fā)展最快的1∶35軌底坡，能延緩32%左右。

3.1.2 不同軌底坡對(duì)運(yùn)行B型車(chē)的外軌側(cè)磨影響

根據(jù)前面仿真結(jié)果，與運(yùn)行A型車(chē)的外軌側(cè)磨情況相似，新軌上道之后的側(cè)磨發(fā)展可以分為兩個(gè)階段，階段Ⅰ為從新軌上道至側(cè)磨開(kāi)始產(chǎn)生，階段Ⅱ?yàn)閭?cè)磨從0開(kāi)始發(fā)展到15 mm。每階段所用的時(shí)間對(duì)比如圖4所示。

從圖4可以看出，第一階段中，設(shè)置五種軌底坡條件下，外軌從新軌上道至開(kāi)始產(chǎn)生側(cè)磨所用的運(yùn)營(yíng)時(shí)間相差不多，分別為：13.83個(gè)月(1∶20)，14.4個(gè)月(1∶25)，14.7個(gè)月(1∶30)，15.42個(gè)月(1∶35)，14.49個(gè)月(1∶40)。在此階段中，延緩側(cè)磨的軌底坡順序是：1∶35>1∶40>1∶30>1∶25>1∶20。第二階段中，設(shè)置1∶20軌底坡條件下，外軌從側(cè)磨開(kāi)始萌生至發(fā)展到15 mm側(cè)磨所需要的時(shí)間最長(zhǎng)，約為118.8個(gè)月，側(cè)磨發(fā)展速率為0.126 mm/月；其次是設(shè)置1∶25軌底坡，為116.1個(gè)月，側(cè)磨發(fā)展速率約0.129 mm/月；設(shè)置1∶30和1∶35軌底坡則分別需要112.8個(gè)月和106.89個(gè)月，側(cè)磨速率分別為0.133 mm/月和0.140 mm/月；設(shè)置1∶40軌底坡側(cè)磨發(fā)展最快，所需運(yùn)營(yíng)時(shí)間為87.84個(gè)月，側(cè)磨速率為0.171 mm/月。在此階段中，側(cè)磨速率發(fā)展由慢到快的排序?yàn)椋?∶20>1∶25>1∶30>1∶35>1∶40。兩階段累積所需時(shí)間如圖5所示。

從圖5可以看出，分別設(shè)置五種軌底坡，從新軌上道至產(chǎn)生15 mm側(cè)磨所需要的時(shí)間最長(zhǎng)為1∶20，約為132.63個(gè)月，其次是1∶25軌底坡需要130.5個(gè)月，1∶30則需要127.5個(gè)月，1∶35軌底坡需要122.31個(gè)月。1∶40軌底坡產(chǎn)生15 mm側(cè)磨最快，約為102.33個(gè)月。五種軌底坡產(chǎn)生15 mm側(cè)磨的累積時(shí)間順序?yàn)椋?∶20>1∶25>1∶30>1∶35>1∶40。

從圖6可以看出，從新軌上道至產(chǎn)生4 mm側(cè)磨時(shí)，幾種軌底坡所需要的時(shí)間相差不多，側(cè)磨發(fā)展速率相對(duì)穩(wěn)定；但其后側(cè)磨發(fā)展速率不穩(wěn)定，側(cè)磨速率急劇增長(zhǎng)；當(dāng)側(cè)磨繼續(xù)增大時(shí)，軌底坡越大，則側(cè)磨發(fā)展越慢。設(shè)置1∶20軌底坡，能夠有效延緩?fù)廛壍膫?cè)磨發(fā)展速率，比側(cè)磨發(fā)展最快的1∶40軌底坡，能延緩26%左右。

3.2 緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度分析

從當(dāng)前的研究文獻(xiàn)資料來(lái)看，關(guān)于曲線(xiàn)半徑選取的研究較多，同時(shí)從相關(guān)研究中也發(fā)現(xiàn)，不同的緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度也會(huì)影響到地鐵鋼軌的磨損[5]。緩和曲線(xiàn)屬于超高曲線(xiàn)段上直線(xiàn)和曲線(xiàn)部分相連接的線(xiàn)路部分，其主要起到平穩(wěn)過(guò)渡的作用，且在過(guò)渡中表現(xiàn)出來(lái)的平穩(wěn)性、摩擦量等，主要與緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度、車(chē)輛運(yùn)行速度等有關(guān)[6]，為進(jìn)一步研究緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度與鋼軌磨損之間的關(guān)系，科學(xué)選取和設(shè)計(jì)緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度，下面對(duì)之進(jìn)行仿真分析。本次研究選取軌道的曲線(xiàn)半徑為600 m，分別設(shè)置40 m,50 m,60 m,70 m,80 m五個(gè)緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度，并保證車(chē)速、軌底坡、摩擦系數(shù)、超高等數(shù)據(jù)相同，具體參數(shù)化如表1所示。假設(shè)地鐵列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，每間隔6 min運(yùn)行一班，每輛列車(chē)都為6節(jié)車(chē)廂，每天持續(xù)運(yùn)行15 h，仿真分析地鐵列車(chē)運(yùn)行40 d后鋼軌的磨損程度，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 仿真工況設(shè)置參數(shù)

表2 內(nèi)外軌磨耗仿真情況

不同緩和曲線(xiàn)內(nèi)外軌磨耗面積趨勢(shì)如圖7所示。

內(nèi)外軌最大磨耗量如圖8,圖9所示。

從本次研究中仿真所獲得的圖表數(shù)據(jù)情況來(lái)看，當(dāng)緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，該段鋼軌運(yùn)行中產(chǎn)生磨耗量越小，尤其是外鋼軌磨耗量降低十分明顯。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度80 m和40 m時(shí)鋼軌產(chǎn)生的磨耗量，緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度80 m時(shí)的外鋼軌磨耗量降低27%，內(nèi)鋼軌磨耗量降低23%。從該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在實(shí)際軌道建設(shè)的過(guò)程中，如果外部環(huán)境條件允許，可適當(dāng)增大緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度，以此能夠達(dá)到降低鋼軌磨耗的目的。

觀察不同緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度下的車(chē)輛脫軌系數(shù)、輪重減載率，其最大數(shù)值都低于0.6，全部滿(mǎn)足行車(chē)安全要求。同時(shí)從中也可看出，緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)行車(chē)安全存在一定的影響，尤其在超高90 mm的情況下，緩和曲線(xiàn)長(zhǎng)度也應(yīng)當(dāng)更長(zhǎng)。

4 結(jié)論

建立城市軌道交通常用的A型車(chē)與B型車(chē)模型以及相應(yīng)的軌道模型，通過(guò)設(shè)置不同的軌底坡，基于Archard(赫茲接觸應(yīng)力)磨耗模型研究小半徑曲線(xiàn)外軌側(cè)磨的發(fā)展規(guī)律，結(jié)論如下：

1)在鋼軌磨耗的后期，側(cè)磨發(fā)展速率不穩(wěn)定，各工況都存在著側(cè)磨速率急劇增長(zhǎng)的情況。

2)小半徑曲線(xiàn)側(cè)磨主要分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段磨耗從軌距角部分開(kāi)始產(chǎn)生，并快速向軌頂與軌側(cè)擴(kuò)展，第二階段側(cè)磨開(kāi)始產(chǎn)生，并在氣候的發(fā)展過(guò)程中呈現(xiàn)近似于線(xiàn)性擴(kuò)展的規(guī)律。

3)軌底坡在第二階段后期的影響較大，軌底坡越大，側(cè)磨擴(kuò)展越平穩(wěn)，軌底坡越小，后期的側(cè)磨發(fā)展速率越大。

4)建議在城市軌道交通小半徑曲線(xiàn)上設(shè)置較大的軌底坡，用以延緩側(cè)磨的擴(kuò)展速率，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命[7-8]。