波浪形磨耗對地鐵列車的運行性能的影響

盛明澤

（內蒙古中電物流路港有限責任公司赤峰鐵路分公司,內蒙古 赤峰 024000）

0 引言

Grassie[1]等人通過研究發現，軌道波磨具有多樣性，且廣泛存在于城市軌道交通中，常規輪軌頻率在50~1 200 Hz，其輪軌頻率在軌道角度與波磨波長有一定關系。Yoshihiro Suda[2]等發現東京地區的山手軌道交通線的小半徑曲線上出現了嚴重的波磨，經測量分析，波磨波長主要在 50~150 mm 內。王少峰[3]等通過研究發現，鋼軌波磨已成為城市軌道交通傷損的主要形式之一，嚴重的波磨不僅加劇了軌道機械傷損，而且降低了鋼軌的使用壽命。周宇[4]對上海軌道交通1號線波磨情況進行了詳細的測量，得出被測區域的波磨波長在50~350 mm之間，最大波深達1.37 mm。

該文結合前人的經驗，選取城市軌道線路上常見的波浪形磨耗，綜合分析車輛以不同速度通過帶有波磨的曲線時的性能，闡述波磨、車速、曲線半徑等因素與車輛動力學性能和車輛運行平穩性之間的關系，在提高乘坐舒適性的同時，對延長鋼軌、輪對和轉向架的使用壽命，具有一定的意義。

1 研究工況

根據我國地鐵電客車運行實際情況建立模型，采用軌距1 435 mm，輪對內側距1 353 mm，軌道的軌底坡1∶40。

根據文獻[2,4]，地鐵線路的波浪形磨耗多出現在小半徑曲線上，該文選取了多個小半徑曲線，半徑分別為300 m、400 m、500 m、600 m，在曲線兩側加波磨，波長為160 mm，列車運行速度分別為：30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h。

2 安全性評價

車輛運行安全性主要考慮脫軌及傾覆問題，目前我國車輛部門主要采用的車輛運行安全性指標是脫軌系數和輪重減載率[5]。

首先對車輪的脫軌系數進行分析，車輛在同一工況下運行時，車輛的導向輪受波磨的影響最大，這里僅對導向輪的脫軌系數進行分析，后續所有動力學指標均對導向輪進行分析，不再做贅述。

列車的脫軌系數在列車進入圓曲線時達到最大值，各個工況下的脫軌系數最大值見表1。

表1 不同工況下的脫軌系數最大值

每種工況下都的脫軌系數都不超標，列車可以安全地通過帶有波磨的曲線。同一速度下，隨著曲線半徑的增大，列車的脫軌系數逐漸減小；對于同一線路工況，隨著列車速度的增大，脫軌系數的變化不大。

脫軌系數和輪重減載率為列車運行安全性評價指標，這里對列車的輪重減載率進行分析，取各個工況下輪重減載率的最大值進行統計繪制圖1，可以看出，隨著列車運行速度的增加，輪重減載率呈上升趨勢，輪重減載率最大值與線路的曲線半徑關系不大。

圖1 不同工況下的輪重減載率

波磨會加劇輪軌之間的磨耗，縮短鋼軌打磨和車輪鏇修的周期，這里用輪軌之間的磨耗數和構架振動加速度來進行評價，首先對輪軌之間的磨耗數（wear number）進行分析，當列車進入圓曲線時，輪軌之間的磨耗達到最大值，對各個工況下的磨耗數最大值進行統計，見表2。

表2 不同工況下磨耗數最大值 /N

可以看當曲線半徑為300 m，車速為40 km/h時，輪軌之間的磨耗數最大，數值為440.358 N，在同一速度下，隨著曲線半徑的增大，輪軌之間的磨耗程度逐漸降低，同一線路下，隨著列車運行速度的增加，輪軌之間的磨耗數變化不大，輪軌之間的磨耗程度接近，因此，為了減小波磨對輪軌之間磨耗的影響，可以增大線路的曲線半徑。

該文還通過振動加速度來反映波磨的影響，該文對構架的振動加速度進行比較分析，這里先對列車速度為30 km/h，曲線半徑為300 m的工況進行分析，如圖2所示。

圖2 構架加速度時間的變化

列車構架加速度隨時間的變化規律與脫軌系數、磨耗數隨時間的變化規律不同，整體上觀察構架橫向加速度可以發現，除了列車剛啟動時，加速度值較大外，另一個最大值是在圓曲線上，構架的橫向振動加速度波動幅值較大，但振動頻率較低，這主要與列車行駛在曲線線路上有關，可以看出當列車進入圓曲線時，構架橫向振動加速度達到最大值。構架垂向加速度的振動幅度較小但振動頻率較大，這主要與鋼軌上的波浪形磨耗有關，構架垂向加速度的變化與曲線線路并沒有明顯的關系。為了更好地對構架加速度進行分析，這里對不同工況下構架振動加速度最大值進行統計繪圖如圖3和圖4 所示。

圖3 構架垂向振動加速度

圖4 構架橫向振動加速度

彈性懸掛的存在，輪軌之間的振動產生的能量被吸收一部分，導致了構架振動加速度幅值較輪對振動加速度幅值要低。同一線路條件下，隨著列車速度的提高，構架的垂向加速度在不斷地增加，各個工況下增加幅度接近；列車以同一速度運行，不同線路條件下，構架的垂向振動加速度最大值接近。說明列車運行速度是影響列車構架垂向振動加速度的主要原因之一，為了降低構架垂向振動加速度，可以在通過曲線線路時降低列車的運行速度。

不同線路條件下，構架垂向振動加速度的最大值隨速度的變化規律一致，速度由30~50 km/h的過程中，構架橫向振動加速度變化較為平緩，都是先略有下降，再小幅度上升，而當列車速度增大到60 km/h時，不同線路條件下的構架橫向振動加速度最值都有較大幅度的上升，當列車速度增大到一定值時，列車在通過曲線時，輪緣與鋼軌發生接觸，加劇了輪軌之間的振動，進而使構架的橫向振動加速度增加；在同一速度下，構架橫向振動加速度隨著曲線半徑的增大而減小，這是因為當線路曲線半徑增大時，列車通過不容易出現輪緣與鋼軌接觸的情況，降低了輪軌之間的振動，從而降低了構架的橫向振動。

綜上可以看出波浪形磨耗主要是加劇了輪軌之間磨耗，增加了輪對之間的振動，進而影響構架的垂向振動，對構架的橫向振動影響不大。

3 平穩性評價

波磨會加劇輪軌之間的振動，對構架的振動產生影響，進而會影響列車運行的平穩性度，GB5599—2019[6]規定的車輛平穩性等級見表3。

表3 客車平穩性等級

該文對列車在不同工況下的列車車體的平穩性進行了計算，見表4和表5。

表4 垂向平穩性指標

表5 橫向平穩性指標

通過表4和表5可以看出，受波磨的影響，車體的垂向平穩性要大于橫向平穩性，根據電客車平穩性指標的規定，車體的橫向平穩性等級均屬于一級，而車體的垂向平穩性等級則處于一級和二級之間。

綜合分析列車的平穩性指標，可以看出，無論是垂向還是橫向，當列車運行的線路一定時，隨著列車運行速度的增加，列車的平穩性指標增大，列車的平穩性下降；當列車運行速度一定時，隨著列車通過線路半徑的增加，列車的垂向平穩性差距不大，橫向平穩性只在速度為30 km/h時存在微小的差距，可以看出列車的平穩性主要取決于列車運行的速度，與線路的半徑關系不大。

可以看出只有列車的速度為30 km/h時，垂向平穩性才處于一級，當列車速度大于等于60 km/h時，垂向平穩性為三級，僅達到合格的標準，為保證列車運行的安全以及乘客乘坐的平穩，在通過有波磨的曲線時，應嚴格控制車速。

4 結語

對列車以不同速度通過帶有波浪形磨耗的小半徑曲線線路分析，發現波磨對輪軌、構架的垂向振動、列車的垂向平穩性影響較大，在通過小半徑曲線線路時應降低列車的通過速度。