地铁小半径曲线钢轨磨耗影响因素研究

0 引言

近年来,我国城市轨道交通发展迅速,截至2017年底,累计已有34个城市建成轨道交通系统,运营里程约5000km,居世界第一。2020年全国城市轨道交通运营总里程预计达到6000 km。

城市轨道交通的快速发展给城市居民出行带来了极大方便,但随着城市人口增长,轨道交通压力也越来越大。一方面,城市轨道交通受地形条件限制因素而导致600m以内的小半径曲线较多;另一方面,由于城市轨道交通具有载客量大、线路复杂、频繁加减速等特点,使得地铁线路的钢轨磨耗不断加剧。尤其对于小半径曲线,剧烈的钢轨磨耗将会影响车辆运行安全,增加车辆脱轨风险。为保证运营安全,需定期对车轮和钢轨进行镟修与打磨。钢轨侧磨加剧使得钢轨寿命降低,养护维修工作量增大,运营维护成本急剧上升。

钢轨侧磨是曲线钢轨的主要损伤类型,尤其对小半径曲线,钢轨侧磨已成为曲线钢轨更换的决定性因素。因此,减缓曲线上的钢轨侧磨,延长钢轨使用寿命,保证行车安全是工务工作的重要内容。钟智丰等分别研究了动车所、重载铁路小半径曲线轨底坡、轨距、超高养护维修等因素对钢轨侧磨的影响,并提出了减缓钢轨侧磨的预防措施。颜怡翥等分别针对广州地铁5号线、上海地铁、北京地铁8号线的小半径曲线钢轨磨耗问题,研究了钢轨磨耗的影响因素,提出了钢轨磨耗减缓措施,并在现场开展了验证试验。通过应用多体动力学软件Simpack建立地铁B型车拖车的动力学仿真模型,计算分析曲线半径、超高、轨底坡、轨距和轮轨摩擦系数等因素对钢轨磨耗的影响,提出减缓钢轨磨耗的技术措施。

1 分析方法

1.1 动力学模型建立

以Simpack建立地铁B型车拖车动力学模型,采用两系悬挂,考虑轮轨接触几何关系和横向止挡及部分减振器的非线性特征,由Kalker非线性蠕滑理论计算轮轨蠕滑力。

拖车动力学仿真模型由1个车体、2个构架、4个轮对和8个轴箱组成,共50个自由度。首先将建立的转向架模型作为子系统,然后通过子系统建模技术组装建立整车动力学仿真模型(见图1)。

图1 车辆动力学仿真模型

1.2 轮轨磨耗指数

各国研究人员提出了近10种轮轨磨耗模型及评价轮轨磨耗剧烈程度的指数,有2个指数应用较广泛,一个为Vogel指数;另一个为Elkins指数。根据文献的研究结果,Vogel指数的变化规律与试验规律一致。所以使用Vogel指数评价钢轨磨耗的剧烈程度。

Vogel指数为轮缘导向力与冲角的乘积,具体表示如下:

WI=F·α

式中:F为轮缘导向力;α为冲角。

2 结果分析

对于地铁小半径曲线,主要分析曲线半径、超高、轨底坡、轨距等参数对钢轨磨耗的影响。仿真计算中采用单因素分析方法,轮轨摩擦系数均取0.4。

2.1 曲线半径影响

曲线半径分别为300、350、400、450 m,曲线超高均设置为120 mm,以各曲线的平衡速度运行(见表1)。

表1 曲线半径及磨耗指数变化

半径/m 超高/mm 平衡速度/(km·h-1 磨耗指数
300 120 55 76
350 120 60 50
400 120 64 34
450 120 68 24

可见,随着曲线半径的增大,钢轨磨耗指数明显减小。R350 m曲线的磨耗指数较R300 m曲线减小约34%;R400 m曲线的磨耗指数较R350 m曲线减小约32%;R450 m曲线的磨耗指数较R400 m曲线减小约31%;R400 m曲线的磨耗指数较R300 m曲线减小约55%;R450 m曲线的磨耗指数较R300 m曲线减小约70%。可见,曲线半径增大对减小曲线钢轨侧磨有显著作用,进行地铁线路设计时,在现场允许的条件下优先选用半径较大曲线,即使半径仅增大50 m,对运营中减缓钢轨磨耗也有较大的促进作用。

2.2 超高影响

R300 m曲线,曲线超高分别设置为60、80、100、120、140 mm,车辆运行速度为55 km/h。此时,超高60、80、100 mm均为欠超高,欠超高分别为60、40、20 mm,超高120 mm为均衡超高,超高140 mm为过超高,过超高20 mm,曲线超高及磨耗指数变化见表2。

表2 曲线超高及磨耗指数变化

半径/m 超高/mm 欠超高/过超高 平衡速度/(km·h-1 磨耗指数
300 60 -60 39 72
300 80 -40 45 73
300 100 -20 50 75
300 120 0 55 76
300 140 20 60 78

可见,在车辆运行速度均为55 km/h时,随着曲线设置超高的增大,钢轨磨耗指数逐渐增大。曲线超高为60 mm的磨耗指数较超高为120 mm的磨耗指数减小约6%;曲线超高为60 mm的磨耗指数较超高为140 mm的磨耗指数减小约14%。

因此,对于地铁小半径曲线线路,设置一定程度的欠超高有利于减缓钢轨磨耗。对于R300m的曲线,如果通过速度为55km/h,建议设置超高80mm;如果设置超高120mm,建议适当提高通过速度。

2.3 轨底坡影响

R300m曲线,曲线超高设置为120mm,轨底坡分别为1/40、1/30、1/20及内轨1/20、外轨1/40和内轨1/40、外轨1/20,不同轨底坡的钢轨磨耗指数变化和影响见表3。

表3 轨底坡及磨耗指数变化

半径/m 轨底坡 超高/mm 磨耗指数
300 1/40 120 76
300 1/30 120 74
300 1/20 120 71
300 内股1/20
外股1/40
120 69
300 内股1/20
外股1/40
120 77

可见,当轨底坡由1/40增大到1/20,钢轨磨耗指数由76减小到71,降低了约7%。使用非对称轨底坡后,当内轨轨底坡为1/20、外轨轨底坡为1/40时,钢轨磨耗指数最小,其值为69;当内轨轨底坡为1/40、外轨轨底坡为1/20时,钢轨磨耗指数最大,其值达到77。

对于地铁小半径曲线,设置非对称轨底坡可在一定程度上减缓钢轨磨耗,内轨轨底坡为1/20、外轨轨底坡为1/40时,钢轨磨耗较内外轨轨底坡均为1/40减小约10%。

2.4 轨距影响

R300m曲线,曲线超高设置为120mm,轨底坡为1/40,轨距分别为1425、1430、1435、1440、1445 mm,不同轨底坡钢轨磨耗指数变化和影响见表4。

表4 轨距及磨耗指数变化

半径/m 轨距/mm 超高/mm 磨耗指数
300 1425 120 99
300 1430 120 85
300 1435 120 76
300 1440 120 71
300 1445 120 69

可见,钢轨磨耗指数随着轨距的增大逐渐减小。

轨距正偏差有利于降低小半径曲线钢轨磨耗,轨距1440 mm的钢轨磨耗较标准轨距1435 mm减小约6%;轨距1440 mm的钢轨磨耗较轨距1430 mm减小约16%。对地铁的曲线线路进行维护时,保持轨距的正偏差不超出规范限值对减缓钢轨磨耗有一定作用。

3 结论与建议

(1)地铁线路小半径曲线钢轨磨耗与曲线半径关系紧密,增大曲线半径对减小钢轨磨耗作用明显。R350m曲线的钢轨磨耗指数较R300m曲线减小约34%。地铁线路设计时,在现场允许的条件下可适当增大曲线半径,即使曲线半径增大50m,对运营中减缓钢轨磨耗也有较大的促进作用。

(2)对于地铁小半径曲线线路,设置一定程度的欠超高有利于减缓钢轨磨耗。通过速度一定时,建议适当减小曲线超高设置,改善曲线钢轨磨耗状况。

(3)设置非对称轨底坡可一定程度减缓地铁小半径曲线钢轨磨耗,当内轨轨底坡为1/20、外轨轨底坡为1/40时,钢轨磨耗较内外轨轨底坡均为1/40时减小约10%。

(4)在地铁小半径曲线线路养护维修中,保持轨距的正偏差不超出规范限值,相对于轨距负偏差,对减缓钢轨磨耗有一定作用。

(5)综上可知,对于地铁小半径曲线线路,如果曲线半径确定,可通过设置一定程度欠超高、非对称轨底坡和正偏差轨距,同时采取以上3种措施可使钢轨磨耗降低20%~40%,延长了钢轨使用寿命,降低养护维修成本。

文章来源:

原文名称:地铁小半径曲线钢轨磨耗影响因素研究

作者信息 :苏昭1,王峻2(1. 陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714000;2. 兰州轨道交通有限公司,甘肃 兰州 730030)

期刊信息:《铁路技术创新》 2019年第5期

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