地铁小半径曲线钢轨磨耗影响因素研究

苏昭，王峻

（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）

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5 000 km，居世界第一。2020年全国城市轨道交通运营总里程预计达到6 000 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600 m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。

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[11]。

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）。

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[12]；另一个为Elkins指数。根据文献[13]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：

图1 车辆动力学仿真模型

WI=F·α，

式中：F为轮缘导向力；α为冲角。

采穗圃是青杨繁殖的重要手段，其限制穗条产量的关键因子是根桩的定植密度和留干个数。不同平茬高度对采穗母株产生的有效萌条数量和总萌条数量有极显著性差异。在采穗圃实际生产中，以平茬高度为10cm-15cm为最佳高度，有利于侧芽的萌蘖和直立生长。根桩先栽植后灌溉的情况下，由于土壤温度较高，苗木当年生长量较大，所以采穗圃母株栽植时宜先栽植后灌溉。

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）。4组曲线半径对应的钢轨磨耗指数比较见图2。

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。

表1 曲线半径及磨耗指数变化

图2 曲线半径对磨耗指数的影响

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。5组曲线超高对应的钢轨磨耗指数变化见图3。

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R300 m的曲线，如果通过速度为55 km/h，建议设置超高80 mm；如果设置超高120 mm，建议适当提高通过速度。

2.3 轨底坡影响

R300 m曲线，曲线超高设置为120 mm，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、图4。

表2 曲线超高及磨耗指数变化

图3 曲线超高对磨耗指数的影响

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

R300 m曲线，曲线超高设置为120 m m，轨底坡为1/40，轨距分别为1 425、1 430、1 435、1 440、1 445 mm，不同轨底坡钢轨磨耗指数变化和影响见表4、图5。

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1 440 mm的钢轨磨耗较标准轨距1 435 mm减小约6%；轨距1 440 mm的钢轨磨耗较轨距1 430 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。

表3 轨底坡及磨耗指数变化

图4 轨底坡对磨耗指数的影响

表4 轨距及磨耗指数变化

图5 轨距对磨耗指数的影响

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。R350 m曲线的钢轨磨耗指数较R300 m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50 m，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。