基于文献计量的列车轮轨关系研究现状分析

佟景泉,殷玲,曾光

(广东交通职业技术学院,广东 广州 510650)

1 轮轨关系研究的意义

轨道运输已经有近两百年的历史,对世界经济发展带来了巨大的影响,其主要是以轮轨接触的形式完成运输。轮轨关系稳定是确保列车安全运行的重要保障,根据运行场景不同,可将轮轨姿态大致分为平直轨道运行姿态和弯道轨道运行姿态,如图1所示。通过提高轮轨关系的稳定性,可以有效改善列车运行的稳定性,提高旅客乘车舒适度,确保列车运行安全。本文采用文献计量分析法对轮轨关系问题研究进行统计分析,探讨我国在该领域的研究动态与趋势,为相关研究者提供参考。

2 轮轨关系研究现状

国内专家学者对轮轨关系的研究开展较早,且研究比较深入,取得了较多成果。研究内容主要集中在轮轨的自身关系和轮轨关系对列车运行安全性、舒适性的影响方面。在平直轨道上,列车运行平稳,轮轨关系简单,很少单独作为研究场景;在弯道轨道上或不平顺轨道区段,列车运行需要向心力提供支撑,轮轨关系复杂,通常被作为主要的研究场景。本文对中国知网数据库中列车轮轨关系研究的热点进行了梳理,具体情况如表1所示。

表1 轮轨关系研究热点情况表

以上的研究热点并不是相互独立的,很多都存在交叉情况。例如,对轮轨匹配问题的研究,会涉及不同的匹配关系,引起轮轨磨耗情况不同;采用不同的轮轨材料,也会影响其黏着特性等。从发文数量上来看,自2000年以来,随着我国轨道交通的发展,相关研究也呈现出逐年上升的态势,如图2所示。其中,2019年论文数量出现较为明显下降,随后恢复到上升趋势。由此可见,轮轨关系是轨道交通研究的热点问题之一,随着新算法、新技术不断普及,在该领域的研究也将更加深入,更具有工程实践意义。

图2 历年轮轨关系文献数量趋势图

3 轮轨关系研究热点分析

3.1 磨耗问题研究

由于列车运行采用车轮和轮轨直接接触的方式,磨耗问题一直以来都是轮轨关系研究的热点问题。其中以钢轨波磨问题研究最为热门。钢轨波磨指的是列车车轮和钢轨接触时,在接触的纵向断面上发生的垂向交替的周期磨损[1]。钢轨波磨通常发生在轨面不平顺的轨道直线区段、轨道曲线区段和道岔区段,一般会引起列车的强烈震动,并伴有噪声,严重影响乘客的乘车体验,甚至造成列车部件松动、断裂,危及行车安全。

张英杰等[2]从钢轨波磨引起的噪声污染问题入手,通过对不同地铁线路的钢轨波磨情况和列车车厢内噪声情况进行实测,并绘制出噪声频谱图对噪声进行分析,得出波磨的特征波长与列车车厢内噪声水平之间的关系。陆文学等[3]以苏州地铁2号线的钢弹簧浮置板轨道区段作为研究场景,采集了现场测试的钢轨波磨特征波形,建立了浮置板轨道有限元模型和轮对有限元模型,通过分析波磨典型波长及其通过频率,最终得出结论:波磨现象主要发生在钢轨内侧;钢轨扣件的刚度与波磨之间有一定关系,扣件刚度低,会在一定程度上加剧波磨程度;可通过采取减震措施来减缓钢轨的波磨。

3.2 轮轨匹配关系问题研究

我国轨道交通发展迅速,由于地形、经济发展、人口等因素,各地采用的轨道交通方式也有很大区别,例如高铁、城际、地铁,有轨电车等。各种线路采用的钢轨类型和列车车轮型面不尽相同,所以国内学者对各种类型的轮和轨之间的匹配问题进行了大量研究。

刘学等[4]将60、60D、60N三种类型的钢轨型面与标准S1002CN车轮型面进行匹配,对得到的接触斑进行比较分析,得出车轮型面磨耗对轮轨接触斑面积、形状及接触位置有影响的结论。同时,建立了CRH3车辆动力学模型,根据60、60D、60N钢轨型面与标准车轮型面匹配的接触几何关系,分析了不同钢轨廓形对高速列车运动平稳性的影响,并以60N钢轨为例,提出了全新的高速车轮的钢轨廓形设计方案。李国栋等[5]针对高速铁路列车出现蛇形运行和车体低频晃动等问题,将轮轨接触面划分为三个接触区域,并对车轮踏面进行改进设计,从而改进其与轨面匹配的等效锥度,达到增大轮轨间隙的目的。为验证效果,作者进行仿真分析和线路试验,得到了较为理想的效果,证明了该设计的可行性与实用性。

3.3 力学行为研究

黄龙文等[6]以曲线区段列车轮轨接触关系问题为研究对象,建立了兼顾轮轨接触表面应力和内部应力的数学模型,计算了接触斑上表面和内部应力,并找出了线路曲线半径、列车运行速度、外轨超高值、轴质量等因素对内、外应力的影响规律。于淼[7]研究了列车经过18号道岔时,不同行车速度下轮轨的力学行为,以及由此引起的轮对震动问题,并建立了车辆-道岔刚柔耦合系统动力学模型加以验证,总结出柔性轮发生震动的原因,得出了侧向过岔时列车运行速度与轮轨受力情况的关系,以及同一速度下,列车经过道岔不同位置所受冲击变化情况。

3.4 轮轨黏着特性研究

轮轨黏着特性研究热点主要集中在第三介质上,主要研究不同介质对轮轨黏着特性的影响。宋建华等[8]进行了在不同工况条件下的黏着系数影响模拟试验,通过在不同速度、轴重和濡滑率的条件下注入水介质,比较了干态工况和加入水介质时黏着系数的变化情况,得出水介质条件下,车轮速度、轴重对黏着系数的影响。张鸿斐等[9]紧密结合轮轨真实运营关系,模拟列车运行时,轮轨可能遇到的外来介质污染,分别对污油、污油水混合物和污油水砂子混合物三种污染工况下的轮轨关系进行试验,得出了不同轴重和车轮速度对轮轨黏着系数的影响,该研究对列车运行安全具有较强的现实意义。

3.5 轮轨监测方法研究

随着计算机、信息采集技术的不断进步,近年来对轮轨运行状态监测相关方向的研究也取得了一定进展。由于轮轨关系涉及列车运行安全和旅客乘车体验,有必要通过各种技术手段对轮轨关系进行监测,确保轮轨关系稳定。目前在这方面已经取得了一定的进展。王月太等[10]提出了利用光纤布喇格光栅传感技术对轮轨垂向力进行监测。通过分析传感特性和轮轨作用力的特点,详细说明了轮轨垂向力监测原理,并设计出可以实现分布式传感监测系统的结构,最后通过有限元仿真计算验证了该方法的可行性。黄丹丹等[11]利用激光-位移技术采集列车运行过程中轮轨之间相互作用力的变化情况,从而测量车轮踏面损伤引起的轮轨冲击力,以降低轨道车辆部件伤损,并通过具体试验验证该方法的可行性,为接下来的轮轨受力调整等方面的工程应用提供理论基础。

4 存在问题及研究展望

4.1 存在问题

4.1.1 部分研究热点问题偏理论、轻实践

磨耗问题研究和轮轨匹配关系问题研究开展较早,研究较为深入,在应用基础和技术理论研究方面做了大量工作,在工程应用方面也有了很多实例。轮轨黏着特性研究和轮轨关系监测研究起步相对较晚,目前仅停留在基础理论研究或提出实施方案,鲜有工程实践的应用,将该领域的理论研究应用于工程实践具有广阔的发展前景。具体研究情况如图3所示。

图3 轮轨关系文献研究方向统计图

4.1.2 轮轨关系研究仍有较大探索空间

传统列车运行是通过轮轨直接接触提供支撑的,这种方式的问题在于轮轨的直接接触会引起磨耗,导致振动、噪声等问题。目前的研究主要集中在如何减轻轮轨磨耗,例如在进行轮轨的合理匹配、研究轮轨间的黏着情况、保持现有轮轨关系的基础上,对轮轨之间施加各种介质,在确保列车运行安全的前提下减少轮轨之间的磨耗等。这些研究对缓解轮轨磨耗问题起到了很大作用,但是轮轨关系问题仍然未能得到根本的解决。可以说,轮轨关系研究仍有较大探索空间。例如,可以利用磁力技术对轮轨关系进行调整,但难点在于如何精确控制磁力作用。

4.2 研究展望

(1)研究引入更多热门技术。近年来,机器学习、虚拟现实、数字孪生等技术的兴起,为列车轮轨关系研究提供新的思路、方法和手段,将会有越来越多的研究采用这些新技术,大大提高理论研究水平。

(2)研究更加偏重工程应用。随着上述热门技术应用于轮轨关系的研究,将会有更多的理论研究成果应用于工程实践。这有利于进一步提高轮轨关系的稳定性,进而保障列车运行安全。

5 总结

轮轨关系稳定情况直接影响到列车运行的安全性与舒适性,众多专业学者、工程人员对轮轨关系的研究从理论到实践均取得了很大进步。从研究情况来看,在轮轨直接受力分析方面的研究较为普遍和深入。以此为基础,第三介质应用于轮轨关系调整方面的研究成为热点,然而,第三介质的使用会带来环境问题,且效率值并不突出。近年来,利用磁力等新技术对轮轨受力进行调整逐渐成为研究热点,但在具体应用方面并未取得较大进展,仍需在工程实践方面继续探索。得益于新技术的快速发展,轮轨关系监测方面的研究取得了较大的进步,在具体应用方面也有着不错的表现。轮轨关系研究可为列车安全运行提供理论和实践的基础,未来仍有较大发展空间。