槽型轨及普通钢轨对独立轮对轻轨车辆轮轨动力特性的影响＊

陈 鹏

（北京城建设计研究总院有限责任公司，100037，北京／／工程师）

目前国内外的轻轨交通系统中槽型轨及普通钢轨（截面对称）均有采用[1－2]，槽型轨由于在轨行区做高覆盖需绿化或铺面时优势明显，国内外对与以地面敷设方式为主，且为开放式或半封闭式的轻轨系统中，一般推荐采用槽型轨。车辆方面，轻轨车辆主要有高地板、部分低地板、全低地板轻轨三大类[3]，地板的降低通过采用独立轮对转向架来实现[4－5]。高地板轻轨车辆由于需要建造较高的地面站台，不仅影响市容、增加造价，且不便于乘客上下车，随着车辆制造技术的不断发展，高地板轻轨车辆已逐渐被部分低地板及全低地板车辆取代。

目前，国内已逐步开展了对轻轨车辆轮轨动力特性的研究[6－7]，但研究时采用的钢轨均主要基于普通钢轨，采用轻轨交通系统中普遍使用的槽型轨进行轮轨作用研究的文献资料还很少。基于此，针对轻轨车辆的结构特点，研究不同轨型条件下的轮轨动力特性差异十分必要。

1 模型建立

目前轻轨车辆独立轮对转向架的制造方案之一为在既有的转向架基础上进行改造，并将刚性轮对更换为独立轮，悬挂系统等保持不变[8]。采用轮轨系统动力学理论建立车辆－轨道动力学仿真模型。车辆由一个车体，两个转向架，四个轮对共7个体组成，对于传统地铁车辆模型，每个体均考虑纵向、横向和垂向的运动及绕这三个方向的转动。对于独立轮对轻轨车辆模型，与传统地铁车辆的主要区别之一在于同一轴上的两个轮均可相对与车轴转动，因此建模时需要对一个轴上的两个车轮进行解耦，也即一个轮对有7个自由度（即三个方向的平移、转动自由度及相对于车轴的转动自由度）。

对于轮轨接触面，钢轨断面采用CHN50普通钢轨断面及德国有轨电车交通系统中普遍采用的Ri60槽型轨断面。车轮踏面由于目前国内尚未有专用于独立轮对的车轮踏面，在此采用LM型踏面。

此外，CHN50普通钢轨断面与Ri60槽型轨的轨距测量基线位置及轨底坡取值有所不同，应有所区分。主要不同之处为：欧洲及大连轻轨系统槽型轨轨距1 435mm对应的测量基线为钢轨顶面以下9mm，而非普通钢轨的钢轨顶面以下16mm；Ri60／R10轨不设轨底坡，CHN50轨的轨底坡定为1∶40。

2 动力仿真结果及分析

仿真计算中拟定的线路参数为：曲线半径400m，圆曲线长100m，缓和曲线长60m，超高60 mm。车辆通过速度为50km／h。

2.1 动力仿真结果

轮轨动力响应结果见图1～图6。

图1 垂向轮轨力

图2 横向轮轨力

2.2 结果分析

由仿真计算结果可见，两种轨型条件下的轮轨系统动力响应结果相比，有以下规律：

1）垂向轮轨力。垂向轮轨力均变化不大，本计算中变化幅度不超过1%。采用Ri60轨时，外侧轮的垂向轮轨力略小于采用CHN50时的垂向轮轨力，内侧轮轨力则略大。

2）横向轮轮轨力。采用Ri60轨时的内、外侧轮轨力均大于采用CHN50轨时，且相差较大。本计算中轻轨车辆中Ri60轨与CHN50轨条件下的横向轮轨力最大相差约14%，此种结果的主要原因在于槽型轨条件下轮轨之间发生了显著的两点接触作用（车辆运行过程中踏面和轮背同时与钢轨发生接触）。

图3 脱轨系数

图4 磨耗功率

图5 轮对横移量

图6 轮对冲角

3）脱轨系数。脱轨系数的影响规律与横向轮轨力类似，也即采用Ri60轨的内、外侧轮轨力均大于采用CHN50轨时。本计算中两种轨型条件下轻轨车辆的横向轮轨力最大相差约13%。需要说明的是，虽然槽型轨条件下较大的横向轮轨力造成脱轨系数比CHN50有一定增大，但由于其钢轨断面同时具有了一定的护轨功能，这对于确保车辆安全是有利的。

4）轮对横移量。采用Ri60轨与CHN50轨相比，轮对横移量均较小，本计算中Ri60轨条件下轮对横移量比CHN50轨条件下约小15%，这体现了槽型轨的护轨作用对限制轮对横移起到了显著作用。此外，由时程曲线可见，独立轮对转向架由于丧失纵向蠕滑力后自动回复能力较差，不存在像刚性轮对一样在线路中心线附近振动并逐步衰减的过程，此规律与相关文献的分析结果一致[9]。

5）轮对冲角。从计算结果来看，采用Ri60轨与CHN50相比，冲角相差很小，两种轨型的结果几乎一致。

6）轮对磨耗功率。采用Ri60轨与CHN50轨相比，Ri60条件下的外侧轮磨耗功率略大于采用CNH50轨时，内侧轮磨耗功率则相反。但两种轨型的结果相差不大，本计算中结果相差最大不超过4%。

此外，一般认为独立轮对轻轨车辆轮轨磨耗较大，主要原因是其横向轮轨力较大、轮缘频繁贴靠钢轨等因素所造成。为改善独立轮对转向架的的导向性能，降低轮轨相互作用，世界各国如德国、日本、法国等国开展了很多研究工作[10]。

3 结语

从Ri60轨与CHN50轨两种轨型条件下轮轨动力特性的计算结果及对比分析来看：

1）所讨论的几项车辆动力特性指标中，Ri60轨与CHN50轨条件下横向轮轨力、脱轨系数、轮对横移量差异较大。

2）虽然Ri60轨条件下的轮轨横向力及脱轨系数较大，但由于其断面类型决定了其具有一定的护轨功能，对于确保车辆的安全仍然是有利的，且使得轮对横移量要小于CHN50轨时的轮对横移量。

3）对于轮轨磨耗而言，虽然两种轨型的轮轨磨耗功率、轮对冲角相差不大，但由于Ri60轨条件下的轮轨横向力较大，综合而言Ri60轨的轮轨磨耗略大。但由于实际运行的轻轨系统与传统地铁相比，其编组少，运量小，这对于降低轮轨磨耗是有利的，加之槽型轨有利于在轨行区做铺面或绿化，因而总体而言，对于敷设方式以地面为主的轻轨系统，采用槽型轨较为合理。

独立轮车辆动特性的影响因素繁多，研究及优化还需从多方面入手，如轮轨接关系的优化、转向架结构的改进等。今后还需结合现场试验及今后实际运营中积累的经验，不断地研究、总结，以求得更加客观、准确的认识。

[1]National R C.Track design handbook for light rail transit[R].Washington D C：National Academy Press，2000.

[2]李秋义，李阳春，李康杰，等.大连市现代有轨电车轨道结构技术方案初探[J].中国铁路，2003（3）：41.

[3]黄运华.李芾，张丽平.独立轮对在轻轨车辆上的应用[J].交通运输工程学报，2001（2）：21.

[4]Satou E，Miyamoto M.Dynamics ofa bogie with indepeadeatly ratatingwheels[J].Vehicle System Dynamics，1991（20）：519.

[5]Fisette P，Samin J C.Lateral dynamics ofa light railway vehicle with independent wheels [J].Vehicle System Dynamics，1991（Supplement）：157.

[6]池茂儒，张卫华，曾京，等.独立轮对柔性耦合转向架耦合刚度对动力学性能的影响[J].铁道学报，2007，29（5）：26.

[7]张丽平，轻轨车辆动力学数字仿真[D].成都：西南交通大学，2002.

[8]张厚胜，独立轮转向架的研制[J].铁道车辆，1999，37（9）：39.

[9]池茂儒，张卫华，戴焕云.独立轮对耦合转向架导向性能[J].西南交通大学学报，2007，42（6）：695.

[10]池茂儒，张卫华，曾京，等.新型独立轮对柔性耦合径向转向架[J].机械工程学报，2008，44（3）：9.