动车组通过小半径曲线线路的安全性试验研究

冯仲伟，侯茂锐，王林栋，方兴，王澜

(中国铁道科学研究院，北京100081:1．研究生部;2．铁道建筑研究所;3．铁道科学技术研究发展中心; 4．机车车辆研究所;5．科研管理部)

动车组通过小半径曲线线路的安全性试验研究

冯仲伟1，2，侯茂锐3，王林栋4，方兴5，王澜3

(中国铁道科学研究院，北京100081:1．研究生部;2．铁道建筑研究所;3．铁道科学技术研究发展中心; 4．机车车辆研究所;5．科研管理部)

为研究动车组通过小半径曲线的安全性，在某动车所和动车组走行线选取小半径曲线，采用MinProf廓形仪对钢轨磨耗进行测试，并对CRH2C型和CRH380A型综合检测列车通过小半径曲线时的动力学性能进行测试分析。结果表明:小半径曲线外股钢轨主要发生侧磨，内股钢轨主要发生轨道垂磨，曲线不同断面处的钢轨侧磨量差异较大，建议线路养护维修时重点考虑对缓和曲线与圆曲线过渡处采取润滑等减磨措施;对于动车组低速通过小半径曲线的准静态情况，建议脱轨系数限值取为1.0，在通过半径300 m曲线时适当限速;导向轮的脱轨系数明显大于从动轮，且曲线半径越小导向轮脱轨系数越大，导向轮与从动轮脱轨系数相差越大，导向轮的轮重减载率却明显小于从动轮，因此，除了应关注导向轮的脱轨系数外，还应重点关注从动轮的轮重减载率，防止动车组脱轨。

动车组;小半径曲线;钢轨磨耗;动力学性能;安全性指标

关于高速铁路的一般曲线(正线的曲线半径一般＞2 800 m［1］)对动车组动力学性能的影响研究［2-3］较多，而关于动车所内线路、动车组走行线等一类有小半径曲线的线路对动车组动力学性能的影响研究甚少。

动车所一般建在大城市周围，受位置、规模、地形条件等因素的影响，连接动车所的走行线以及动车所内线路的曲线半径都比较小［4］。动车所内线路和走行线上的小半径曲线是高速铁路的薄弱环节。动车组通过小半径曲线线路时，因为轮轨动力作用急剧增大，对线路的冲击和破坏较大，并导致钢轨侧磨严重以及车轮轮缘磨耗加剧，而且由于通过小半径曲线线路时的车速较低，容易因车轮爬轨而导致车辆脱轨［5］，所以会引起车辆运行平稳性和安全性降低［6-7］。

为了评价动车组通过小半径曲线线路时的安全性，本文从2个不同动车所选择典型小半径曲线线路作为试验线路，采用MinProf廓形仪对钢轨磨耗进行测试，并采用高速综合检测列车进行动车组动力学性能试验，通过测力轮对测试轮轨的横向力、垂向力，计算脱轨系数和轮重减载率，综合分析动车组通过小半径曲线时的安全性。

1 试验线路

在某动车所内选取由3条曲线组成的按里程半径R依次为300，400，500 m的线路，并在另一动车所选取由3条曲线组成的半径依次为350，300，300 m的走行线，分别进行钢轨磨耗测试和动车组动力学试验。线路上铺设的钢轨均为60 kg/m钢轨，线路参数见表1。

表1 动车所小半径曲线线路参数

为便于分析时考虑动车组通过小半径曲线时未被平衡的离心力，计算了不同的曲线超高对应的动车组平衡速度。由表1给出的曲线超高计算可知，在曲线超高为15 mm的条件下，动车组通过半径为300 m和350 m曲线线路的平衡速度分别为19.5，21 km/h;在曲线超高为25 mm的条件下，动车组通过半径为400 m和500 m曲线线路的平衡速度分别为29.1，32.5 km/h。

2 钢轨磨耗测试

对半径为300 m和400 m的2条曲线线路进行钢轨廓形测试。选取的5个测试断面分别位于直线段进入缓和曲线段的连接处(直缓点)、缓和曲线段进入圆曲线段的连接处(缓圆点)、圆曲线段中部(曲中点)、圆曲线段进入缓和曲线段的连接处(圆缓点)、缓和曲线段进入直线段的连接处(缓直点)。采用MiniProf廓形仪对2条曲线线路上的外轨和内轨各测试断面的廓形进行测试，各测试断面廓形比较见图1。

图1 钢轨各测试断面廓形比较

由图1(a)可知:半径300 m时曲线线路外轨的磨耗主要表现为钢轨内侧的轨距角磨耗(侧磨)严重，并且不同测试断面的侧磨量相差较大，侧磨量从大到小的测试断面依次为圆缓点、曲中点、直缓点、缓圆点和缓直点，圆缓点处的最大侧磨量约为6 mm，缓直点处的最大侧磨量约为3 mm;在轨距侧由于金属塑性变形而出现肥边;各测试断面的轨顶垂磨量较小且相差不大。

由图1(b)可知:半径300 m时曲线线路内轨的磨耗主要表现为轨顶垂磨严重，并且各测试断面的轨顶垂磨有所差异，其中，曲中点和圆缓点处的轨顶垂磨量最大，均约为1.3 mm;缓直点处的轨顶垂磨量最小，约为0.8 mm。

由图1(c)可知:半径400 m时曲线线路外轨的磨耗规律与半径300 m时基本一致，主要表现为内侧轨距角处侧磨严重;其中缓圆点和圆缓点处的侧磨量最大，均约为7.5 mm;其次是曲中点处，侧磨量约为6.5 mm;直缓点和缓直点处侧磨量最小，分别约为3.5，2.5 mm;在轨距侧同样出现金属塑性变形引起的肥边。

由图1(d)可知:半径400 m时曲线线路内轨的磨耗规律与半径300 m时基本一致，主要表现为轨顶垂磨严重，圆缓点和缓圆点处的轨顶垂磨量最大，约为1.7 mm;其次是曲中点、直缓点;缓直点的轨顶垂磨量最小，约为1.35 mm。

3 动车组动力学性能测试

3.1 试验方案及测试内容

采用8辆编组的CRH2C型综合检测列车进行动车组通过动车所内小半径曲线线路的动力学性能试验，测力轮对安装于8号车的1轴上，且为导向轮，见图2(a);试验中1号车在前，为首车，8号车为尾车。采用8辆编组的CRH380A型综合检测列车进行动车组通过走行线小半径曲线线路的动力学性能试验，在该检测车上安装2条测力轮对，一条位于1号车的4轴上，为从动轮，另一条位于2号车的1轴上，为导向轮，见图2(b)。

图2 综合检测列车测力轮对位置示意

首先采用测力轮对测试高速综合检测列车通过小半径曲线线路时内、外轨的轮轨垂向力和横向力，然后计算脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等动车组通过小半径曲线线路时的安全性指标。

3.2 评判标准比较

目前我国铁路用于列车运行安全性评价的标准有《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》［8］(GB 5599—1985，简称规范1)、《高速动车组整车试验规范》［9］(铁运〔2008〕28号，简称规范2)和《高速铁路工程动态验收技术规范》［10］(TB 10761—2013，简称规范3)。这3个标准关于脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等列车运行安全性主要指标的规定见表2。

表2 列车运行安全性主要指标

由规范1计算得到的综合检测列车轮轴横向力限值约为52 kN，而由规范2和规范3计算得到的综合检测列车轮轴横向力限值约为50 kN。可见，3种规范规定的轮轴横向力限值基本相当，而且对准静态(第1限度)下轮重减载率的规定是一致的;但是，对于脱轨系数，规范1与后2个规范的规定限值存在差异。

3.3 测试结果分析

3.3.1 通过动车所小半径曲线线路的动力学性能

测试CRH2C型综合检测列车以大致与平衡速度相当的速度通过动车所内半径为300，400和500 m的3段小半径曲线线路时的动车组动力学性能，测试结果见图3。可知:

1)对于半径为300 m的曲线线路，综合检测列车以19.1 km/h的速度(该曲线的平衡速度为19.5 km/h)通过时，轮轴横向力的最大值为26.44 kN，脱轨系数的最大值为0.65，轮重减载率的最大值为0.17，均符合标准要求，且最大值均出现在缓和曲线与圆曲线的过渡处。

2)对于半径400 m的曲线线路，综合检测列车以31 km/h的速度(该曲线的平衡速度为29.1 km/h)通过时，轮轴横向力的最大值为15.57 kN，脱轨系数的最大值为0.57，轮重减载率的最大值为0.11，均符合标准要求，且最大值均出现在缓和曲线与圆曲线的过渡处。

图3 通过不同半径曲线线路时动车组动力学性能测试结果

3)对于半径500 m的曲线线路，综合检测列车以32 km/h的速度(该曲线的平衡速度为32.5 km/h)通过时，轮轴横向力的最大值为15.56 kN，脱轨系数的最大值为0.4，轮重减载率的最大值为0.11，均符合标准要求，且最大值同样均出现在缓和曲线与圆曲线过渡处。

综上可知:曲线半径由300 m增大到500 m，轮轴横向力和脱轨系数显著减小，但对轮重减载率的影响不大;轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率均小于标准限值，满足动车组运行安全性的要求。

3.3.2 通过走行线小半径曲线线路的动力学性能

测试CRH380A型综合检测列车以约30 km/h的速度通过走行线半径依次为350，300和300 m的3段小半径曲线线路时动车组动力学性能，测试结果见图4。图中里程1 500～1 719 m段为半径350 m曲线，里程1 882～1 915 m段为半径300 m曲线，里程2 009～2 200 m段为半径300 m曲线。

图4 通过走行线半径依次为350，300和300 m曲线线路时动车组动力学性能测试结果

由图4可知:

1)1号车4轴和2号车1轴测力轮对测得的最大轮轴横向力，在曲线半径为300 m时分别为31.23，36.96 kN;在曲线半径为350 m时分别为32.98，33.66 kN;轮轴横向力均小于标准限值。在曲线半径350 m和300 m时测得的轮轴横向力均较大且数值接近，而且导向轮与从动轮的轮轴横向力亦接近。这表明对于小半径曲线，曲线半径是影响轮轴横向力的最重要因素，轮对所处的位置对轮轴横向力的影响较小。

2)1号车4轴和2号车1轴测力轮对测得的最大脱轨系数，在曲线半径为300 m时分别为0.68，0.97;在曲线半径为350 m时分别为0.65，0.83。可见，随着曲线半径的减小脱轨系数明显增大，而且由于导向轮受到的轮轨作用力增幅更大，导向轮与从动轮的脱轨系数相差更加明显。在曲线半径为300 m和350 m时，位于导向轮位置的2号车1轴测力轮对测得的脱轨系数均超过了规范2和规范3规定的限值(0.8)［11］，但小于规范1中对应第2限度规定的限值(1.0)。

3)1号车4轴和2号车1轴测力轮对测得的最大轮重减载率，在曲线半径为350 m时分别为0.53和0.21;在曲线半径为300 m时分别为0.51和0.22。可见，轮重减载率均小于标准规定的限值。

综上可知，当综合检测列车以约30 km/h的速度通过走行线小半径曲线线路时，除了在曲线半径为300 m和350 m时脱轨系数超过规范2和规范3的标准限值外，其他试验条件下测得的动车组安全性指标均未超过3种规范规定的限值。

4 结论与建议

1)在动车所内小半径曲线线路上钢轨的磨耗主要表现为:外轨内侧轨距角处侧磨严重而轨顶垂磨较小，且轨距侧由于金属塑性变形而出现肥边，外轨各测试断面处的侧磨差异较大，一般在缓圆点和圆缓点处侧磨量最大，其次是曲中点处，直缓点和缓直点处的侧磨量最小;内轨的轨顶垂磨严重，且各测试断面处的轨顶垂磨差异较小。建议对缓圆过渡处和圆缓过渡处钢轨采取润滑等减磨措施，以防止因过大的钢轨磨耗而引发动车组脱轨事故。

2)在本文试验条件下，综合检测列车通过动车所内400 m和500 m小半径曲线线路以及CRH2C综合检测列车通过300 m小半径曲线时，实测动车组动力学各项安全性指标均满足标准中最严要求。但CRH380A型综合检测列车以约30 km/h的速度通过300 m和350 m小半径曲线线路时，实测脱轨系数分别达到0.97和0.83，超出了规范2和规范3中规定的限值(0.8)但低于规范1中规定的限值(1.0，第2限度)。鉴于规范2和规范3中规定动车组脱轨系数以0.8为限值主要是从动车组高速运行条件下应有更高安全裕量考虑的，因此本文结合动车组通过小半径曲线线路的速度较低且测得的轮轴横向力和轮重减载率等其他安全性指标值亦距标准限值尚有较大富余等因素综合考虑，认为按照规范1中规定的第2限度脱轨系数限值1.0对动车组通过动车所小半径曲线线路的安全性进行控制更为适宜，并且建议动车组通过300 m小半径曲线线路时应适当限速。

3)动车组在走行线、动车所内线路等一类有小半径曲线的线路上运行时，线路的曲线半径越小，脱轨系数越大，且导向轮的脱轨系数明显大于从动轮的，但导向轮的轮重减载率却明显小于从动轮的。因此，在评估动车组通过小半径曲线线路的安全性时，除了要关注导向轮的脱轨系数外，还应重点观察从动轮的轮重减载率，并采取必要的限速措施以防止因轮重减载率过大而发生脱轨事故。

［1］国家铁路局．TB 10621—2014高速铁路设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2014．

［2］王厚雄，黄建苒．浅谈高、中速共线铁路线路最小圆曲线半径［J］．铁道工程学报，1995，46(2):96-101．

［3］陈鹏，高亮．线路参数对高速车辆曲线通过性能的影响［J］．工程建设与设计，2007(6):66-67，88．

［4］中华人民共和国铁道部．铁运函［2006］462号时速200和300公里动车组主要技术条件［S］．北京:中华人民共和国铁道部，2006．

［5］徐小龙．小半径曲线脱轨原因分析及对策措施［J］．铁道标准设计，2003(2):3-5．

［6］孙善超，王卫东，刘今朝．小半径曲线动力学超限成因分析及影响因素研究［J］．铁道建筑，2012(2):82-86．

［7］王开云，翟婉明，刘建新，等．山区铁路小半径曲线强化轨道动力性能［J］．交通运输工程学报，2005，5(4):15-19．

［8］国家标准局．GB 5599—1985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范［S］．北京:中国标准出版社，1986．

［9］中华人民共和国铁道部．铁运［2008］28号高速动车组整车试验规范［S］．北京:中华人民共和国铁道部，2008．

［10］中华人民共和国铁道部．TB 10761—2013高速铁路工程动态验收技术规范［S］．北京:中国铁道出版社，2013．

［11］张洪，杨国桢．关于客车转向架的脱轨和轮重减载问题［J］．铁道车辆，2005(6):10-15．

Experimental Study on Safety of Electric Multiple Units
Passing Small Radius Section

FENG Zhongwei1，2，HOU Maorui3，WANG Lindong4，FANG Xing5，WANG Lan3
(China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China:1．Postgraduate Department;2．Railway Engineering Research Institute; 3．Railway Science＆Technology Research＆Development Center;4．Locomotive＆Car Research Enstitute; 5．Science and Research Management Department)

In order to study the safety of electric multiple units(EM U)passing through the small radius curve railway line，the rail abrasion tests were made by using M iniProf instrument and selecting the small radius curves of a EM U depot and a EM U railway line，and the dynamic performance of CRH2Cand CRH380Acomprehensive detection train passing the small radius curves were tested and analyzed respectively．Results showed that there are side abrasion of external rail and vertical abrasion of internal rail in small radius curve railway line，the rail side wear in different sections of the curve are very different，such abrasion reduction measures as lubrication for the section between transition curve and circular curve should be considered during the maintenance and repair period of the railway lines．T he limit value of derailment coefficient should be 1.0 according to the Quasi-static condition of EM U passing through the small radius curve with low speed and the speed should be limited when EM U passing through the curve with 300 m radius．T he derailment coefficient of guide wheel is significantly greater than that of the driven wheel，the derailment coefficient of guide wheel and the difference between derailment coefficient of guide wheel and that of driven wheel increase with the curve radius decreasing，and rate of wheel load reduction of guide wheel is significantly less than that of the driven wheel．It is suggested that not only the derailment coefficient of guide wheel but also the rate of wheel load reduction of driven wheel should be considered in order to prevent the EM U derailment．

Electric multiple units;Small radius curve;Rail abrasion;Dynamic performance;Security index

U211．5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．21

1003-1995(2016)12-0077-05

(责任审编李付军)

2016-09-12;

2016-10-10

中国铁路总公司科技研究开发计划(Z2015-G002)

冯仲伟(1977—)，男，副研究员，博士研究生。