轨道科研试验线的轮轨力、脱轨系数及减载率研究

唐吉意，罗雁云，廖 博，蒋宇春，单 傲

(同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)

轨道科研试验线的轮轨力、脱轨系数及减载率研究

唐吉意，罗雁云，廖 博，蒋宇春，单 傲

(同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)

为了对同济大学轨道交通科研试验线进行脱轨安全性评定，采用测力钢轨法测试轨道交通科研试验线列车通过时的轮轨力，包括轮轨垂直力及横向力，由轮轨力计算脱轨系数及轮重减载率。结果表明，列车以速度20、30及40 km/h驶过时，南侧钢轨的轮轨垂直力平均值在54.91～56.14 kN范围内，北侧钢轨的轮轨垂直力平均值在72.91～76.62 kN范围内；南侧钢轨的轮轨横向力平均值在5.77～7.86 kN范围内，北侧钢轨的轮轨横向力平均值在6.48～7.11 kN范围内；脱轨系数分别为0.096、0.104及0.113，轮重减载率分别为0.141、0.152及0.154，脱轨系数及轮重减载率都远小于限界值，都具有很大的安全余量，轨道交通科研试验线在脱轨安全性评定方面完全符合要求。

轮轨作用；脱轨系数；轮重减载率；轮轨垂直力；轮轨横向力；科研试验线

同济大学轨道交通科研试验线是国内第一条轨道交通科研试验线[1-3]，有必要对轨道科研试验线进行脱轨安全性评定指标的研究，轮轨力的研究与测试是评定轨道科研试验线脱轨安全性的基础[4-5]。国外学者在轮轨力的研究与测试方面，进行了诸多尝试，包括研发新的方法与装置，减小横向力和垂向力之间的耦合，测试轮轨力的同时检测车轮的缺陷及轮轨力连续测量系统等[6-17]。国内学者近年来对轮轨力连续检测进行了许多研究，包括轮轨垂向力连续测量，滚动实验台上轮轨力模型试验，连续测量的神经网络方法及连续测试系统设计等[18-26]。在国内外研究基础上，本文主要采用测力钢轨法测试轨道科研试验线列车通过时的轮轨力，包括轮轨垂直力及横向力，由轮轨力计算脱轨系数及轮重减载率，然后对轨道交通科研试验线进行脱轨安全性评定，为轨道科研试验线的安全运行提供一定参考作用。

1 轮轨力测试

1.1 试验概况

试验在同济大学轨道交通科研试验线上进行，轨道结构类型为无砟轨道，线路类型为直线段平坡路线，扣件间距为0.6 m，钢轨类型为普通60 kg/m，道床下部由宽度为4 500 mm的钢筋混凝土基础构成，厚度为250 mm，道床上部宽2 500 mm，厚度为360 mm，接触网供电。试验列车为城市轨道交通A型车，1动1拖共两节车厢编组，列车轴重14.5 t，轴距为2 500 mm，共有4个转向架，每个转向架2个轮对，共计8个轮对，如图1所示。

图1 车辆侧视及俯视示意图Fig.1 Side view and overhead view of vehicle

1.2 试验设备及断面

试验设备名称、型号及数量如表1所示。

表1 试验设备Tab.1 Test equipment

测试断面位于一段轨道线路状态良好的直线段，如图2所示，该断面的南侧钢轨与北侧钢轨的轮轨力测试同时进行。

图2 测试断面示意图Fig.2 Sketch map of test section

1.3 试验准备

按照图3、图4分别进行轮轨垂直力及轮轨横向力的贴片及组桥，在贴片前，对钢轨贴片处进行打磨并用丙酮进行清洗，以保证贴片处光滑平整。贴片完成后，先进行贴片质量检查，将测试桥路接入应变仪的通道，进行调平，用大拇指分别在各应变花上轻轻按压，在应变仪的表头上观察指针偏转的情况，要求其输出不大15 με，如果超出，应变片应当重贴；然后再粘贴接线端子，焊接引线，并进行绝缘性能检查，要求绝缘电阻达500 MΩ以上。

应变片调平完成以后，进行测试荷载标定，目的是确定所设置的贴片系统与实际施加力的相互关系，钢轨受力大小与贴片系统产生的电压大小成一定比例，利用标定施加模拟轮轨力确定这个比例系数，在后续试验数据处理中可以通过比例关系将电压值转化为实际的轮轨力。

图3 轮轨垂直力贴片及组桥方式Fig.3 Patch mode and bridge mode for wheel-rail vertical force

图4 轮轨横向力贴片及组桥方式Fig.4 Patch mode and bridge mode for wheel-rail lateral force

1.4 试验过程

标定后进行测试，采样频率设为5 000 Hz，由于列车有8个轮对，每次列车经过时，测试断面可以采集到8个轮轨垂直力波峰及8个轮轨横向力波峰。为评定不同速度下列车的脱轨安全性，让列车分别以20、30、40 km/h的速度通过测试断面，记录下每次列车通过时的垂直力与横向力波形图，典型的轮轨垂直力与横向力波形图如图5—图6所示。

图5 轮轨垂直力波形图示例Fig.5 Example of wheel-rail vertical force waveform

图6 轮轨横向力波形图示例Fig.6 Example of wheel-rail lateral force waveform

2 轮轨力分析

为便于区分，将8个轮对按离车头的距离由近至远，分别编号为轮对1—轮对8，不同行车速度下测试断面的8个轮对的轮轨垂直力及横向力如表2所示；对8个轮对的轮轨垂直力及横向力求得平均值，如表3所示。

表2 测试截面的轮轨垂直力及横向力Tab.2 Vertical and lateral forces of the wheel-rail of the test cross section

表3 测试截面的轮轨垂直力及横向力平均值Tab.3 The mean value of wheel-rail vertical force and lateral force of test cross section

在轮轨垂直力方面，以南侧钢轨为分析对象，列车速度分别为20、30及40 km/h时，8个轮对的轮轨垂直力分别在49.50～61.54、48.59～66.16及52.31～65.69 kN范围内，平均值分别为54.91、55.66及56.14 kN；以北侧钢轨为分析对象，列车速度分别为20、30及40 km/h时，8个轮对的轮轨垂直力分别在67.27～79.21、68.28～81.55及69.26～85.35 kN范围内，平均值分别为72.91、75.67及76.62 kN。结果表明，轮轨垂直力随列车速度的增大而逐渐增大，因为轨道表面并不是绝对光滑的，存在一定的高低不平顺，车轮滚动经过这些不平顺区域时会对轨面产生竖向冲击且速度越大冲击作用越大，所以轮轨垂直力会随速度增大而逐渐增大。

在轮轨横向力方面，以南侧钢轨为分析对象，列车速度分别为20、30及40 km/h时，8个轮对的轮轨横向力分别在3.87～9.23、2.85～10.58及1.99～21.96 kN范围内，平均值分别为5.77、7.02及7.86 kN；以北侧钢轨为分析对象，列车速度分别为20、30及40 km/h时，8个轮对的轮轨横向力分别在2.17～11.16、1.48～10.74及4.04～13.5 kN范围内，平均值分别为6.48、6.63及7.11 kN。结果表明，轮轨横向力随列车速度的增大而逐渐增大，因为列车在运行过程中存在蛇形运动且蛇形运动会使轮轨间横向相互作用加剧，列车速度越大蛇形运动越剧烈，进而导致轮轨横向力逐渐增大。

从8个轮对轮轨力的平均值来看，列车以不同速度驶过时，南侧钢轨的轮轨垂直力在54.91～56.14 kN范围内，平均值为55.57 kN；北侧钢轨的轮轨垂直力在72.91～76.62 kN范围内，平均值为75.07 kN；北侧钢轨的轮轨垂直力要比南侧钢轨的轮轨垂直力明显偏大，因为该测试截面处北侧钢轨高度比南侧钢轨高度略低，导致列车分布于北侧钢轨的垂直力略大。

从8个轮对轮轨力的平均值来看，列车以不同速度驶过时，南侧钢轨的轮轨横向力在5.77～7.86 kN范围内，平均值为6.88 kN；北侧钢轨的轮轨横向力在6.48～7.11 kN范围内，平均值为6.74 kN。虽然该测试截面处北侧钢轨高度比南侧钢轨高度略低，但北侧钢轨的轮轨横向力跟南侧钢轨的轮轨横向力很相近，差别不明显，表明轮轨垂直力受两股钢轨的细小高程差的影响较大，而轮轨横向力受两股钢轨的细小高程差影响较小。

3 脱轨系数分析

脱轨系数用于评定列车车辆在轮轨横向力和垂直力的综合作用下，车轮轮缘爬上钢轨的安全程度，脱轨系数越大越容易脱轨，参照标准《GB5599-1985铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》给出的公式：

式中Q为轮轨垂直力，P轮轨横向力。当脱轨系数超过上述限度时，需要检查超限值的持续作用时间，当轮轨横向力的作用时间t＜0.05 s时，容许的脱轨系数为：

式中t为轮轨横向力作用时间(s)。

经过计算，列车在速度为20、30及40 km/h时的脱轨系数分别为0.096、0.104及0.113，都远小于限界值0.8，结果表明，在脱轨系数方面，轨道交通科研试验线有很大的安全余量。

4 轮重减载率分析

以前发生脱轨事故之后，我们常归因于轮轨横向力过大，但在实际运行中我们发现，在轮轨横向力较小但轮重减载率过大时，也会发生脱轨现象；也就是说，为了防止列车脱轨，需要对两股钢轨上的轮轨垂直力之差进行限定。参考国内外相关标准规范，目前建议采用的轮重减载率安全指标为

5 结论

列车以速度20、30及40 km/h驶过时，南侧钢轨的轮轨垂直力平均值在54.91～56.14 kN范围内，北侧钢轨的轮轨垂直力平均值在72.91～76.62 kN范围内；南侧钢轨的轮轨横向力平均值在5.77～7.86 kN范围内，北侧钢轨的轮轨横向力平均值在6.48～7.11 kN范围内；脱轨系数分别为0.096、0.104及0.113，轮重减载率分别为0.141、0.152及0.154，脱轨系数及轮重减载率都远小于限界值，都具有很大的安全余量。

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Research on wheel-rail force derailment coef fi cient and wheel load reduction ratio of the scienti fi c research track line

TANG Jiyi，LUO Yanyun，Liao Bo，Jiang Yuchun，Shan Ao
(Institute of Rail Transit，Tongji University，Shanghai，201804，China)

Absract：The train running on the track test line without derailment is the basic premise of track engineering scienti fi c research test. In order to carry out the assessment of the derailment safety of the rail transportation comprehensive test line of Tongji University，this article measures the wheel-rail force of the rail transportation comprehensive test line，including wheel rail lateral force and vertical force，and then calculates the derailment coef fi cient and wheel load reduction rate through the wheel rail force.Results show，when the train passes at the speed of 20，30and 40 km/h，the average value of the wheel rail vertical force of the south rail is in the range of 54.91～56.14 kN，those of the north rail is in the range of 72.91～76.62 kN；t of the south rail is in the range of 5.77～7.86 kN，those of the north rail is in the range of 6.48～7.11 kN；The derailment coef fi cient are 0.096，0.104 and 0.113，wheel load reduction rate are 0.141，0.152 and 0.154. The derailment coef fi cient and wheel load reduction rate is less than the limit value，and has great safety margin，the scientific research test rail transportation line meets the requirements completely in the derailment safety evaluation.

wheel-rail interaction；derailment coefficient；wheel load reduction ratio；wheel rail vertical force；wheel rail lateral force；scienti fi c research line

U211.5

A

1673-9469（2017）04-0051-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.012

2017-06-20

国家自然科学基金资助项目(51678446)

唐吉意(1992-)，男，湖南永州人，硕士研究生，研究方向为城市轨道与铁道工程。