地铁轨道小半径曲线钢轨侧磨规律研究★

王学彦，王 琴，张光亮,董小卫

(1.湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421002; 2.湖南恒德检测有限公司,湖南 衡阳 421002)

1 研究背景及意义

随着现代城市快速发展，机动车辆数量不断增多，交通拥堵已成为城市中一种较为常见的现象，给城市居民出行和城市经济发展造成较大的影响。为有效缓解城市交通拥堵的现象，当前许多城市加强轨道交通网的规划建设，充分利用地下空间，打造完善的地下轨道交通体系。

地铁项目主要占据地下空间，以隧道结构形式存在，在运行过程中能够承载较多的乘客，同时由于路线的专用性，使得其在运行过程中拥有较高的准时性，不会出现交通堵塞的情况。现阶段地铁在我国许多城市都得到快速发展，将地铁规划建设与原有地面公共交通体系相结合，使得城市公共交通更加的便利，从而为城市经济发展产生积极促进作用。但由于地铁项目在城市中进行建设时，较容易受到街道、原有建筑等影响，因此在规划设计时，不能像地面铁路工程一样设置半径较大的曲线，必然存在较多小半径的曲线形式。此外，在进行地铁线路规划建设的过程中，还需要考虑到与其他地面公共交通之间的有效衔接，这也在一定程度上影响到地铁线路规划的曲线半径，使得实际规范建设中地铁项目的小半径曲线远多于地面普通铁路线路，而从车辆运行作用情况来看，在小半径曲线位置处较容易形成剧烈摩擦，使得钢轨受到损伤。

钢轨作为引导列车运动的主要结构，必然会受到来自于车轮的荷载作用，使得车轮与钢轨产生摩擦，而在不断摩擦作用下，钢轨表面将会受到一定的磨损。而这种磨损现象在地铁中表现得更加的突出，首先地铁车站之间的间距相对较短，每个站之间的距离通常都在3 km以内，也就意味着列车在运行的过程中需要频繁性的启动和制动，势必会造成摩擦加剧；其次受规划环境影响，地铁线路存在的小半径曲线较多，这也会增大轮轨之间的磨损。

根据相关调查显示，当前国内建设地铁线路较早的北上广一线城市，钢轨现都出现不同程度的磨损。而在磨损影响下，使得列车车轮与钢轨之间的匹配度降低，不仅进一步增加轨道与车轮之间的磨损，使得列车部件损害概率增大，而且也让列车运行安全性、平稳性受到较大的影响。为保证乘客能够拥有较高的舒适性和安全性，需要定期检查钢轨磨损程度，并对之做出更换，而该过程则会使得地铁的运营成本增高。

2 轨底坡的设置

轮轨关系是轨道侧磨的核心条件，除了车型、载重、摩擦系数、轨距以及钢轨材质等因素外，轨底坡也直接影响着轮轨接触关系，从而影响到外轨的侧磨发展[1]。基于世界铁路发展历史上常用的几种轨底坡大小，分别设置1∶20，1∶25，1∶30，1∶35，1∶40等几种轨底坡进行研究，通过仿真的方法来模拟不同轨底坡条件下外轨的侧磨发展规律，在标准轨底坡的基础上，不改变其他参数设置，研究小半径曲线外轨从新轨上道到严重侧磨损伤全过程中的侧磨发展特征。为了消除其他参数的改变对结果的影响，研究时只改变轨底坡大小，初始轨距采用1 435 mm的标准轨距，研究过程中不重新调整轨距。

3 不同轨底坡对侧磨的影响

3.1 轨底坡影响

所谓轨底坡，主要指的是轨底与轨道平面之间形成的横向坡度。列车在轨道上运行时，车轮踏面与钢轨顶面的接触位置存在着一定的倾斜，为有效降低钢轨后期运行时的磨损程度，在初期铺设时需使之向内侧做适当的倾斜，同时在此种情况下也能够让磨损的部位发生变化。在现代轨道结构中，轨底坡属于十分重要的参数信息，在设计中需综合多方面因素进行考虑。尤其是轨道环境因素，轨道在后期运行过程中，由于地基出现不同程度的下降或者钢轨下铺设的橡胶垫板出现变形，都会造成轨道的整体结构情况发生变化，使得实际轨底坡数值与设计标准产生差异，进而影响到轮轨之间的接触，使得二者之间的力学作用发生变化，造成二者之间的磨损程度增大[2-4]。从当前关于轨底坡的研究情况来看，都没有给出具体的数值，只是对设置安全区间做出规定，如：多认为(1/12,1/60)之间属于安全取值范围。而从国内地铁轨道交通建设的情况来看，都采用1/40轨底坡，本文选择(1/20,1/60)范围进行研究，分析该范围内钢轨产生磨损。

3.1.1 各种轨底坡参数对A型车外轨侧产生的影响

从实际仿真获得数据来看，在轨距保持一定的情况下，新轨道在投入使用后，外轨侧产生磨损主要分为两个阶段：阶段Ⅰ属于投入运行后到开始出现侧磨这段时间；阶段Ⅱ属于侧磨开始产生后，到侧磨量达到15 mm后为止，每阶段、不同轨底坡情况的运营时间如图1所示。

从图1可以看出，第一阶段中，设置五种轨底坡条件下，外轨从新轨上道至开始产生侧磨所用的运营时间相差不多，最快的为1∶40轨底坡。分别为：10.84个月(1∶20)，10.35个月(1∶25)，10.62个月(1∶30)，10.35个月(1∶35)，9.85个月(1∶40)。在此阶段中，延缓侧磨的轨底坡顺序是：1∶20>1∶30>1∶25=1∶35>1∶40。

第二阶段中，设置1∶20轨底坡条件下，外轨从侧磨开始萌生至发展到15 mm侧磨所需要的时间最长，约为99个月，侧磨发展速率为0.152 mm/月；其次是设置1∶25轨底坡，为88.26个月，侧磨发展速率约为0.170 mm/月；设置1∶30和1∶35轨底坡则分别需要77.79个月和69.87个月，侧磨速率分别为0.193 mm/月和0.215 mm/月；设置1∶40轨底坡所需运营时间为72.15个月，侧磨速率为0.208 mm/月。在此阶段中，侧磨速率发展由慢到快的排序为：1∶20>1∶25>1∶30>1∶40>1∶35。两阶段累积所需时间如图2所示。

从图2可以看出，分别设置五种轨底坡，从新轨上道至产生15 mm侧磨所需要的时间最长为1∶20，约为109.84个月，其次是1∶25轨底坡需要98.61个月，1∶30则需要88.41个月，1∶35轨底坡产生侧磨最快，仅需要80.22个月。1∶40轨底坡产生15 mm侧磨，约82.00个月。五种轨底坡产生15 mm侧磨的累积时间顺序为1∶20>1∶25>1∶30>1∶40>1∶35。

五种轨底坡产生15 mm外轨侧磨的整体趋势如图3所示。

从图3可以看出，从新轨上道至产生5 mm侧磨时，几种轨底坡所需要的时间相差不多，侧磨发展速率相对稳定，但其后侧磨发展速率不稳定，侧磨速率急剧增长；当侧磨继续增大时，轨底坡越大，则侧磨发展越慢。设置1∶20轨底坡，能够有效延缓外轨的侧磨发展速率，比侧磨发展最快的1∶35轨底坡，能延缓32%左右。

3.1.2 不同轨底坡对运行B型车的外轨侧磨影响

根据前面仿真结果，与运行A型车的外轨侧磨情况相似，新轨上道之后的侧磨发展可以分为两个阶段，阶段Ⅰ为从新轨上道至侧磨开始产生，阶段Ⅱ为侧磨从0开始发展到15 mm。每阶段所用的时间对比如图4所示。

从图4可以看出，第一阶段中，设置五种轨底坡条件下，外轨从新轨上道至开始产生侧磨所用的运营时间相差不多，分别为：13.83个月(1∶20)，14.4个月(1∶25)，14.7个月(1∶30)，15.42个月(1∶35)，14.49个月(1∶40)。在此阶段中，延缓侧磨的轨底坡顺序是：1∶35>1∶40>1∶30>1∶25>1∶20。第二阶段中，设置1∶20轨底坡条件下，外轨从侧磨开始萌生至发展到15 mm侧磨所需要的时间最长，约为118.8个月，侧磨发展速率为0.126 mm/月；其次是设置1∶25轨底坡，为116.1个月，侧磨发展速率约0.129 mm/月；设置1∶30和1∶35轨底坡则分别需要112.8个月和106.89个月，侧磨速率分别为0.133 mm/月和0.140 mm/月；设置1∶40轨底坡侧磨发展最快，所需运营时间为87.84个月，侧磨速率为0.171 mm/月。在此阶段中，侧磨速率发展由慢到快的排序为：1∶20>1∶25>1∶30>1∶35>1∶40。两阶段累积所需时间如图5所示。

从图5可以看出，分别设置五种轨底坡，从新轨上道至产生15 mm侧磨所需要的时间最长为1∶20，约为132.63个月，其次是1∶25轨底坡需要130.5个月，1∶30则需要127.5个月，1∶35轨底坡需要122.31个月。1∶40轨底坡产生15 mm侧磨最快，约为102.33个月。五种轨底坡产生15 mm侧磨的累积时间顺序为：1∶20>1∶25>1∶30>1∶35>1∶40。

从图6可以看出，从新轨上道至产生4 mm侧磨时，几种轨底坡所需要的时间相差不多，侧磨发展速率相对稳定；但其后侧磨发展速率不稳定，侧磨速率急剧增长；当侧磨继续增大时，轨底坡越大，则侧磨发展越慢。设置1∶20轨底坡，能够有效延缓外轨的侧磨发展速率，比侧磨发展最快的1∶40轨底坡，能延缓26%左右。

3.2 缓和曲线长度分析

从当前的研究文献资料来看，关于曲线半径选取的研究较多，同时从相关研究中也发现，不同的缓和曲线长度也会影响到地铁钢轨的磨损[5]。缓和曲线属于超高曲线段上直线和曲线部分相连接的线路部分，其主要起到平稳过渡的作用，且在过渡中表现出来的平稳性、摩擦量等，主要与缓和曲线长度、车辆运行速度等有关[6]，为进一步研究缓和曲线长度与钢轨磨损之间的关系，科学选取和设计缓和曲线长度，下面对之进行仿真分析。本次研究选取轨道的曲线半径为600 m，分别设置40 m,50 m,60 m,70 m,80 m五个缓和曲线长度，并保证车速、轨底坡、摩擦系数、超高等数据相同，具体参数化如表1所示。假设地铁列车在运行过程中，每间隔6 min运行一班，每辆列车都为6节车厢，每天持续运行15 h，仿真分析地铁列车运行40 d后钢轨的磨损程度，具体数据如表2所示。

表1 仿真工况设置参数

表2 内外轨磨耗仿真情况

不同缓和曲线内外轨磨耗面积趋势如图7所示。

内外轨最大磨耗量如图8,图9所示。

从本次研究中仿真所获得的图表数据情况来看，当缓和曲线长度越长时，该段钢轨运行中产生磨耗量越小，尤其是外钢轨磨耗量降低十分明显。对比实验中缓和曲线长度80 m和40 m时钢轨产生的磨耗量，缓和曲线长度80 m时的外钢轨磨耗量降低27%，内钢轨磨耗量降低23%。从该实验数据来看，在实际轨道建设的过程中，如果外部环境条件允许，可适当增大缓和曲线长度，以此能够达到降低钢轨磨耗的目的。

观察不同缓和曲线长度下的车辆脱轨系数、轮重减载率，其最大数值都低于0.6，全部满足行车安全要求。同时从中也可看出，缓和曲线长度对行车安全存在一定的影响，尤其在超高90 mm的情况下，缓和曲线长度也应当更长。

4 结论

建立城市轨道交通常用的A型车与B型车模型以及相应的轨道模型，通过设置不同的轨底坡，基于Archard(赫兹接触应力)磨耗模型研究小半径曲线外轨侧磨的发展规律，结论如下：

1)在钢轨磨耗的后期，侧磨发展速率不稳定，各工况都存在着侧磨速率急剧增长的情况。

2)小半径曲线侧磨主要分为两个阶段，第一个阶段磨耗从轨距角部分开始产生，并快速向轨顶与轨侧扩展，第二阶段侧磨开始产生，并在气候的发展过程中呈现近似于线性扩展的规律。

3)轨底坡在第二阶段后期的影响较大，轨底坡越大，侧磨扩展越平稳，轨底坡越小，后期的侧磨发展速率越大。

4)建议在城市轨道交通小半径曲线上设置较大的轨底坡，用以延缓侧磨的扩展速率，延长钢轨使用寿命[7-8]。