槽型軌及普通鋼軌對(duì)獨(dú)立輪對(duì)輕軌車輛輪軌動(dòng)力特性的影響＊

陳 鵬

（北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，100037，北京／／工程師）

目前國(guó)內(nèi)外的輕軌交通系統(tǒng)中槽型軌及普通鋼軌（截面對(duì)稱）均有采用[1－2]，槽型軌由于在軌行區(qū)做高覆蓋需綠化或鋪面時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，國(guó)內(nèi)外對(duì)與以地面敷設(shè)方式為主，且為開放式或半封閉式的輕軌系統(tǒng)中，一般推薦采用槽型軌。車輛方面，輕軌車輛主要有高地板、部分低地板、全低地板輕軌三大類[3]，地板的降低通過采用獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架來(lái)實(shí)現(xiàn)[4－5]。高地板輕軌車輛由于需要建造較高的地面站臺(tái)，不僅影響市容、增加造價(jià)，且不便于乘客上下車，隨著車輛制造技術(shù)的不斷發(fā)展，高地板輕軌車輛已逐漸被部分低地板及全低地板車輛取代。

目前，國(guó)內(nèi)已逐步開展了對(duì)輕軌車輛輪軌動(dòng)力特性的研究[6－7]，但研究時(shí)采用的鋼軌均主要基于普通鋼軌，采用輕軌交通系統(tǒng)中普遍使用的槽型軌進(jìn)行輪軌作用研究的文獻(xiàn)資料還很少?；诖耍槍?duì)輕軌車輛的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究不同軌型條件下的輪軌動(dòng)力特性差異十分必要。

1 模型建立

目前輕軌車輛獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架的制造方案之一為在既有的轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，并將剛性輪對(duì)更換為獨(dú)立輪，懸掛系統(tǒng)等保持不變[8]。采用輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立車輛－軌道動(dòng)力學(xué)仿真模型。車輛由一個(gè)車體，兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，四個(gè)輪對(duì)共7個(gè)體組成，對(duì)于傳統(tǒng)地鐵車輛模型，每個(gè)體均考慮縱向、橫向和垂向的運(yùn)動(dòng)及繞這三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于獨(dú)立輪對(duì)輕軌車輛模型，與傳統(tǒng)地鐵車輛的主要區(qū)別之一在于同一軸上的兩個(gè)輪均可相對(duì)與車軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此建模時(shí)需要對(duì)一個(gè)軸上的兩個(gè)車輪進(jìn)行解耦，也即一個(gè)輪對(duì)有7個(gè)自由度（即三個(gè)方向的平移、轉(zhuǎn)動(dòng)自由度及相對(duì)于車軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度）。

對(duì)于輪軌接觸面，鋼軌斷面采用CHN50普通鋼軌斷面及德國(guó)有軌電車交通系統(tǒng)中普遍采用的Ri60槽型軌斷面。車輪踏面由于目前國(guó)內(nèi)尚未有專用于獨(dú)立輪對(duì)的車輪踏面，在此采用LM型踏面。

此外，CHN50普通鋼軌斷面與Ri60槽型軌的軌距測(cè)量基線位置及軌底坡取值有所不同，應(yīng)有所區(qū)分。主要不同之處為：歐洲及大連輕軌系統(tǒng)槽型軌軌距1 435mm對(duì)應(yīng)的測(cè)量基線為鋼軌頂面以下9mm，而非普通鋼軌的鋼軌頂面以下16mm；Ri60／R10軌不設(shè)軌底坡，CHN50軌的軌底坡定為1∶40。

2 動(dòng)力仿真結(jié)果及分析

仿真計(jì)算中擬定的線路參數(shù)為：曲線半徑400m，圓曲線長(zhǎng)100m，緩和曲線長(zhǎng)60m，超高60 mm。車輛通過速度為50km／h。

2.1 動(dòng)力仿真結(jié)果

輪軌動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果見圖1～圖6。

圖1 垂向輪軌力

圖2 橫向輪軌力

2.2 結(jié)果分析

由仿真計(jì)算結(jié)果可見，兩種軌型條件下的輪軌系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果相比，有以下規(guī)律：

1）垂向輪軌力。垂向輪軌力均變化不大，本計(jì)算中變化幅度不超過1%。采用Ri60軌時(shí)，外側(cè)輪的垂向輪軌力略小于采用CHN50時(shí)的垂向輪軌力，內(nèi)側(cè)輪軌力則略大。

2）橫向輪輪軌力。采用Ri60軌時(shí)的內(nèi)、外側(cè)輪軌力均大于采用CHN50軌時(shí)，且相差較大。本計(jì)算中輕軌車輛中Ri60軌與CHN50軌條件下的橫向輪軌力最大相差約14%，此種結(jié)果的主要原因在于槽型軌條件下輪軌之間發(fā)生了顯著的兩點(diǎn)接觸作用（車輛運(yùn)行過程中踏面和輪背同時(shí)與鋼軌發(fā)生接觸）。

圖3 脫軌系數(shù)

圖4 磨耗功率

圖5 輪對(duì)橫移量

圖6 輪對(duì)沖角

3）脫軌系數(shù)。脫軌系數(shù)的影響規(guī)律與橫向輪軌力類似，也即采用Ri60軌的內(nèi)、外側(cè)輪軌力均大于采用CHN50軌時(shí)。本計(jì)算中兩種軌型條件下輕軌車輛的橫向輪軌力最大相差約13%。需要說明的是，雖然槽型軌條件下較大的橫向輪軌力造成脫軌系數(shù)比CHN50有一定增大，但由于其鋼軌斷面同時(shí)具有了一定的護(hù)軌功能，這對(duì)于確保車輛安全是有利的。

4）輪對(duì)橫移量。采用Ri60軌與CHN50軌相比，輪對(duì)橫移量均較小，本計(jì)算中Ri60軌條件下輪對(duì)橫移量比CHN50軌條件下約小15%，這體現(xiàn)了槽型軌的護(hù)軌作用對(duì)限制輪對(duì)橫移起到了顯著作用。此外，由時(shí)程曲線可見，獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架由于喪失縱向蠕滑力后自動(dòng)回復(fù)能力較差，不存在像剛性輪對(duì)一樣在線路中心線附近振動(dòng)并逐步衰減的過程，此規(guī)律與相關(guān)文獻(xiàn)的分析結(jié)果一致[9]。

5）輪對(duì)沖角。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，采用Ri60軌與CHN50相比，沖角相差很小，兩種軌型的結(jié)果幾乎一致。

6）輪對(duì)磨耗功率。采用Ri60軌與CHN50軌相比，Ri60條件下的外側(cè)輪磨耗功率略大于采用CNH50軌時(shí)，內(nèi)側(cè)輪磨耗功率則相反。但兩種軌型的結(jié)果相差不大，本計(jì)算中結(jié)果相差最大不超過4%。

此外，一般認(rèn)為獨(dú)立輪對(duì)輕軌車輛輪軌磨耗較大，主要原因是其橫向輪軌力較大、輪緣頻繁貼靠鋼軌等因素所造成。為改善獨(dú)立輪對(duì)轉(zhuǎn)向架的的導(dǎo)向性能，降低輪軌相互作用，世界各國(guó)如德國(guó)、日本、法國(guó)等國(guó)開展了很多研究工作[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

從Ri60軌與CHN50軌兩種軌型條件下輪軌動(dòng)力特性的計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析來(lái)看：

1）所討論的幾項(xiàng)車輛動(dòng)力特性指標(biāo)中，Ri60軌與CHN50軌條件下橫向輪軌力、脫軌系數(shù)、輪對(duì)橫移量差異較大。

2）雖然Ri60軌條件下的輪軌橫向力及脫軌系數(shù)較大，但由于其斷面類型決定了其具有一定的護(hù)軌功能，對(duì)于確保車輛的安全仍然是有利的，且使得輪對(duì)橫移量要小于CHN50軌時(shí)的輪對(duì)橫移量。

3）對(duì)于輪軌磨耗而言，雖然兩種軌型的輪軌磨耗功率、輪對(duì)沖角相差不大，但由于Ri60軌條件下的輪軌橫向力較大，綜合而言Ri60軌的輪軌磨耗略大。但由于實(shí)際運(yùn)行的輕軌系統(tǒng)與傳統(tǒng)地鐵相比，其編組少，運(yùn)量小，這對(duì)于降低輪軌磨耗是有利的，加之槽型軌有利于在軌行區(qū)做鋪面或綠化，因而總體而言，對(duì)于敷設(shè)方式以地面為主的輕軌系統(tǒng)，采用槽型軌較為合理。

獨(dú)立輪車輛動(dòng)特性的影響因素繁多，研究及優(yōu)化還需從多方面入手，如輪軌接關(guān)系的優(yōu)化、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等。今后還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及今后實(shí)際運(yùn)營(yíng)中積累的經(jīng)驗(yàn)，不斷地研究、總結(jié)，以求得更加客觀、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。

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

[2]李秋義，李陽(yáng)春，李康杰，等.大連市現(xiàn)代有軌電車軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)方案初探[J].中國(guó)鐵路，2003（3）：41.

[3]黃運(yùn)華.李芾，張麗平.獨(dú)立輪對(duì)在輕軌車輛上的應(yīng)用[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2001（2）：21.

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[9]池茂儒，張衛(wèi)華，戴煥云.獨(dú)立輪對(duì)耦合轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向性能[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，42（6）：695.

[10]池茂儒，張衛(wèi)華，曾京，等.新型獨(dú)立輪對(duì)柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（3）：9.