地鐵線路鋼軌波磨安全限值研究

張 晴，杜 星，凌 亮，溫澤峰，關(guān)慶華

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

地鐵線路鋼軌波磨安全限值研究

張 晴，杜 星，凌 亮，溫澤峰，關(guān)慶華

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

地鐵線路鋼軌波磨會(huì)惡化輪軌接觸關(guān)系，引起輪軌沖擊，降低車(chē)輛和軌道部件的使用壽命，影響車(chē)輛運(yùn)行安全，大大增加維修工作量和運(yùn)營(yíng)成本。鋼軌打磨可有效控制波磨，而確定鋼軌波磨安全限值并制定打磨策略是實(shí)施鋼軌打磨的關(guān)鍵步驟。建立一種地鐵車(chē)輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，詳細(xì)調(diào)查地鐵鋼軌波磨對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響?；谲?chē)輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算和地鐵車(chē)輛的運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，初步確定時(shí)速80 km/h地鐵線路的鋼軌波磨的安全控制限值。結(jié)果可為地鐵線路的鋼軌校正性打磨提供理論參考。

振動(dòng)與波；地鐵車(chē)輛；鋼軌波磨；動(dòng)力學(xué)仿真；安全運(yùn)行；打磨限值

地鐵線路的高密度運(yùn)轉(zhuǎn)及車(chē)輛的頻繁起動(dòng)與制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地鐵車(chē)輛和軌道出現(xiàn)異常磨耗問(wèn)題。鋼軌波浪形磨耗（簡(jiǎn)稱波磨）是一種常見(jiàn)的輪軌異常磨耗現(xiàn)象，據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，北京、上海、廣州等城市地鐵線路上均出現(xiàn)了不同程度的鋼軌波磨現(xiàn)象，圖1所示為國(guó)內(nèi)某地鐵線路發(fā)生的嚴(yán)重鋼軌波磨[1]。鋼軌波磨的形成和發(fā)展會(huì)引發(fā)地鐵車(chē)輛和軌道強(qiáng)烈的振動(dòng)與噪聲[2,3]，縮短車(chē)輛軌道結(jié)構(gòu)零部件的使用壽命，增加地鐵運(yùn)營(yíng)成本，并且會(huì)影響車(chē)輛的運(yùn)行品質(zhì)、旅客乘坐舒適度和人們的生活環(huán)境，嚴(yán)重的鋼軌波磨會(huì)導(dǎo)致列車(chē)脫軌事故的發(fā)生，所以必須對(duì)發(fā)生鋼軌波磨的線路進(jìn)行校正性打磨[4]。

圖1 地鐵線路鋼軌波浪形磨損

由于引起鋼軌波磨的機(jī)理和因素比較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼軌波磨的整治措施也非常有限，文獻(xiàn)[5]表明，鋼軌潤(rùn)滑技術(shù)可有效改善鋼軌波磨現(xiàn)象；文獻(xiàn)[6]表明，鋼軌打磨可有效控制鋼軌波磨、疲勞和側(cè)磨的發(fā)展，改善輪軌接觸關(guān)系，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命，是控制鋼軌波磨產(chǎn)生與發(fā)展的主要手段。以往的研究大多關(guān)注鋼軌波磨形成的成因、發(fā)展及其誘發(fā)的系統(tǒng)振動(dòng)與噪聲[7]，對(duì)于鋼軌波磨作用下車(chē)輛的運(yùn)行安全以及鋼軌波磨的安全限值研究尚少，本文建立一種地鐵車(chē)輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，分析鋼軌波磨對(duì)地鐵車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響規(guī)律，并依此研究不同波長(zhǎng)的鋼軌波磨的安全控制限值，為地鐵線路鋼軌養(yǎng)護(hù)維修提供理論參考。

1 數(shù)值模型

建立一種地鐵車(chē)輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型[8]，如圖2所示，將地鐵車(chē)輛簡(jiǎn)化為由一個(gè)車(chē)體、兩個(gè)構(gòu)架、四個(gè)輪對(duì)及八個(gè)軸箱定位裝置組成的多剛體系統(tǒng)；每個(gè)車(chē)體、構(gòu)架和輪對(duì)考慮縱向、橫向、垂向、側(cè)滾、點(diǎn)頭和搖頭6個(gè)方向的自由度，整個(gè)車(chē)輛系統(tǒng)共有42個(gè)自由度，圖中符號(hào)物理意義參考文獻(xiàn)[8]?？紤]一、二系懸掛系統(tǒng)的非線性特性。整體混凝土道床軌道被視為由鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板及路基組成。其中左右鋼軌被視為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的Timoshenko梁，軌道板用三維實(shí)體有限元單元模擬，扣件系統(tǒng)用三維粘彈性彈簧—阻尼單元模擬，路基支撐層簡(jiǎn)化為均勻分布的彈簧—阻尼單元連接。

圖2 地鐵車(chē)輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型

車(chē)輛沿軌道運(yùn)行時(shí)，輪軌空間接觸關(guān)系起著關(guān)鍵性的作用。本文應(yīng)用基于任意幾何型面的輪軌接觸幾何關(guān)系數(shù)值算法，考慮實(shí)際輪軌型面和動(dòng)態(tài)輪軌狀態(tài)，來(lái)確定任意時(shí)刻的輪軌空間接觸幾何參數(shù)。利用Hertz滾動(dòng)接觸理論計(jì)算輪軌法向正壓力；輪軌蠕滑力的計(jì)算，首先按Kalker線性理論計(jì)算，然后采用沈氏理論(Shen-Hedrick-Elkins理論)進(jìn)行非線性修正[9]。

2 鋼軌波磨對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性影響

鋼軌波磨波長(zhǎng)短，激起輪軌振動(dòng)頻率高，目前的輪軌力測(cè)試技術(shù)還無(wú)法測(cè)量鋼軌波磨引起的中高頻輪軌力，因而評(píng)價(jià)波磨對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全的影響還需借助于動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)[10]。車(chē)輛在直線軌道上的運(yùn)行速度要比在曲線軌道上大得多，故本文著重分析直線線路上鋼軌波磨對(duì)車(chē)輛安全運(yùn)行的影響規(guī)律并以此確定鋼軌波磨的安全控制限值。

為調(diào)查鋼軌波磨對(duì)地鐵車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響規(guī)律，首先分析鋼軌波磨對(duì)輪軌力的影響?？紤]地鐵車(chē)輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件，計(jì)算時(shí)取車(chē)速為實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度80 km/h，軌道不平順疊加了美國(guó)五級(jí)隨機(jī)不平順軌道譜與鋼軌波磨，由于鋼軌波磨時(shí)程曲線與正弦波相似，由此，本文后續(xù)分析鋼軌波磨對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響規(guī)律時(shí)，以等波長(zhǎng)和幅值的諧波不平順代替實(shí)測(cè)波磨加入仿真模型中進(jìn)行計(jì)算分析。參考實(shí)際地鐵線路參數(shù)設(shè)置，考慮鋼軌波磨波長(zhǎng)為50 mm，幅值為0.04 mm，在車(chē)輛運(yùn)行15 m后加入到線路上，計(jì)算線路長(zhǎng)度為120 m。圖3給出了有無(wú)鋼軌波磨作用下輪軌垂向力的時(shí)程圖。

圖3 鋼軌波磨對(duì)輪軌垂向力的影響

圖3表明，鋼軌波磨對(duì)輪軌作用力影響十分明顯，在波長(zhǎng)為50 mm，幅值僅為0.04 mm的鋼軌波磨作用下，輪軌垂向力平均增大了27.86%。可見(jiàn)，鋼軌波磨的存在會(huì)極大地增大輪軌沖擊，惡化輪軌動(dòng)力學(xué)性能，危害到地鐵車(chē)輛的運(yùn)行安全。

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)里程的增加，鋼軌波磨的幅值會(huì)逐漸加大，波長(zhǎng)也會(huì)受到車(chē)輛運(yùn)行速度、輪軌接觸力、蠕滑率以及其他非軌道因素的影響呈現(xiàn)不同的長(zhǎng)度[11]，不同波長(zhǎng)和幅值的鋼軌波磨會(huì)對(duì)地鐵車(chē)輛的安全運(yùn)行產(chǎn)生不同程度的影響，為了探究這種影響規(guī)律，針對(duì)調(diào)研的國(guó)內(nèi)某地鐵線路，讓車(chē)輛以80 km/h的運(yùn)營(yíng)速度通過(guò)帶有不同波長(zhǎng)和幅值鋼軌波磨的直線軌道，分別調(diào)查輪軌橫向力、輪軌垂向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率五項(xiàng)行車(chē)安全性指標(biāo)的最大值隨波磨波長(zhǎng)和幅值增大的變化規(guī)律，同時(shí)，參照國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC-518《軌道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)及驗(yàn)收—運(yùn)行安全性—軌道疲勞—乘坐舒適性》動(dòng)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[12]，對(duì)發(fā)生鋼軌波磨的線路區(qū)段的地鐵車(chē)輛行車(chē)安全性進(jìn)行評(píng)定。圖4～圖8給出了上述工況的仿真結(jié)果，其中，輪軌橫向力的安全限值為Q≤0.4 P0，輪軌垂向力限值為P≤90+Pst，輪軸橫向力的限值為H≤10+P0/3，P0為靜軸重，Pst為靜輪重，對(duì)于本文選取的地鐵車(chē)輛參數(shù)，輪軌橫向力限值為36.8 kN；輪軌垂向力限值為136 kN；輪軸橫向力限值為40.67 kN；脫軌系數(shù)的限值取0.8；輪重減載率限值取0.6。

圖4 輪軌橫向力隨波磨波長(zhǎng)及幅值的變化規(guī)律

圖5 輪軌垂向力隨波磨波長(zhǎng)及幅值的變化規(guī)律

圖6 輪軸橫向力隨波磨波長(zhǎng)及幅值的變化規(guī)律

圖7 脫軌系數(shù)隨波磨波長(zhǎng)及幅值的變化規(guī)律

圖8 輪重減載率隨波磨波長(zhǎng)及幅值的變化規(guī)律

由圖4—圖8可知：

(1)鋼軌波磨對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全性影響明顯，隨著波磨幅值的增大及波長(zhǎng)的減小，五種安全性指標(biāo)均有較大幅度的增加，且隨著波磨幅值的增加而增大，隨著波磨波長(zhǎng)的增大而減??；

(2)鋼軌波磨波長(zhǎng)越短，造成的輪軌沖擊越大。對(duì)于波長(zhǎng)小于60 mm的短波長(zhǎng)鋼軌波磨，五種安全指標(biāo)的最大值隨著波磨幅值增大的速率遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)大于100 mm的鋼軌波磨。由此可預(yù)見(jiàn)，短波長(zhǎng)鋼軌波磨引發(fā)的車(chē)輛軌道振動(dòng)及噪聲非常強(qiáng)烈，將嚴(yán)重影響車(chē)輛軌道結(jié)構(gòu)零部件的使用壽命和威脅地鐵車(chē)輛的運(yùn)行安全。上述分析結(jié)果提醒地鐵線路維護(hù)部門(mén)要及時(shí)對(duì)短波長(zhǎng)鋼軌波磨進(jìn)行打磨處理；

(3)對(duì)于考慮了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)線路區(qū)段典型鋼軌波磨波長(zhǎng)和波深及實(shí)際行車(chē)速度的所有計(jì)算工況，輪軌橫向力，輪軸橫向力和脫軌系數(shù)均有超過(guò)其安全限值的現(xiàn)象；但隨著波深的增加，輪軌垂向力和輪重減載率達(dá)到或超過(guò)其安全限值的速率更快，且在波長(zhǎng)小于100 mm的所有工況，這兩項(xiàng)指標(biāo)最終均超過(guò)了其安全限值，即輪軌垂向力和輪重減載率對(duì)鋼軌波磨最為敏感，所以本文后續(xù)分析中將輪軌垂向力和輪重減載率作為確定鋼軌波磨安全限值的控制標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在地鐵小半徑曲線軌道上，也發(fā)生了不同程度的鋼軌波磨現(xiàn)象，而且曲線軌道上的鋼軌波磨對(duì)地鐵車(chē)輛運(yùn)行安全危害也非常大。但考慮到車(chē)輛運(yùn)行安全，在地鐵車(chē)輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，都會(huì)降速通過(guò)曲線軌道。所以一般情況下，相同程度的鋼軌波磨，車(chē)輛在直線軌道上運(yùn)行時(shí)，鋼軌波磨對(duì)車(chē)輛的安全運(yùn)行影響更大。針對(duì)調(diào)研的國(guó)內(nèi)某地鐵線路，車(chē)輛在曲線半徑為300 m的軌道上運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度不超過(guò)40 km/h?？紤]車(chē)輛運(yùn)行速度為40 km/h，外軌超高為120 mm，軌底坡為1/40，圓曲線長(zhǎng)度為200 m，緩和曲線長(zhǎng)度為50 m，參考上述車(chē)輛在直線軌道上運(yùn)行時(shí)的分析結(jié)論，圖9和圖10分別給出了輪軌垂向力和輪重減載率隨鋼軌波磨波長(zhǎng)和幅值的變化規(guī)律。

圖9 輪軌垂向力隨波磨波長(zhǎng)及幅值的變化規(guī)律

圖10 輪重減載率隨波磨波長(zhǎng)及幅值的變化規(guī)律

圖9和圖10表明，車(chē)輛以40 km/h的速度在半徑為300 m的曲線軌道上運(yùn)行時(shí)，鋼軌波磨雖然對(duì)輪軌垂向力和輪重減載率都有明顯影響，但影響并沒(méi)有車(chē)輛以80 km/h的速度在直線軌道上運(yùn)行時(shí)的大，并且考慮的所有計(jì)算工況，輪軌垂向力大多沒(méi)有超過(guò)其安全限值，而輪重減載率隨波磨幅值的變化也相對(duì)較為平緩。

綜上所述，下文仍然以直線線路上鋼軌波磨對(duì)車(chē)輛安全運(yùn)行的影響規(guī)律來(lái)確定鋼軌波磨的安全控制限值。

3 鋼軌波磨安全控制限值分析

上節(jié)分析結(jié)果表明，鋼軌波磨會(huì)加劇輪軌相互作用力，從而可能誘發(fā)其疲勞斷裂，威脅地鐵車(chē)輛的運(yùn)行安全。因此，需要對(duì)存在波磨的鋼軌進(jìn)行定期打磨處理以消除鋼軌波磨對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全的影響。鋼軌打磨技術(shù)自1989年引進(jìn)國(guó)內(nèi)，主要被應(yīng)用于以磨削鋼軌頂部的波磨和剝離掉塊為主的校正性打磨，實(shí)施鋼軌打磨的關(guān)鍵之處在于確定鋼軌波磨幅值安全限值并制定打磨策略[13]。本節(jié)依據(jù)建立的地鐵車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，考慮車(chē)輛在實(shí)際最高運(yùn)營(yíng)速度80 km/h的條件下，從行車(chē)安全性角度確定的鋼軌波磨安全控制限值，為地鐵線路工務(wù)部門(mén)實(shí)施鋼軌打磨提供參考。

地鐵列車(chē)通過(guò)鋼軌波磨區(qū)域時(shí)，輪軌垂向力和輪重減載率對(duì)鋼軌波磨最為敏感，圖11和圖12描述了根據(jù)輪軌垂向力和輪重減載率確定典型波長(zhǎng)鋼軌波磨幅值安全控制限值的方法，圖中以波長(zhǎng)為40 mm和100 mm鋼軌波磨為例。圖11和12表明，波長(zhǎng)為40 mm的鋼軌波磨，在其幅值達(dá)到0.034 mm-0.063 mm時(shí)，就需要對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨，考慮到鋼軌打磨現(xiàn)場(chǎng)可操作性，在鋼軌波磨幅值達(dá)到0.05 mm時(shí)，需要對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨，而對(duì)于波長(zhǎng)為100 mm的鋼軌波磨，在其幅值達(dá)到0.2 mm時(shí)，需要對(duì)鋼軌進(jìn)行打磨。圖13為基于上述準(zhǔn)則確定的不同波長(zhǎng)鋼軌波磨對(duì)應(yīng)的安全限值?？梢钥闯?，隨著波長(zhǎng)的增加，鋼軌波磨安全控制限值依次提高，即鋼軌波磨波長(zhǎng)越短，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行安全危害越大，鋼軌波磨的安全控制限值越小。

圖11 鋼軌波磨安全限值的確定(L=40 mm)

基于行車(chē)安全性準(zhǔn)則確定的鋼軌波磨安全限值，同時(shí)考慮到不同的線路類(lèi)型、不同的行車(chē)速度、鋼軌打磨標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的可操作性以及數(shù)值計(jì)算誤差，對(duì)于設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度達(dá)80 km/h的地鐵線路，建議實(shí)施如表1所示鋼軌波磨安全限值標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 鋼軌波磨安全限值的確定(L=100 mm)

圖13 不同波長(zhǎng)下的鋼軌波磨安全限值

表1 鋼軌波磨安全限值（mm）

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立了一種地鐵車(chē)輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真模型，結(jié)合地鐵線路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的鋼軌波磨數(shù)據(jù)，詳細(xì)調(diào)查了鋼軌波磨對(duì)地鐵車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響規(guī)律；從車(chē)輛運(yùn)行安全角度出發(fā)，提出一種確定鋼軌波磨安全控制限值的方法，并給出最高運(yùn)行速度為80 km/h地鐵線路的鋼軌打磨建議限值。

仿真計(jì)算結(jié)果表明，鋼軌波磨對(duì)地鐵車(chē)輛運(yùn)行安全性的影響明顯，隨著波磨幅值的增加，輪軌橫向力、輪軌垂向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率五種安全性指標(biāo)均有較大幅度的提高,隨著波長(zhǎng)的增大而顯著降低；當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行在鋼軌波磨區(qū)段時(shí)，輪軌垂向力和輪重減載率響應(yīng)峰值最容易超過(guò)其安全限值，可作為確定地鐵線路鋼軌波磨打磨限值的控制指標(biāo)。本文結(jié)果可為地鐵線路的鋼軌校正性打磨提供參考。

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Study on the Safety Limit of Rail Corrugation of Metro Lines

ZHANG Qing,DU Xing,LING Liang, WEN Ze-feng,GUAN Qing-hua
(State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Rail corrugation of metro lines can deteriorate the wheel-rail contact behavior,cause fierce wheel-rail impacts,reduce the service lifespan of vehicle and track parts,affect the running safety of metro vehicles,and increase the maintenance and operating costs noticeably.Rail grinding is an important and effective measure to control the rail corrugation in metro line maintenance.But the key problem is how to determine the corrugation depth limit for the grinding of the rails.In this paper,a metro vehicle-track dynamic model was developed to evaluate the effects of rail corrugation on the operation safety of metro vehicles.And the allowable corrugation amplitude of the metro lines with the vehicle traveling at 80 km/h speed was determined based on the vehicle-track dynamic simulations and the assessment quantities for the vehicle operation safety.The results obtained in this investigation may be helpful for the track maintenance of metro lines.

vibration and wave;metro vehicle;rail corrugation;dynamic simulation;operation safety;rail grinding limit

V213.4

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.010

1006-1355(2015)03-0041-05

2015－01－13

國(guó)家自然科學(xué)基金(51275430)；教育部博士點(diǎn)基金(20130184110005)

張晴（1990－），男，安徽亳州人，碩士研究生，目前從事車(chē)輛和軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:derrickchang@126.com

溫澤峰，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:zefengwen@126.com