有軌電車槽型軌的型面選擇方法

強 鋒 韓俊臣 楊 爽

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春//第一作者，工程師)

1 選擇槽型軌的原因

為了提高路面利用率，有軌電車交通系統(tǒng)通常采用與公路交通工具共享路權(quán)的工程設(shè)計。為了解決鋼軌與路面平交問題，同時從綠化和美觀方面考慮，嵌入地面式軌道線路在有軌電車交通系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。嵌入式軌道線路主要分為兩種：一種是將T型軌埋入整體無砟混凝土道床，輪緣槽由混凝土道床和T形軌的側(cè)面形成(見圖1)；另一種是采用整體式槽型軌(見圖2)。

圖1 T型軌嵌入式軌道

圖2 整體式槽型軌嵌入式軌道

混凝土道床形成的輪緣槽不但成本高，而且在長期承受道路交通工具碾壓后，輪緣槽結(jié)構(gòu)極易遭到破壞，槽寬精度無法保證，所以，整體式槽型鋼軌更受使用者的青睞。整體式槽型鋼軌將軌頭與護輪軌集成一體，其優(yōu)點如下：①在車輛通過曲線時，集成的護輪軌起到了防脫限的作用；②與混凝土道床形成的輪緣槽寬相比，整體式槽型軌尺寸精度高，可實現(xiàn)更窄的的輪緣槽寬，最大程度降低了軌道凹槽對路面平順度的影響；③更易填充完全包裹鋼軌的減振、絕緣材料，保障鋼軌良好的減振、接地能力。

2 槽型軌的型面選擇方法

槽型軌種類繁多，在歐美很多國家有著悠久的應(yīng)用歷史。雖然近些年國內(nèi)開始大量建設(shè)有軌電車槽型軌線路，但依舊困擾于如何正確選擇鋼軌型面。

通過系統(tǒng)分析，影響槽型軌型面選擇的因素很多。這主要包括鋼軌的承載能力、軌頭形狀、輪緣槽寬、槽深、采購成本等。下面通過對比EN14811[1]標準中60R2(舊牌號為Ri60N)、59R2(舊牌號為Ri59N)、55G2(舊牌號為41GP)、55G1(舊牌號為35GP)4種應(yīng)用較為廣泛的槽型軌，來介紹合理選擇槽型軌型面的方法。

2.1 軌道承載能力

抗彎截面系數(shù)主要反映鋼軌的承載能力。在載荷相同的前提下，抗彎截面系數(shù)越大，鋼軌所受應(yīng)力越小，鋼軌承載能力越強。

從表1可以看出，除60R2繞軌道走向軸線的抗彎截面系數(shù)Wzh和Wzf未知外，60R2和59R2繞其他各軸線的抗彎截面系數(shù)基本相當。雖然60R2與59R2僅槽寬不同，但其他型面尺寸均相同，所以兩種軌道繞軌道走向軸線的抗彎截面系數(shù)Wzh和Wzf應(yīng)該差異不大。55G1和55G2繞各軸的抗彎截面系數(shù)也存在同樣的規(guī)律。

從繞水平軸抗彎截面系數(shù)Wxh和Wxf數(shù)值看，60R2和59R2的豎直方向承載能力要強于55G1和55G2鋼軌，橫向承載能力稍弱。

表1 不同型面槽型軌抗彎截面系數(shù) cm3

在參考文獻[2]中，首先建立了有軌電車和不同軌道(包括不同扣件、軌枕、鋼軌、道床)的數(shù)學(xué)模型，然后對比分析了車輛通過小曲線和直線線路時的鋼軌的應(yīng)力情況，其結(jié)果與上述對各種鋼軌承載能力的定性分析結(jié)論相吻合。

根據(jù)這4種鋼軌在國際上的應(yīng)用情況及參考文獻[2]的分析結(jié)果，這些鋼軌的綜合承載能力均滿足有軌電車的使用要求，軌道承載能力對于槽型軌型面的選擇影響不大。

2.2 軌頭形狀

從軌頭圓角方面看，當車輛通過小曲線時，圓角半徑越大，軌頭圓角與輪緣根部接觸面積越大，則輪軌接觸應(yīng)力相對降低，減緩了輪緣根部和軌頭圓角的磨耗速度，提高了車輪和鋼軌的使用壽命。

60R2和59R2軌角為R13，55G1和55G2軌角為R10。4種鋼軌相比，應(yīng)優(yōu)先選用60R2和59R2槽型軌。

從軌頭中部圓弧方面看，無論圓弧的半徑大小還是圓弧的數(shù)量，均可根據(jù)其輪廓曲線重新設(shè)計出匹配軌頭形狀的車輪踏面。所以，這4種鋼軌的軌頭中部圓弧無利弊而言。

值得說明的是，59R2和60R2將軌底坡設(shè)在軌頂，極大地方便了軌道的鋪設(shè)和調(diào)整，降低了線路施工成本。

2.3 輪緣槽寬

對于槽型軌型面選型而言，車輪踏面可根據(jù)不同鋼軌軌頭形狀進行合理設(shè)計，但輪緣及輪背內(nèi)側(cè)距尺寸設(shè)計的合理性往往受制于軌距和鋼軌的輪緣槽寬。

在選擇鋼軌的輪緣槽寬尺寸時，一方面需要輪緣槽盡可能窄，以降低軌道凹槽對路面平順度的影響；另一方面，又需要輪緣槽足夠?qū)?，以避免因鋼軌輪緣槽窄而?dǎo)致輪緣被擠壓，進而出現(xiàn)輪軌異常磨耗和鋼軌維護成本增加的情況。下面以表2中的輪每處服務(wù)中心會有3個服務(wù)窗口開放。

表2 某有軌電車輪軌參數(shù)表

軌參數(shù)及圖3的踏面形狀為例，介紹直線和曲線槽型軌輪緣槽寬合理的選擇方法。

圖3 某有軌電車踏面圖

2.3.1 直線輪緣槽寬度合理性的確定

在分析直線輪緣槽寬尺寸是否合理時，TRSP[3]規(guī)范建議將直線軌距、軌距測量點距軌頂高度、輪背內(nèi)側(cè)距、輪緣厚度、車軸變形、彈性車輪變形等尺寸與公差作為輸入?yún)?shù)，通過以下兩個限制條件、一個建議及圖4所示位置關(guān)系進行校核。

圖4 槽型軌輪軌幾何關(guān)系

(1) 限制條件一: 輪緣端面與軌頭側(cè)面間無卡滯，即

St,min-sw,max>0 (新輪新軌狀態(tài))

(1)

St,min=St+St_n，min

sw,max=kw+kw_t,max+2·Atβw+2dw+Δkw

(2) 限制條件二: 輪緣背部與護輪軌間無卡滯，即

kw,min-kt,max>0 (新輪新軌狀態(tài))

(2)

kw,min=kw+kw_t,min+2Atβw

Kt,max=St+St_t,max+ΔSt-2(Ht+Ht_t,min)

(3) 建議: 如果可能，當一側(cè)輪緣貼靠軌頭時，另一側(cè)輪緣背部不與護輪軌發(fā)生擠壓，即

lw,min-Lt,max>0 (磨耗輪磨耗軌狀態(tài))

(3)

lw,min=kw,min+dw,min=kw+kw_t,min+

2Atβw+dw-dw_e

Lt,max=St+St_w,max+ΔSt-(Ht+Ht_t,min)

將表2的參數(shù)代入式(1)～(3)計算，結(jié)果見表3。

表3 兩種槽型軌直線線路輪軌接口校核結(jié)果

2.3.2 曲線輪緣槽寬度合理性的確定

在分析曲線輪緣槽寬度尺寸是否合理時，TRSP建議不采用槽型軌的護輪軌導(dǎo)向車輪，而采用足夠?qū)挼妮喚壊?，以避免輪緣背部與護輪軌接觸后產(chǎn)生附加的傾覆力矩。護輪軌僅起到防脫限作用，但槽寬不得大于45 mm。

關(guān)于曲線輪緣槽寬尺寸的選擇，美國聯(lián)邦運輸委員會發(fā)布的《交通運輸聯(lián)合研究項目》[4](簡寫TCRP)和德國TRSP[3]規(guī)范都有說明。兩種規(guī)范均建議采作圖法來確定所選輪緣槽寬是否滿足要求。該方法考慮了車軸、彈性車輪橫向變形及軌距、槽寬、輪緣厚度公差等所帶來的影響。

根據(jù)TCRP[4]推薦的Nytram-Plot作圖法，采用表2的參數(shù)及圖3所示的踏面形狀，對某有軌電車轉(zhuǎn)向架分別通過窄槽60R2槽型軌和寬槽59R2槽型軌25 m曲線時的情況進行了分析。

圖5的分析結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)向架通過60R2槽型軌25 m曲線時，導(dǎo)向輪的輪緣背部與槽型軌護輪軌發(fā)生了幾何干涉。圖6的分析結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)向架通過59R2槽型軌25 m曲線時，輪緣與護輪軌無干涉的情況發(fā)生。

從而可以看出，采用標準DIN25112[5]或接近標準的踏面(如圖3)時，小曲線采用輪緣槽較窄的60R2、55G1槽型軌更易造成輪軌異常磨耗，而采用寬槽的59R2、55G2槽型軌就不會有這種情況發(fā)生。

2.4 輪緣槽深

TRSP[3]規(guī)定，對于深槽鋼軌，軌頭垂向磨耗后允許車輪輪緣頂部與輪緣槽底部接觸，但這樣會影響車輛的制動能力，還是要盡量避免輪緣頂與輪緣槽底部接觸。

圖6 轉(zhuǎn)向架通過59R2槽型軌曲線半徑為25 m時的情況

上述4種鋼軌的輪緣槽深基本相同，約46 mm。所以，從輪緣槽深角度看，這4種鋼軌并無差異。

2.5 采購成本

工藝水平相當?shù)那疤嵯拢ǔｄ撥壍某杀九c其質(zhì)量有關(guān)。根據(jù)表4，可知鋼軌成本從高至低依次為：60R2、59R2、55G2、55G1。但根據(jù)目前的市場情況，這幾種鋼軌質(zhì)量的差距不足以影響到鋼軌型面的選擇。

表4 不同型面鋼軌單位質(zhì)量

3 主流槽型軌的應(yīng)用

槽型軌在歐洲和美國的應(yīng)用較早，因歐洲有軌電車線路早期大量采用了S49型T型軌、美國有軌電車線路采用了115RE型T型軌，為了實現(xiàn)與S49、115RE軌頭型面匹配，以保證車輛的運行品質(zhì)不發(fā)生改變，鋼軌嵌入地面式有軌電車線路主要選擇了59R2和60R2槽型軌。這兩種鋼軌型面除輪緣槽寬外，軌頭形狀完全相同。

根據(jù)國際公共運輸聯(lián)盟(UITP)2013年公布的《輕軌車輛輪軌關(guān)系及車輪磨耗研究》[6]資料顯示，輪緣槽寬為42 mm的59R2槽型軌應(yīng)用較多，槽寬(36 mm)較窄的60R2相對于59R2槽型軌而言應(yīng)用較少，具體見表5。

目前，我國槽型軌線路最長且車輛運營里程最長的沈陽渾南低地板有軌電車系統(tǒng)，線路正線全部采用了59R2槽型軌，現(xiàn)已運營了4年，輪軌間從未出現(xiàn)過異常磨耗。

表5 2013年UITP有軌電車系統(tǒng)輪軌參數(shù)統(tǒng)計表

4 與鐵路干線共軌問題的探討

若使有軌電車在槽型軌線路和鐵路干線線路上共軌運行，則面臨軌頭型面匹配問題，以及道岔與車輛的接口匹配問題。

在歐洲標準中，與59R2、60R2兩種槽型軌軌頭形狀完全匹配的T形軌型號為49E1。目前，我國沒有自己的槽型軌型面，大多采用歐洲的59R2或60R2型槽型軌。這兩種軌頭型面無法與國內(nèi)常用的T型50 kg/m或60 kg/m鋼軌匹配。如果想實現(xiàn)有軌電車在槽型軌線路和鐵路干線線路上共軌運行，則需開發(fā)出與50 kg/m或60 kg/m完全匹配的槽型軌型面。

由于槽型軌輪緣槽寬的限制，有軌電車輪背內(nèi)側(cè)距大多為1 380 mm左右，而鐵路干線車輛輪背內(nèi)側(cè)距通常為1 353 mm(或1 360 mm)。兩種軌道車輛系統(tǒng)輪背內(nèi)側(cè)距的巨大差異，導(dǎo)致兩種線路系統(tǒng)道岔接口不可能保持一致，所以無法從軌道角度實現(xiàn)有軌電車在兩種線路系統(tǒng)中的共軌運行。不過，可以設(shè)計一種新的踏面形狀，使輪對具備雙輪背內(nèi)側(cè)距的特點，以同時滿足槽型軌線路和鐵路干線線路道岔的通過。

5 結(jié)語

綜上所述，幾種鋼軌的承載能力、軌道質(zhì)量及輪緣槽深的微小差異對鋼軌的選型影響不大，但軌頭形狀和輪緣槽寬差異很大。從降低線路的鋪設(shè)成本、輪軌磨耗的維護成本及小曲線輪軌嘯叫等角度考慮，采用輪緣槽寬較寬、輪緣頂部集成軌頂坡的59R2槽型軌是最佳的選擇。若考慮為提高路面的平順度而選擇了槽窄的60R2槽型軌，則轉(zhuǎn)向架需要采用薄輪緣踏面。這樣將大大降低了輪緣的使用壽命，增加了車輛維護成本。此外，為實現(xiàn)有軌電車在槽型軌線路和鐵路干線線路上的共軌運行，建議盡快設(shè)計出匹配國內(nèi)常用T型軌的槽型軌型面。