地铁轨道小半径曲线钢轨侧磨规律阐述

地铁轨道小半径曲线钢轨侧磨规律阐述

王伟哲

南京地铁运营有限责任公司 江苏南京 210012

摘要：地铁轨道磨损造成的轨道使用寿命降低是地铁运行的重要问题，本文主要分析了地铁轨道小半径曲线钢轨侧磨规律的研究背景和研究意义，然后阐述了研究方法，最后总结了现场实验和仿真分析的研究结果。

关键词：地铁轨道；小半径曲线；钢轨侧磨

一、地铁轨道小半径曲线钢轨侧磨规律的研究背景和意义

随着城市经济的不断发展，城市交通线路规划受到了一定限制，目前小半径曲线在我国线路规划中逐渐广泛，而列车在半径曲线中行驶，其钢轨受牵引力的影响会受到一定的磨损，从而减少了钢轨和轮对的使用寿命，使得地铁运营成本增加，一些城市的地铁因钢轨磨损而导致其使用寿命大大缩短，所以研究地铁轨道半径曲线钢轨侧磨规律对于延长地铁轨道使用寿命，增加地铁运营经济效益具有重要意义。目前由于机动车辆数目不断增多，城市交通压力过大，堵塞成为交通方面的一大问题，交通拥堵为居民生活工作带来了极大的不便，所以轨道交通的规划和建设成为缓解城市交通压力的重要方式，通过加强地下空间的应用，构建合理的地下轨道交通体系，使人们工作生活出行更加便捷。由于地铁轨道交通一般在地下空间以隧道的形式出现，能够同时承载多个乘客，并且准时性，便捷性都比较高，地铁轨道逐渐成为我国应用较为广泛的交通方式，在我国公共交通体系中占据重要的位置，不仅使人们的生活，工作更加方便，还促进了城市发展。但是由于在地铁轨道规划中需要考虑到原有建筑以及街道等因素，还要考虑地铁轨道与其他公共交通的衔接，所以其路线规划受到一定的限制，需要设计较多的小半径曲线，而列车在小半径曲线中行驶，难免会造成钢轨的摩擦，从而降低钢轨的使用寿命。钢轨是地铁顺利运行，不可缺少的结构，也是引导列车运动，承载列车重量的关键部位，列车在小半径曲线中行驶，在牵引力的作用下会使车轮与钢轨产生摩擦，从而导致钢轨侧磨影响钢轨的使用寿命。同时由于地铁轨道每一站之间的距离较短，行驶时间也较短，在运行过程中，地铁轨道需要频繁启动和停止，从而加剧了钢轨与车轮之间的摩擦，种种因素都会导致钢轨磨损严重，从而使钢轨使用寿命缩短，同时会降低钢轨与车轮之间的匹配度，影响地铁列车运行的安全性和稳定性，甚至会造成地铁列车的其他部位受到影响，所以要针对地铁轨道小半径曲线钢轨侧磨规律，定期对地铁钢轨进行更换和维修，尽可能降低地铁的运营成本，确保地铁的运行安全。

二、研究方法

（一）现场实验

本文以某市地铁线路为研究对象，分析了这一地铁线路在小半径曲线行驶中的钢轨侧磨情况，通过长期的观察和跟踪检测，掌握了小半径曲线钢轨侧磨规律，主要运用了现场实验和仿真分析两种方法对钢轨侧磨发展规律进行研究。首先，本文选取了具有较多小半径曲线的地铁线路，长期跟踪观测地铁列车在小半径曲线中行驶的钢轨侧磨变化情况，实验运用的列车是具有较高的爬坡能力和曲线通过能力的直线电机车辆，由于国内没有对比结果，所以选取了运行量较大的线路运行a车作为对比，A型车的最小半径为300m，为了统一变量选取曲线半径为300m的曲线道路进行行驶。在现场实验的研究过程中，在列车行驶中，以缓和曲线为起点，设置多个测点，并定期对型面进行测量，选取最大侧磨值为代表展开研究。研究结果表明，从缓和曲线开始侧磨膜值逐渐增大，在原曲线部分，侧磨值趋于平缓，经过缓直点后侧膜值下降。

（二）仿真分析

在现场实验后又采用数值仿真的方式进行仿真分析，利用Archard模型对磨耗体积进行计算，采用动力学理论公式计算滑动距离和法向接触力。通过车辆轨道动力学模型的建立和动力学原理以及Archard模型计算磨耗值，进而得出钢轨侧磨位置。由于仿真分析主要针对A型车的参数进行，所以仿真分析的结果主要接近A型车的小半径曲线钢轨侧磨规律。

二、现场实验结果

（一）轨底坡的影响

轨底坡是指钢轨底部与轨道表面形成的坡度，鬼底坡的倾斜程度对于钢轨后期运行磨损有一定的影响，在地铁轨道铺设初期，可以当增加倾斜度减少车辆运行时的钢轨磨损，同时这也可以改变磨损位置。在轨道交通的建造中轨底坡是影响地铁运行的重要参数，需要结合轨道环境以及多方面因素设计鬼底坡的倾斜度，在轨道长期运行后可能会出现地基变形或下降的问题，导致轨道整体结构受影响，使得鬼底坡参数发生变化，影响地铁车辆的正常运行。而目前对于鬼底坡的研究只规定了鬼底坡的安全取值范围。

（二）运行A型车的小半径曲线侧磨规律

经过长期的现场实验可以得出运行A型车的侧磨值，通过数值分析统计，最终得出以下几点结论，第一，在300m小半径曲线下，列车行驶三到五个月后，轨道出现侧磨，新轨道遭到磨损。第二，在轻轨出现侧磨后，上行曲线与下行曲线的侧磨发展速率存在一定差异，由于上行曲线和下行曲线的列车运行速率不同，承载的重量也不同，所以磨损程度也不同，承载较重，运行次数多的轨道遭到磨损更加严重。第三，通过测量要在小半径曲线运行中测膜速率的最大值与平均值差距过大，其主要原因不明，仍需要进一步探究，小半径曲线测膜速率主要是每月0.3mm~0.4mm。将差异较大的最大值剔除后，可以得出小半径曲线下钢轨的侧磨速率平均值和每年的磨损值。

（三）运行直线电机车辆的小半径曲线侧磨规律

通过长期对运行直线电机车辆的检测点磨损情况的观察，得出了运行直线电机车辆的小半径曲线侧磨规律，第一，上行和下行曲线的测膜速率存在一定差异，与A型列车相同，钢轨的侧模情况与车辆行驶次数和车辆载重有着密切的关系。第二，运行直线电机车辆的最大钢轨侧磨速率和最小值差距过大，均为异常值，剔除最大值和最小值后可以得出其侧膜速率为每月0.21mm，每年平均磨耗2.6mm，根据以往的文献研究可以得出本次研究与前期研究结果相同。第三，与A型车相比，直线电机车辆在小半径曲线行驶下的钢轨侧磨较为缓慢。

（四）缓和曲线长度分析

根据以往的研究表明，缓和曲线对于地铁钢轨磨损值的影响主要取决于缓和曲线的长度和地铁车辆的运行速度。通过仿真分析选取了五种缓和曲线长度，在确保车速相同、摩擦系数等各个数据相同的前提下，对地铁轨道侧磨变化情况进行了分析，主要研究了地铁车辆每天运行15小时，40天后的磨损情况。最终得出地铁缓和曲线越长磨损越小，缓和曲线越短，钢轨磨耗量越大，并且对于外轨的磨损更为明显，所以在规划地铁线路时，可以尽可能增大缓和曲线的长度，从而降低钢轨磨损情况。

三、仿真分析结果

仿真分析建立了A型车辆在小半径曲线中运行的模拟情况，并且保证了仿真模拟情况与现场实验的环境一致，共计算了30个月的磨损观测结果，最终得出下结论，轨道磨损从新轨投入使用后开始，但在车辆运行的前四个月内，不会发生侧磨，四个月后呈现线性发展的测磨规律，并且仿真分析得出的结果与现场实验的结果吻合，所以在往后的研究中可以使用仿真分析解决现场实验的难题，能够有效减少时间成本和经济成本。

地铁轨道小半径曲线钢轨侧磨与曲线特征和地铁的运行情况都有着密切的关系，并且A型车的侧模速率大于直线电机车，上行曲线和下行曲线的侧磨存在一定差异，列车运行次数和载重也会影响侧磨情况。此外，通过仿真模型和动力学理论开展的仿真模拟结果与现场实验结果相吻合，所以在后续的实验中可以采用仿真模拟的方法分析现场难以实现的实验方案。目前运营直线电机车辆的仿真模拟技术仍处于研究阶段，所以可以利用现场实验的方法对运营直线电机车辆进行研究。

总结

总而言之，利用现场试验和仿真分析两种方法分析得出了A型列车和运行直线电机车辆的小半径曲线钢轨侧磨规律。

参考文献：

[1] 王学彦, 王琴, 张光亮,等. 地铁轨道小半径曲线钢轨侧磨规律研究[J]. 山西建筑, 2022, 48(14):4.

[2] 郭金龙王涛. 地铁折返道岔及小半径曲线钢轨病害的研究分析[J]. 华东科技（综合）, 2021, 000(004):P.1-1.个