馮仲偉，侯茂銳，王林棟，方興，王瀾

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京100081:1．研究生部;2．鐵道建筑研究所;3．鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心; 4．機(jī)車車輛研究所;5．科研管理部)

動(dòng)車組通過(guò)小半徑曲線線路的安全性試驗(yàn)研究

馮仲偉1，2，侯茂銳3，王林棟4，方興5，王瀾3

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京100081:1．研究生部;2．鐵道建筑研究所;3．鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心; 4．機(jī)車車輛研究所;5．科研管理部)

為研究動(dòng)車組通過(guò)小半徑曲線的安全性，在某動(dòng)車所和動(dòng)車組走行線選取小半徑曲線，采用MinProf廓形儀對(duì)鋼軌磨耗進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)CRH2C型和CRH380A型綜合檢測(cè)列車通過(guò)小半徑曲線時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明:小半徑曲線外股鋼軌主要發(fā)生側(cè)磨，內(nèi)股鋼軌主要發(fā)生軌道垂磨，曲線不同斷面處的鋼軌側(cè)磨量差異較大，建議線路養(yǎng)護(hù)維修時(shí)重點(diǎn)考慮對(duì)緩和曲線與圓曲線過(guò)渡處采取潤(rùn)滑等減磨措施;對(duì)于動(dòng)車組低速通過(guò)小半徑曲線的準(zhǔn)靜態(tài)情況，建議脫軌系數(shù)限值取為1.0，在通過(guò)半徑300 m曲線時(shí)適當(dāng)限速;導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)明顯大于從動(dòng)輪，且曲線半徑越小導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)越大，導(dǎo)向輪與從動(dòng)輪脫軌系數(shù)相差越大，導(dǎo)向輪的輪重減載率卻明顯小于從動(dòng)輪，因此，除了應(yīng)關(guān)注導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注從動(dòng)輪的輪重減載率，防止動(dòng)車組脫軌。

動(dòng)車組;小半徑曲線;鋼軌磨耗;動(dòng)力學(xué)性能;安全性指標(biāo)

關(guān)于高速鐵路的一般曲線(正線的曲線半徑一般＞2 800 m［1］)對(duì)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能的影響研究［2-3］較多，而關(guān)于動(dòng)車所內(nèi)線路、動(dòng)車組走行線等一類有小半徑曲線的線路對(duì)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能的影響研究甚少。

動(dòng)車所一般建在大城市周圍，受位置、規(guī)模、地形條件等因素的影響，連接動(dòng)車所的走行線以及動(dòng)車所內(nèi)線路的曲線半徑都比較?。?］。動(dòng)車所內(nèi)線路和走行線上的小半徑曲線是高速鐵路的薄弱環(huán)節(jié)。動(dòng)車組通過(guò)小半徑曲線線路時(shí)，因?yàn)檩嗆墑?dòng)力作用急劇增大，對(duì)線路的沖擊和破壞較大，并導(dǎo)致鋼軌側(cè)磨嚴(yán)重以及車輪輪緣磨耗加劇，而且由于通過(guò)小半徑曲線線路時(shí)的車速較低，容易因車輪爬軌而導(dǎo)致車輛脫軌［5］，所以會(huì)引起車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性降低［6-7］。

為了評(píng)價(jià)動(dòng)車組通過(guò)小半徑曲線線路時(shí)的安全性，本文從2個(gè)不同動(dòng)車所選擇典型小半徑曲線線路作為試驗(yàn)線路，采用MinProf廓形儀對(duì)鋼軌磨耗進(jìn)行測(cè)試，并采用高速綜合檢測(cè)列車進(jìn)行動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)力輪對(duì)測(cè)試輪軌的橫向力、垂向力，計(jì)算脫軌系數(shù)和輪重減載率，綜合分析動(dòng)車組通過(guò)小半徑曲線時(shí)的安全性。

1 試驗(yàn)線路

在某動(dòng)車所內(nèi)選取由3條曲線組成的按里程半徑R依次為300，400，500 m的線路，并在另一動(dòng)車所選取由3條曲線組成的半徑依次為350，300，300 m的走行線，分別進(jìn)行鋼軌磨耗測(cè)試和動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。線路上鋪設(shè)的鋼軌均為60 kg/m鋼軌，線路參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)車所小半徑曲線線路參數(shù)

為便于分析時(shí)考慮動(dòng)車組通過(guò)小半徑曲線時(shí)未被平衡的離心力，計(jì)算了不同的曲線超高對(duì)應(yīng)的動(dòng)車組平衡速度。由表1給出的曲線超高計(jì)算可知，在曲線超高為15 mm的條件下，動(dòng)車組通過(guò)半徑為300 m和350 m曲線線路的平衡速度分別為19.5，21 km/h;在曲線超高為25 mm的條件下，動(dòng)車組通過(guò)半徑為400 m和500 m曲線線路的平衡速度分別為29.1，32.5 km/h。

2 鋼軌磨耗測(cè)試

對(duì)半徑為300 m和400 m的2條曲線線路進(jìn)行鋼軌廓形測(cè)試。選取的5個(gè)測(cè)試斷面分別位于直線段進(jìn)入緩和曲線段的連接處(直緩點(diǎn))、緩和曲線段進(jìn)入圓曲線段的連接處(緩圓點(diǎn))、圓曲線段中部(曲中點(diǎn))、圓曲線段進(jìn)入緩和曲線段的連接處(圓緩點(diǎn))、緩和曲線段進(jìn)入直線段的連接處(緩直點(diǎn))。采用MiniProf廓形儀對(duì)2條曲線線路上的外軌和內(nèi)軌各測(cè)試斷面的廓形進(jìn)行測(cè)試，各測(cè)試斷面廓形比較見(jiàn)圖1。

圖1 鋼軌各測(cè)試斷面廓形比較

由圖1(a)可知:半徑300 m時(shí)曲線線路外軌的磨耗主要表現(xiàn)為鋼軌內(nèi)側(cè)的軌距角磨耗(側(cè)磨)嚴(yán)重，并且不同測(cè)試斷面的側(cè)磨量相差較大，側(cè)磨量從大到小的測(cè)試斷面依次為圓緩點(diǎn)、曲中點(diǎn)、直緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)和緩直點(diǎn)，圓緩點(diǎn)處的最大側(cè)磨量約為6 mm，緩直點(diǎn)處的最大側(cè)磨量約為3 mm;在軌距側(cè)由于金屬塑性變形而出現(xiàn)肥邊;各測(cè)試斷面的軌頂垂磨量較小且相差不大。

由圖1(b)可知:半徑300 m時(shí)曲線線路內(nèi)軌的磨耗主要表現(xiàn)為軌頂垂磨嚴(yán)重，并且各測(cè)試斷面的軌頂垂磨有所差異，其中，曲中點(diǎn)和圓緩點(diǎn)處的軌頂垂磨量最大，均約為1.3 mm;緩直點(diǎn)處的軌頂垂磨量最小，約為0.8 mm。

由圖1(c)可知:半徑400 m時(shí)曲線線路外軌的磨耗規(guī)律與半徑300 m時(shí)基本一致，主要表現(xiàn)為內(nèi)側(cè)軌距角處側(cè)磨嚴(yán)重;其中緩圓點(diǎn)和圓緩點(diǎn)處的側(cè)磨量最大，均約為7.5 mm;其次是曲中點(diǎn)處，側(cè)磨量約為6.5 mm;直緩點(diǎn)和緩直點(diǎn)處側(cè)磨量最小，分別約為3.5，2.5 mm;在軌距側(cè)同樣出現(xiàn)金屬塑性變形引起的肥邊。

由圖1(d)可知:半徑400 m時(shí)曲線線路內(nèi)軌的磨耗規(guī)律與半徑300 m時(shí)基本一致，主要表現(xiàn)為軌頂垂磨嚴(yán)重，圓緩點(diǎn)和緩圓點(diǎn)處的軌頂垂磨量最大，約為1.7 mm;其次是曲中點(diǎn)、直緩點(diǎn);緩直點(diǎn)的軌頂垂磨量最小，約為1.35 mm。

3 動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試

3.1 試驗(yàn)方案及測(cè)試內(nèi)容

采用8輛編組的CRH2C型綜合檢測(cè)列車進(jìn)行動(dòng)車組通過(guò)動(dòng)車所內(nèi)小半徑曲線線路的動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)力輪對(duì)安裝于8號(hào)車的1軸上，且為導(dǎo)向輪，見(jiàn)圖2(a);試驗(yàn)中1號(hào)車在前，為首車，8號(hào)車為尾車。采用8輛編組的CRH380A型綜合檢測(cè)列車進(jìn)行動(dòng)車組通過(guò)走行線小半徑曲線線路的動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)，在該檢測(cè)車上安裝2條測(cè)力輪對(duì)，一條位于1號(hào)車的4軸上，為從動(dòng)輪，另一條位于2號(hào)車的1軸上，為導(dǎo)向輪，見(jiàn)圖2(b)。

圖2 綜合檢測(cè)列車測(cè)力輪對(duì)位置示意

首先采用測(cè)力輪對(duì)測(cè)試高速綜合檢測(cè)列車通過(guò)小半徑曲線線路時(shí)內(nèi)、外軌的輪軌垂向力和橫向力，然后計(jì)算脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等動(dòng)車組通過(guò)小半徑曲線線路時(shí)的安全性指標(biāo)。

3.2 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)比較

目前我國(guó)鐵路用于列車運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)有《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》［8］(GB 5599—1985，簡(jiǎn)稱規(guī)范1)、《高速動(dòng)車組整車試驗(yàn)規(guī)范》［9］(鐵運(yùn)〔2008〕28號(hào)，簡(jiǎn)稱規(guī)范2)和《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》［10］(TB 10761—2013，簡(jiǎn)稱規(guī)范3)。這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等列車運(yùn)行安全性主要指標(biāo)的規(guī)定見(jiàn)表2。

表2 列車運(yùn)行安全性主要指標(biāo)

由規(guī)范1計(jì)算得到的綜合檢測(cè)列車輪軸橫向力限值約為52 kN，而由規(guī)范2和規(guī)范3計(jì)算得到的綜合檢測(cè)列車輪軸橫向力限值約為50 kN?？梢?jiàn)，3種規(guī)范規(guī)定的輪軸橫向力限值基本相當(dāng)，而且對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)(第1限度)下輪重減載率的規(guī)定是一致的;但是，對(duì)于脫軌系數(shù)，規(guī)范1與后2個(gè)規(guī)范的規(guī)定限值存在差異。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

3.3.1 通過(guò)動(dòng)車所小半徑曲線線路的動(dòng)力學(xué)性能

測(cè)試CRH2C型綜合檢測(cè)列車以大致與平衡速度相當(dāng)?shù)乃俣韧ㄟ^(guò)動(dòng)車所內(nèi)半徑為300，400和500 m的3段小半徑曲線線路時(shí)的動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3?？芍?

1)對(duì)于半徑為300 m的曲線線路，綜合檢測(cè)列車以19.1 km/h的速度(該曲線的平衡速度為19.5 km/h)通過(guò)時(shí)，輪軸橫向力的最大值為26.44 kN，脫軌系數(shù)的最大值為0.65，輪重減載率的最大值為0.17，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且最大值均出現(xiàn)在緩和曲線與圓曲線的過(guò)渡處。

2)對(duì)于半徑400 m的曲線線路，綜合檢測(cè)列車以31 km/h的速度(該曲線的平衡速度為29.1 km/h)通過(guò)時(shí)，輪軸橫向力的最大值為15.57 kN，脫軌系數(shù)的最大值為0.57，輪重減載率的最大值為0.11，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且最大值均出現(xiàn)在緩和曲線與圓曲線的過(guò)渡處。

圖3 通過(guò)不同半徑曲線線路時(shí)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

3)對(duì)于半徑500 m的曲線線路，綜合檢測(cè)列車以32 km/h的速度(該曲線的平衡速度為32.5 km/h)通過(guò)時(shí)，輪軸橫向力的最大值為15.56 kN，脫軌系數(shù)的最大值為0.4，輪重減載率的最大值為0.11，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且最大值同樣均出現(xiàn)在緩和曲線與圓曲線過(guò)渡處。

綜上可知:曲線半徑由300 m增大到500 m，輪軸橫向力和脫軌系數(shù)顯著減小，但對(duì)輪重減載率的影響不大;輪軸橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率均小于標(biāo)準(zhǔn)限值，滿足動(dòng)車組運(yùn)行安全性的要求。

3.3.2 通過(guò)走行線小半徑曲線線路的動(dòng)力學(xué)性能

測(cè)試CRH380A型綜合檢測(cè)列車以約30 km/h的速度通過(guò)走行線半徑依次為350，300和300 m的3段小半徑曲線線路時(shí)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。圖中里程1 500～1 719 m段為半徑350 m曲線，里程1 882～1 915 m段為半徑300 m曲線，里程2 009～2 200 m段為半徑300 m曲線。

圖4 通過(guò)走行線半徑依次為350，300和300 m曲線線路時(shí)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

由圖4可知:

1)1號(hào)車4軸和2號(hào)車1軸測(cè)力輪對(duì)測(cè)得的最大輪軸橫向力，在曲線半徑為300 m時(shí)分別為31.23，36.96 kN;在曲線半徑為350 m時(shí)分別為32.98，33.66 kN;輪軸橫向力均小于標(biāo)準(zhǔn)限值。在曲線半徑350 m和300 m時(shí)測(cè)得的輪軸橫向力均較大且數(shù)值接近，而且導(dǎo)向輪與從動(dòng)輪的輪軸橫向力亦接近。這表明對(duì)于小半徑曲線，曲線半徑是影響輪軸橫向力的最重要因素，輪對(duì)所處的位置對(duì)輪軸橫向力的影響較小。

2)1號(hào)車4軸和2號(hào)車1軸測(cè)力輪對(duì)測(cè)得的最大脫軌系數(shù)，在曲線半徑為300 m時(shí)分別為0.68，0.97;在曲線半徑為350 m時(shí)分別為0.65，0.83?？梢?jiàn)，隨著曲線半徑的減小脫軌系數(shù)明顯增大，而且由于導(dǎo)向輪受到的輪軌作用力增幅更大，導(dǎo)向輪與從動(dòng)輪的脫軌系數(shù)相差更加明顯。在曲線半徑為300 m和350 m時(shí)，位于導(dǎo)向輪位置的2號(hào)車1軸測(cè)力輪對(duì)測(cè)得的脫軌系數(shù)均超過(guò)了規(guī)范2和規(guī)范3規(guī)定的限值(0.8)［11］，但小于規(guī)范1中對(duì)應(yīng)第2限度規(guī)定的限值(1.0)。

3)1號(hào)車4軸和2號(hào)車1軸測(cè)力輪對(duì)測(cè)得的最大輪重減載率，在曲線半徑為350 m時(shí)分別為0.53和0.21;在曲線半徑為300 m時(shí)分別為0.51和0.22?？梢?jiàn)，輪重減載率均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

綜上可知，當(dāng)綜合檢測(cè)列車以約30 km/h的速度通過(guò)走行線小半徑曲線線路時(shí)，除了在曲線半徑為300 m和350 m時(shí)脫軌系數(shù)超過(guò)規(guī)范2和規(guī)范3的標(biāo)準(zhǔn)限值外，其他試驗(yàn)條件下測(cè)得的動(dòng)車組安全性指標(biāo)均未超過(guò)3種規(guī)范規(guī)定的限值。

4 結(jié)論與建議

1)在動(dòng)車所內(nèi)小半徑曲線線路上鋼軌的磨耗主要表現(xiàn)為:外軌內(nèi)側(cè)軌距角處側(cè)磨嚴(yán)重而軌頂垂磨較小，且軌距側(cè)由于金屬塑性變形而出現(xiàn)肥邊，外軌各測(cè)試斷面處的側(cè)磨差異較大，一般在緩圓點(diǎn)和圓緩點(diǎn)處側(cè)磨量最大，其次是曲中點(diǎn)處，直緩點(diǎn)和緩直點(diǎn)處的側(cè)磨量最小;內(nèi)軌的軌頂垂磨嚴(yán)重，且各測(cè)試斷面處的軌頂垂磨差異較小。建議對(duì)緩圓過(guò)渡處和圓緩過(guò)渡處鋼軌采取潤(rùn)滑等減磨措施，以防止因過(guò)大的鋼軌磨耗而引發(fā)動(dòng)車組脫軌事故。

2)在本文試驗(yàn)條件下，綜合檢測(cè)列車通過(guò)動(dòng)車所內(nèi)400 m和500 m小半徑曲線線路以及CRH2C綜合檢測(cè)列車通過(guò)300 m小半徑曲線時(shí)，實(shí)測(cè)動(dòng)車組動(dòng)力學(xué)各項(xiàng)安全性指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)要求。但CRH380A型綜合檢測(cè)列車以約30 km/h的速度通過(guò)300 m和350 m小半徑曲線線路時(shí)，實(shí)測(cè)脫軌系數(shù)分別達(dá)到0.97和0.83，超出了規(guī)范2和規(guī)范3中規(guī)定的限值(0.8)但低于規(guī)范1中規(guī)定的限值(1.0，第2限度)。鑒于規(guī)范2和規(guī)范3中規(guī)定動(dòng)車組脫軌系數(shù)以0.8為限值主要是從動(dòng)車組高速運(yùn)行條件下應(yīng)有更高安全裕量考慮的，因此本文結(jié)合動(dòng)車組通過(guò)小半徑曲線線路的速度較低且測(cè)得的輪軸橫向力和輪重減載率等其他安全性指標(biāo)值亦距標(biāo)準(zhǔn)限值尚有較大富余等因素綜合考慮，認(rèn)為按照規(guī)范1中規(guī)定的第2限度脫軌系數(shù)限值1.0對(duì)動(dòng)車組通過(guò)動(dòng)車所小半徑曲線線路的安全性進(jìn)行控制更為適宜，并且建議動(dòng)車組通過(guò)300 m小半徑曲線線路時(shí)應(yīng)適當(dāng)限速。

3)動(dòng)車組在走行線、動(dòng)車所內(nèi)線路等一類有小半徑曲線的線路上運(yùn)行時(shí)，線路的曲線半徑越小，脫軌系數(shù)越大，且導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)明顯大于從動(dòng)輪的，但導(dǎo)向輪的輪重減載率卻明顯小于從動(dòng)輪的。因此，在評(píng)估動(dòng)車組通過(guò)小半徑曲線線路的安全性時(shí)，除了要關(guān)注導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)外，還應(yīng)重點(diǎn)觀察從動(dòng)輪的輪重減載率，并采取必要的限速措施以防止因輪重減載率過(guò)大而發(fā)生脫軌事故。

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Experimental Study on Safety of Electric Multiple Units
Passing Small Radius Section

FENG Zhongwei1，2，HOU Maorui3，WANG Lindong4，F(xiàn)ANG Xing5，WANG Lan3
(China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China:1．Postgraduate Department;2．Railway Engineering Research Institute; 3．Railway Science＆Technology Research＆Development Center;4．Locomotive＆Car Research Enstitute; 5．Science and Research Management Department)

In order to study the safety of electric multiple units(EM U)passing through the small radius curve railway line，the rail abrasion tests were made by using M iniProf instrument and selecting the small radius curves of a EM U depot and a EM U railway line，and the dynamic performance of CRH2Cand CRH380Acomprehensive detection train passing the small radius curves were tested and analyzed respectively．Results showed that there are side abrasion of external rail and vertical abrasion of internal rail in small radius curve railway line，the rail side wear in different sections of the curve are very different，such abrasion reduction measures as lubrication for the section between transition curve and circular curve should be considered during the maintenance and repair period of the railway lines．T he limit value of derailment coefficient should be 1.0 according to the Quasi-static condition of EM U passing through the small radius curve with low speed and the speed should be limited when EM U passing through the curve with 300 m radius．T he derailment coefficient of guide wheel is significantly greater than that of the driven wheel，the derailment coefficient of guide wheel and the difference between derailment coefficient of guide wheel and that of driven wheel increase with the curve radius decreasing，and rate of wheel load reduction of guide wheel is significantly less than that of the driven wheel．It is suggested that not only the derailment coefficient of guide wheel but also the rate of wheel load reduction of driven wheel should be considered in order to prevent the EM U derailment．

Electric multiple units;Small radius curve;Rail abrasion;Dynamic performance;Security index

U211．5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．21

1003-1995(2016)12-0077-05

(責(zé)任審編李付軍)

2016-09-12;

2016-10-10

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃(Z2015-G002)

馮仲偉(1977—)，男，副研究員，博士研究生。