盛明澤

（內(nèi)蒙古中電物流路港有限責(zé)任公司赤峰鐵路分公司,內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

Grassie[1]等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，軌道波磨具有多樣性，且廣泛存在于城市軌道交通中，常規(guī)輪軌頻率在50~1 200 Hz，其輪軌頻率在軌道角度與波磨波長(zhǎng)有一定關(guān)系。Yoshihiro Suda[2]等發(fā)現(xiàn)東京地區(qū)的山手軌道交通線(xiàn)的小半徑曲線(xiàn)上出現(xiàn)了嚴(yán)重的波磨，經(jīng)測(cè)量分析，波磨波長(zhǎng)主要在 50~150 mm 內(nèi)。王少峰[3]等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，鋼軌波磨已成為城市軌道交通傷損的主要形式之一，嚴(yán)重的波磨不僅加劇了軌道機(jī)械傷損，而且降低了鋼軌的使用壽命。周宇[4]對(duì)上海軌道交通1號(hào)線(xiàn)波磨情況進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，得出被測(cè)區(qū)域的波磨波長(zhǎng)在50~350 mm之間，最大波深達(dá)1.37 mm。

該文結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)，選取城市軌道線(xiàn)路上常見(jiàn)的波浪形磨耗，綜合分析車(chē)輛以不同速度通過(guò)帶有波磨的曲線(xiàn)時(shí)的性能，闡述波磨、車(chē)速、曲線(xiàn)半徑等因素與車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能和車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性之間的關(guān)系，在提高乘坐舒適性的同時(shí)，對(duì)延長(zhǎng)鋼軌、輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架的使用壽命，具有一定的意義。

1 研究工況

根據(jù)我國(guó)地鐵電客車(chē)運(yùn)行實(shí)際情況建立模型，采用軌距1 435 mm，輪對(duì)內(nèi)側(cè)距1 353 mm，軌道的軌底坡1∶40。

根據(jù)文獻(xiàn)[2,4]，地鐵線(xiàn)路的波浪形磨耗多出現(xiàn)在小半徑曲線(xiàn)上，該文選取了多個(gè)小半徑曲線(xiàn)，半徑分別為300 m、400 m、500 m、600 m，在曲線(xiàn)兩側(cè)加波磨，波長(zhǎng)為160 mm，列車(chē)運(yùn)行速度分別為：30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h。

2 安全性評(píng)價(jià)

車(chē)輛運(yùn)行安全性主要考慮脫軌及傾覆問(wèn)題，目前我國(guó)車(chē)輛部門(mén)主要采用的車(chē)輛運(yùn)行安全性指標(biāo)是脫軌系數(shù)和輪重減載率[5]。

首先對(duì)車(chē)輪的脫軌系數(shù)進(jìn)行分析，車(chē)輛在同一工況下運(yùn)行時(shí)，車(chē)輛的導(dǎo)向輪受波磨的影響最大，這里僅對(duì)導(dǎo)向輪的脫軌系數(shù)進(jìn)行分析，后續(xù)所有動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均對(duì)導(dǎo)向輪進(jìn)行分析，不再做贅述。

列車(chē)的脫軌系數(shù)在列車(chē)進(jìn)入圓曲線(xiàn)時(shí)達(dá)到最大值，各個(gè)工況下的脫軌系數(shù)最大值見(jiàn)表1。

表1 不同工況下的脫軌系數(shù)最大值

每種工況下都的脫軌系數(shù)都不超標(biāo)，列車(chē)可以安全地通過(guò)帶有波磨的曲線(xiàn)。同一速度下，隨著曲線(xiàn)半徑的增大，列車(chē)的脫軌系數(shù)逐漸減?。粚?duì)于同一線(xiàn)路工況，隨著列車(chē)速度的增大，脫軌系數(shù)的變化不大。

脫軌系數(shù)和輪重減載率為列車(chē)運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，這里對(duì)列車(chē)的輪重減載率進(jìn)行分析，取各個(gè)工況下輪重減載率的最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)繪制圖1，可以看出，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加，輪重減載率呈上升趨勢(shì)，輪重減載率最大值與線(xiàn)路的曲線(xiàn)半徑關(guān)系不大。

圖1 不同工況下的輪重減載率

波磨會(huì)加劇輪軌之間的磨耗，縮短鋼軌打磨和車(chē)輪鏇修的周期，這里用輪軌之間的磨耗數(shù)和構(gòu)架振動(dòng)加速度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先對(duì)輪軌之間的磨耗數(shù)（wear number）進(jìn)行分析，當(dāng)列車(chē)進(jìn)入圓曲線(xiàn)時(shí)，輪軌之間的磨耗達(dá)到最大值，對(duì)各個(gè)工況下的磨耗數(shù)最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

表2 不同工況下磨耗數(shù)最大值 /N

可以看當(dāng)曲線(xiàn)半徑為300 m，車(chē)速為40 km/h時(shí)，輪軌之間的磨耗數(shù)最大，數(shù)值為440.358 N，在同一速度下，隨著曲線(xiàn)半徑的增大，輪軌之間的磨耗程度逐漸降低，同一線(xiàn)路下，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加，輪軌之間的磨耗數(shù)變化不大，輪軌之間的磨耗程度接近，因此，為了減小波磨對(duì)輪軌之間磨耗的影響，可以增大線(xiàn)路的曲線(xiàn)半徑。

該文還通過(guò)振動(dòng)加速度來(lái)反映波磨的影響，該文對(duì)構(gòu)架的振動(dòng)加速度進(jìn)行比較分析，這里先對(duì)列車(chē)速度為30 km/h，曲線(xiàn)半徑為300 m的工況進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 構(gòu)架加速度時(shí)間的變化

列車(chē)構(gòu)架加速度隨時(shí)間的變化規(guī)律與脫軌系數(shù)、磨耗數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律不同，整體上觀察構(gòu)架橫向加速度可以發(fā)現(xiàn)，除了列車(chē)剛啟動(dòng)時(shí)，加速度值較大外，另一個(gè)最大值是在圓曲線(xiàn)上，構(gòu)架的橫向振動(dòng)加速度波動(dòng)幅值較大，但振動(dòng)頻率較低，這主要與列車(chē)行駛在曲線(xiàn)線(xiàn)路上有關(guān)，可以看出當(dāng)列車(chē)進(jìn)入圓曲線(xiàn)時(shí)，構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度達(dá)到最大值。構(gòu)架垂向加速度的振動(dòng)幅度較小但振動(dòng)頻率較大，這主要與鋼軌上的波浪形磨耗有關(guān)，構(gòu)架垂向加速度的變化與曲線(xiàn)線(xiàn)路并沒(méi)有明顯的關(guān)系。為了更好地對(duì)構(gòu)架加速度進(jìn)行分析，這里對(duì)不同工況下構(gòu)架振動(dòng)加速度最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)繪圖如圖3和圖4 所示。

圖3 構(gòu)架垂向振動(dòng)加速度

圖4 構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度

彈性懸掛的存在，輪軌之間的振動(dòng)產(chǎn)生的能量被吸收一部分，導(dǎo)致了構(gòu)架振動(dòng)加速度幅值較輪對(duì)振動(dòng)加速度幅值要低。同一線(xiàn)路條件下，隨著列車(chē)速度的提高，構(gòu)架的垂向加速度在不斷地增加，各個(gè)工況下增加幅度接近；列車(chē)以同一速度運(yùn)行，不同線(xiàn)路條件下，構(gòu)架的垂向振動(dòng)加速度最大值接近。說(shuō)明列車(chē)運(yùn)行速度是影響列車(chē)構(gòu)架垂向振動(dòng)加速度的主要原因之一，為了降低構(gòu)架垂向振動(dòng)加速度，可以在通過(guò)曲線(xiàn)線(xiàn)路時(shí)降低列車(chē)的運(yùn)行速度。

不同線(xiàn)路條件下，構(gòu)架垂向振動(dòng)加速度的最大值隨速度的變化規(guī)律一致，速度由30~50 km/h的過(guò)程中，構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度變化較為平緩，都是先略有下降，再小幅度上升，而當(dāng)列車(chē)速度增大到60 km/h時(shí)，不同線(xiàn)路條件下的構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度最值都有較大幅度的上升，當(dāng)列車(chē)速度增大到一定值時(shí)，列車(chē)在通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，輪緣與鋼軌發(fā)生接觸，加劇了輪軌之間的振動(dòng)，進(jìn)而使構(gòu)架的橫向振動(dòng)加速度增加；在同一速度下，構(gòu)架橫向振動(dòng)加速度隨著曲線(xiàn)半徑的增大而減小，這是因?yàn)楫?dāng)線(xiàn)路曲線(xiàn)半徑增大時(shí)，列車(chē)通過(guò)不容易出現(xiàn)輪緣與鋼軌接觸的情況，降低了輪軌之間的振動(dòng)，從而降低了構(gòu)架的橫向振動(dòng)。

綜上可以看出波浪形磨耗主要是加劇了輪軌之間磨耗，增加了輪對(duì)之間的振動(dòng)，進(jìn)而影響構(gòu)架的垂向振動(dòng)，對(duì)構(gòu)架的橫向振動(dòng)影響不大。

3 平穩(wěn)性評(píng)價(jià)

波磨會(huì)加劇輪軌之間的振動(dòng)，對(duì)構(gòu)架的振動(dòng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而會(huì)影響列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性度，GB5599—2019[6]規(guī)定的車(chē)輛平穩(wěn)性等級(jí)見(jiàn)表3。

表3 客車(chē)平穩(wěn)性等級(jí)

該文對(duì)列車(chē)在不同工況下的列車(chē)車(chē)體的平穩(wěn)性進(jìn)行了計(jì)算，見(jiàn)表4和表5。

表4 垂向平穩(wěn)性指標(biāo)

表5 橫向平穩(wěn)性指標(biāo)

通過(guò)表4和表5可以看出，受波磨的影響，車(chē)體的垂向平穩(wěn)性要大于橫向平穩(wěn)性，根據(jù)電客車(chē)平穩(wěn)性指標(biāo)的規(guī)定，車(chē)體的橫向平穩(wěn)性等級(jí)均屬于一級(jí)，而車(chē)體的垂向平穩(wěn)性等級(jí)則處于一級(jí)和二級(jí)之間。

綜合分析列車(chē)的平穩(wěn)性指標(biāo)，可以看出，無(wú)論是垂向還是橫向，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行的線(xiàn)路一定時(shí)，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加，列車(chē)的平穩(wěn)性指標(biāo)增大，列車(chē)的平穩(wěn)性下降；當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度一定時(shí)，隨著列車(chē)通過(guò)線(xiàn)路半徑的增加，列車(chē)的垂向平穩(wěn)性差距不大，橫向平穩(wěn)性只在速度為30 km/h時(shí)存在微小的差距，可以看出列車(chē)的平穩(wěn)性主要取決于列車(chē)運(yùn)行的速度，與線(xiàn)路的半徑關(guān)系不大。

可以看出只有列車(chē)的速度為30 km/h時(shí)，垂向平穩(wěn)性才處于一級(jí)，當(dāng)列車(chē)速度大于等于60 km/h時(shí)，垂向平穩(wěn)性為三級(jí)，僅達(dá)到合格的標(biāo)準(zhǔn)，為保證列車(chē)運(yùn)行的安全以及乘客乘坐的平穩(wěn)，在通過(guò)有波磨的曲線(xiàn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制車(chē)速。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)列車(chē)以不同速度通過(guò)帶有波浪形磨耗的小半徑曲線(xiàn)線(xiàn)路分析，發(fā)現(xiàn)波磨對(duì)輪軌、構(gòu)架的垂向振動(dòng)、列車(chē)的垂向平穩(wěn)性影響較大，在通過(guò)小半徑曲線(xiàn)線(xiàn)路時(shí)應(yīng)降低列車(chē)的通過(guò)速度。