軌道科研試驗線的輪軌力、脫軌系數(shù)及減載率研究

唐吉意，羅雁云，廖 博，蔣宇春，單 傲

(同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

軌道科研試驗線的輪軌力、脫軌系數(shù)及減載率研究

唐吉意，羅雁云，廖 博，蔣宇春，單 傲

(同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

為了對同濟大學軌道交通科研試驗線進行脫軌安全性評定，采用測力鋼軌法測試軌道交通科研試驗線列車通過時的輪軌力，包括輪軌垂直力及橫向力，由輪軌力計算脫軌系數(shù)及輪重減載率。結(jié)果表明，列車以速度20、30及40 km/h駛過時，南側(cè)鋼軌的輪軌垂直力平均值在54.91～56.14 kN范圍內(nèi)，北側(cè)鋼軌的輪軌垂直力平均值在72.91～76.62 kN范圍內(nèi)；南側(cè)鋼軌的輪軌橫向力平均值在5.77～7.86 kN范圍內(nèi)，北側(cè)鋼軌的輪軌橫向力平均值在6.48～7.11 kN范圍內(nèi)；脫軌系數(shù)分別為0.096、0.104及0.113，輪重減載率分別為0.141、0.152及0.154，脫軌系數(shù)及輪重減載率都遠小于限界值，都具有很大的安全余量，軌道交通科研試驗線在脫軌安全性評定方面完全符合要求。

輪軌作用；脫軌系數(shù)；輪重減載率；輪軌垂直力；輪軌橫向力；科研試驗線

同濟大學軌道交通科研試驗線是國內(nèi)第一條軌道交通科研試驗線[1-3]，有必要對軌道科研試驗線進行脫軌安全性評定指標的研究，輪軌力的研究與測試是評定軌道科研試驗線脫軌安全性的基礎[4-5]。國外學者在輪軌力的研究與測試方面，進行了諸多嘗試，包括研發(fā)新的方法與裝置，減小橫向力和垂向力之間的耦合，測試輪軌力的同時檢測車輪的缺陷及輪軌力連續(xù)測量系統(tǒng)等[6-17]。國內(nèi)學者近年來對輪軌力連續(xù)檢測進行了許多研究，包括輪軌垂向力連續(xù)測量，滾動實驗臺上輪軌力模型試驗，連續(xù)測量的神經(jīng)網(wǎng)絡方法及連續(xù)測試系統(tǒng)設計等[18-26]。在國內(nèi)外研究基礎上，本文主要采用測力鋼軌法測試軌道科研試驗線列車通過時的輪軌力，包括輪軌垂直力及橫向力，由輪軌力計算脫軌系數(shù)及輪重減載率，然后對軌道交通科研試驗線進行脫軌安全性評定，為軌道科研試驗線的安全運行提供一定參考作用。

1 輪軌力測試

1.1 試驗概況

試驗在同濟大學軌道交通科研試驗線上進行，軌道結(jié)構(gòu)類型為無砟軌道，線路類型為直線段平坡路線，扣件間距為0.6 m，鋼軌類型為普通60 kg/m，道床下部由寬度為4 500 mm的鋼筋混凝土基礎構(gòu)成，厚度為250 mm，道床上部寬2 500 mm，厚度為360 mm，接觸網(wǎng)供電。試驗列車為城市軌道交通A型車，1動1拖共兩節(jié)車廂編組，列車軸重14.5 t，軸距為2 500 mm，共有4個轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架2個輪對，共計8個輪對，如圖1所示。

圖1 車輛側(cè)視及俯視示意圖Fig.1 Side view and overhead view of vehicle

1.2 試驗設備及斷面

試驗設備名稱、型號及數(shù)量如表1所示。

表1 試驗設備Tab.1 Test equipment

測試斷面位于一段軌道線路狀態(tài)良好的直線段，如圖2所示，該斷面的南側(cè)鋼軌與北側(cè)鋼軌的輪軌力測試同時進行。

圖2 測試斷面示意圖Fig.2 Sketch map of test section

1.3 試驗準備

按照圖3、圖4分別進行輪軌垂直力及輪軌橫向力的貼片及組橋，在貼片前，對鋼軌貼片處進行打磨并用丙酮進行清洗，以保證貼片處光滑平整。貼片完成后，先進行貼片質(zhì)量檢查，將測試橋路接入應變儀的通道，進行調(diào)平，用大拇指分別在各應變花上輕輕按壓，在應變儀的表頭上觀察指針偏轉(zhuǎn)的情況，要求其輸出不大15 με，如果超出，應變片應當重貼；然后再粘貼接線端子，焊接引線，并進行絕緣性能檢查，要求絕緣電阻達500 MΩ以上。

應變片調(diào)平完成以后，進行測試荷載標定，目的是確定所設置的貼片系統(tǒng)與實際施加力的相互關(guān)系，鋼軌受力大小與貼片系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓大小成一定比例，利用標定施加模擬輪軌力確定這個比例系數(shù)，在后續(xù)試驗數(shù)據(jù)處理中可以通過比例關(guān)系將電壓值轉(zhuǎn)化為實際的輪軌力。

圖3 輪軌垂直力貼片及組橋方式Fig.3 Patch mode and bridge mode for wheel-rail vertical force

圖4 輪軌橫向力貼片及組橋方式Fig.4 Patch mode and bridge mode for wheel-rail lateral force

1.4 試驗過程

標定后進行測試，采樣頻率設為5 000 Hz，由于列車有8個輪對，每次列車經(jīng)過時，測試斷面可以采集到8個輪軌垂直力波峰及8個輪軌橫向力波峰。為評定不同速度下列車的脫軌安全性，讓列車分別以20、30、40 km/h的速度通過測試斷面，記錄下每次列車通過時的垂直力與橫向力波形圖，典型的輪軌垂直力與橫向力波形圖如圖5—圖6所示。

圖5 輪軌垂直力波形圖示例Fig.5 Example of wheel-rail vertical force waveform

圖6 輪軌橫向力波形圖示例Fig.6 Example of wheel-rail lateral force waveform

2 輪軌力分析

為便于區(qū)分，將8個輪對按離車頭的距離由近至遠，分別編號為輪對1—輪對8，不同行車速度下測試斷面的8個輪對的輪軌垂直力及橫向力如表2所示；對8個輪對的輪軌垂直力及橫向力求得平均值，如表3所示。

表2 測試截面的輪軌垂直力及橫向力Tab.2 Vertical and lateral forces of the wheel-rail of the test cross section

表3 測試截面的輪軌垂直力及橫向力平均值Tab.3 The mean value of wheel-rail vertical force and lateral force of test cross section

在輪軌垂直力方面，以南側(cè)鋼軌為分析對象，列車速度分別為20、30及40 km/h時，8個輪對的輪軌垂直力分別在49.50～61.54、48.59～66.16及52.31～65.69 kN范圍內(nèi)，平均值分別為54.91、55.66及56.14 kN；以北側(cè)鋼軌為分析對象，列車速度分別為20、30及40 km/h時，8個輪對的輪軌垂直力分別在67.27～79.21、68.28～81.55及69.26～85.35 kN范圍內(nèi)，平均值分別為72.91、75.67及76.62 kN。結(jié)果表明，輪軌垂直力隨列車速度的增大而逐漸增大，因為軌道表面并不是絕對光滑的，存在一定的高低不平順，車輪滾動經(jīng)過這些不平順區(qū)域時會對軌面產(chǎn)生豎向沖擊且速度越大沖擊作用越大，所以輪軌垂直力會隨速度增大而逐漸增大。

在輪軌橫向力方面，以南側(cè)鋼軌為分析對象，列車速度分別為20、30及40 km/h時，8個輪對的輪軌橫向力分別在3.87～9.23、2.85～10.58及1.99～21.96 kN范圍內(nèi)，平均值分別為5.77、7.02及7.86 kN；以北側(cè)鋼軌為分析對象，列車速度分別為20、30及40 km/h時，8個輪對的輪軌橫向力分別在2.17～11.16、1.48～10.74及4.04～13.5 kN范圍內(nèi)，平均值分別為6.48、6.63及7.11 kN。結(jié)果表明，輪軌橫向力隨列車速度的增大而逐漸增大，因為列車在運行過程中存在蛇形運動且蛇形運動會使輪軌間橫向相互作用加劇，列車速度越大蛇形運動越劇烈，進而導致輪軌橫向力逐漸增大。

從8個輪對輪軌力的平均值來看，列車以不同速度駛過時，南側(cè)鋼軌的輪軌垂直力在54.91～56.14 kN范圍內(nèi)，平均值為55.57 kN；北側(cè)鋼軌的輪軌垂直力在72.91～76.62 kN范圍內(nèi)，平均值為75.07 kN；北側(cè)鋼軌的輪軌垂直力要比南側(cè)鋼軌的輪軌垂直力明顯偏大，因為該測試截面處北側(cè)鋼軌高度比南側(cè)鋼軌高度略低，導致列車分布于北側(cè)鋼軌的垂直力略大。

從8個輪對輪軌力的平均值來看，列車以不同速度駛過時，南側(cè)鋼軌的輪軌橫向力在5.77～7.86 kN范圍內(nèi)，平均值為6.88 kN；北側(cè)鋼軌的輪軌橫向力在6.48～7.11 kN范圍內(nèi)，平均值為6.74 kN。雖然該測試截面處北側(cè)鋼軌高度比南側(cè)鋼軌高度略低，但北側(cè)鋼軌的輪軌橫向力跟南側(cè)鋼軌的輪軌橫向力很相近，差別不明顯，表明輪軌垂直力受兩股鋼軌的細小高程差的影響較大，而輪軌橫向力受兩股鋼軌的細小高程差影響較小。

3 脫軌系數(shù)分析

脫軌系數(shù)用于評定列車車輛在輪軌橫向力和垂直力的綜合作用下，車輪輪緣爬上鋼軌的安全程度，脫軌系數(shù)越大越容易脫軌，參照標準《GB5599-1985鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》給出的公式：

式中Q為輪軌垂直力，P輪軌橫向力。當脫軌系數(shù)超過上述限度時，需要檢查超限值的持續(xù)作用時間，當輪軌橫向力的作用時間t＜0.05 s時，容許的脫軌系數(shù)為：

式中t為輪軌橫向力作用時間(s)。

經(jīng)過計算，列車在速度為20、30及40 km/h時的脫軌系數(shù)分別為0.096、0.104及0.113，都遠小于限界值0.8，結(jié)果表明，在脫軌系數(shù)方面，軌道交通科研試驗線有很大的安全余量。

4 輪重減載率分析

以前發(fā)生脫軌事故之后，我們常歸因于輪軌橫向力過大，但在實際運行中我們發(fā)現(xiàn)，在輪軌橫向力較小但輪重減載率過大時，也會發(fā)生脫軌現(xiàn)象；也就是說，為了防止列車脫軌，需要對兩股鋼軌上的輪軌垂直力之差進行限定。參考國內(nèi)外相關(guān)標準規(guī)范，目前建議采用的輪重減載率安全指標為

5 結(jié)論

列車以速度20、30及40 km/h駛過時，南側(cè)鋼軌的輪軌垂直力平均值在54.91～56.14 kN范圍內(nèi)，北側(cè)鋼軌的輪軌垂直力平均值在72.91～76.62 kN范圍內(nèi)；南側(cè)鋼軌的輪軌橫向力平均值在5.77～7.86 kN范圍內(nèi)，北側(cè)鋼軌的輪軌橫向力平均值在6.48～7.11 kN范圍內(nèi)；脫軌系數(shù)分別為0.096、0.104及0.113，輪重減載率分別為0.141、0.152及0.154，脫軌系數(shù)及輪重減載率都遠小于限界值，都具有很大的安全余量。

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Research on wheel-rail force derailment coef fi cient and wheel load reduction ratio of the scienti fi c research track line

TANG Jiyi，LUO Yanyun，Liao Bo，Jiang Yuchun，Shan Ao
(Institute of Rail Transit，Tongji University，Shanghai，201804，China)

Absract：The train running on the track test line without derailment is the basic premise of track engineering scienti fi c research test. In order to carry out the assessment of the derailment safety of the rail transportation comprehensive test line of Tongji University，this article measures the wheel-rail force of the rail transportation comprehensive test line，including wheel rail lateral force and vertical force，and then calculates the derailment coef fi cient and wheel load reduction rate through the wheel rail force.Results show，when the train passes at the speed of 20，30and 40 km/h，the average value of the wheel rail vertical force of the south rail is in the range of 54.91～56.14 kN，those of the north rail is in the range of 72.91～76.62 kN；t of the south rail is in the range of 5.77～7.86 kN，those of the north rail is in the range of 6.48～7.11 kN；The derailment coef fi cient are 0.096，0.104 and 0.113，wheel load reduction rate are 0.141，0.152 and 0.154. The derailment coef fi cient and wheel load reduction rate is less than the limit value，and has great safety margin，the scientific research test rail transportation line meets the requirements completely in the derailment safety evaluation.

wheel-rail interaction；derailment coefficient；wheel load reduction ratio；wheel rail vertical force；wheel rail lateral force；scienti fi c research line

U211.5

A

1673-9469（2017）04-0051-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.012

2017-06-20

國家自然科學基金資助項目(51678446)

唐吉意(1992-)，男，湖南永州人，碩士研究生，研究方向為城市軌道與鐵道工程。