地铁轮轨磨耗的初步研究

广州地铁近 10 年来的运营实践证明 ,钢轨磨耗 超限已成为曲线地段钢轨更换的决定因素 。如何减 缓曲线地段钢轨侧向磨耗和轮缘磨耗 ,是地铁设计 、 施工 、维修管理工程技术人员需要考虑的问题 。
轮轨非正常磨耗与轨道设计 、轨道施工 、维修养 护 、列车自动运行 ( A TO ) 与线路坡度的关系 , 以及 不同道床类型的过度地段的轨道弹性等因素有关 。 因此 ,对轮轨磨耗必须进行深入研究 ,找出轮轨磨耗 的主要原因 ,以指导日常维修 ,达到延长轨道使用寿 命的目的 。
第 10 期
技术资料
2 减缓轮轨磨耗的措施
2. 1 建立轮轨润滑系统 为了减缓轮缘与轨头侧向磨损 ,可采用轮缘和
钢轨轨头工作边润滑方法 。由于广州地铁列车的运 行间隔为 3 min ,采取人工涂油的方式已满足不了 减轻钢轨磨损的要求 ,且人工涂油只能使用液态油 , 用量难于控制 。此外 ,油渗入疲劳纹将加速疲劳纹 的发展 ,同时加大了车轮横向滑动 。建议采用在列 车上安装固体涂油装置的方法 。该装置投资少 、见 效快 ,是减缓轮轨磨损和延长轮轨使用寿命的有效 方法 。 2. 2 调整轨道参数
2. 92 2. 17
0
2. 92 2. 17 3. 1 2. 1
0
3. 1 2. 1
陈家祠 ——— 长寿路下行
上股 下股
3. 51 2. 58
2. 5 1. 84
Biblioteka Baidu
3. 69 0. 06
2. 63 0. 49
5. 13 2. 5
3. 82 1. 86
3. 95 2. 9
2. 67 1. 96
4. 63 0
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(2) 列车通过时 ,橡胶套靴和橡胶微孔垫板的 反弹量难于控制 ;
(3) 列车经过该区段时 ,由于弹性原因 ,产生冲 击角过大 ,钢轨与轮缘接触点产生疲劳磨损后导致 侧磨加快及剥落掉块 。 1. 3 ATO 与线坡的关系对轮轨磨耗的影响
由于 A TO 的特点是起动制动都属于固定模 式 ,因此地铁设计规范规定在曲线内不设加宽和设 置竖曲线 。不设加宽不能满足列车在曲线内运行时 的动态游间 ,设置竖曲线范围内的标高的精度不足 , 造成钢轨受力不均 ,这是磨耗加大的原因之一 。 1. 4 轨道不平顺加速钢轨磨耗
(收稿日期 :2008 - 05 - 14)
瑞士第一条地铁将投入运营
新华网日内瓦 9 月 14 日电 (记者杨京德) 瑞士第一条地铁 ———洛桑地铁 9 月 14 日获得瑞士联邦运输 局签发的运营许可证 ,将于 9 月 18 日开始试运营 。届时 ,洛桑地铁将成为世界上运输距离最短的地铁 。
洛桑地铁是全自动无人驾驶地铁 ,全长 6 km ,耗资 5. 9 亿瑞士法郎 ,历时 4 年建成 ,从莱蒙湖边向北经 火车站 、老城 ,纵贯洛桑 ,位于湖边的南起点海拔 373 m ,北终点海拔 711 m 。该地铁线路的坡度较大 。
3. 13
6. 27 2. 9
4. 24 1. 96
注 :垂磨 、侧磨和总磨耗为本段曲线各测点磨耗的平均值 ;垂磨 、侧磨和总磨耗的发展速度由磨耗值除以本段曲线的通过总量得到
·57 ·
城市轨道交通研 究
2008 年
列车进入曲线地段时轮轨接触 、列车受力 、内外 轨磨耗等情况分别如图 1～3 所示 。
轨道不平顺造成列车在蛇行运动中对钢轨冲 击 、磨耗增大 ,从而加速了轮轨磨耗 。轨道不平顺可 分为以下几种类型 :
·高低不平顺 ———即轨道的竖向不平顺 。通 常是指钢轨顶面在相同轮载作用下顺着轨道延长的 高低不平 。它是由于轨面磨耗不均 ,轨下构件及路 基 、道床弹性不同 ,各部件出现间隙所造成的 。
钢轨磨损的主要原因 ,是轮轨相互作用时产生 巨大的接触应力和蠕滑率 (即轮对在滚动中潜伏着 滑动 ,用速度差的百分比来表示) 。设车轮的线速度 为 V ,列车实际运行的速度为 V′。当 V > V′, 纵向 蠕滑率为 (V - V′) / V ·100 %。列车运行是在水平 牵引力作用下进行的 。列车在直线上运行 ,也不是 纯粹的滚动摩擦 ,而是在滚动中潜伏着少量滑动摩 擦 ,这是直线地段钢轨发生磨损的原因之一 。当列 车进入曲线地段 ,蠕滑有所增加 ,所以曲线地段钢轨 顶面及工作边的磨损要比直线地段大一些 。曲线上 股钢轨由于列车转向架中第一轮轮缘紧挨着轨头内 侧 ,当轨头和车轮几何尺寸不相吻合时 ,造成轮轨接 触面积小 ,接触应力增大 。接触应力大 ,蠕滑率高 , 导致轮轨磨损加剧 。轨头经过初期磨耗后 ,轮轨磨 合处接触应力降低 ,这时轮轨磨耗减缓 。
(2) 加强曲线地段轨道养护维修 。应经常测量 曲线正矢 ,保持曲线良好的方向和圆顺度 ,紧固好轨 道扣件 ,控制轨道位移 。轨道平顺可减缓轮轨磨耗 。 2. 3 曲线地段轨头采取非对称打磨
轮轨表面接触应力是采用弹性力学的赫兹理论 进行计算的 。轮轨的接触应力与材质 、车速 、轮轨作 用力和轮轨几何形状等有关 。在曲线地段 ,外轨圆
1 影响轮轨磨耗的因素
1. 1 线路最小曲线半径对轮轨磨耗的影响 一般情况下 ,我国 PD3 60 kg/ m 钢轨的疲劳极
限为列车通过总重 7 亿 t 。对小半径曲线的磨耗实 测记录分析结果表明 ,列车通过钢轨的总量在 2 亿 t 左右时钢轨侧磨接近 12 mm ,钢轨磨耗速率增加较 快 ,需要进行更换 。表 1 是广州地铁两个区间曲线 半径为 300 m 的钢轨磨耗发展情况 。
第 10 期
技术资料
地铁轮轨磨耗的初步研究
刘灿龙
(广州地下铁道总公司运营事业总部 ,510308 ,广州 ∥工程师)
摘 要 轮轨磨耗超限是曲线地段钢轨更换的决定因素 。 分析了最小曲线半径 、减振道床 、减振扣件 、减振缓冲胶垫的 选择 ,以及列车自动运行与线路坡度的关系等对轮轨磨耗的 影响 。介绍了广州地铁减缓轮轨磨耗的措施 ,如建立轮轨润 滑系统 、调整轨道参数 、曲线地段轨头采取非对称打磨等 。 减缓轮轨磨耗 ,既是一个技术问题 ,也是一个经济问题 ,应引 起决策者及设计 、施工 、维修管理工程技术人员的高度重视 。 关键词 城市轨道交通 ; 钢轨磨耗 ; 轮缘磨耗 中图分类号 U 213. 4 + 2
图 1 曲线地段轮轨接触情况
图 2 曲线地段列车受力情况
图 3 曲线地段内外轨磨耗情况
1. 2 减振道床 、减振扣件 、减振胶垫等对轮轨磨耗 的影响
目前广州地铁在部分小半径曲线上铺设了弹性 短轨枕 。铺设的地段钢轨磨耗较为严重 。经过分 析 ,其原因如下 :
(1) 轨枕底下混凝土整体道床平面标高的误差 难于控制 ;
3 结语
列车在轨道上运行 ,必然会产生轮轨磨耗 。如 何减缓轮轨磨耗 ,延长轮对及钢轨使用寿命 ,是当前 研究的焦点 。因此 ,要找出非正常的轮轨接触方式 , 调整轮轨接触状态 ,达到互相匹配 ,使磨合处于相对 稳定时期 ;并用科学方法来设计和管理轨道 、维修轨 道 ,延长轮轨使用寿命 ,提高列车通过能力 ,以满足 地铁安全运营和发展的需要 。
轮轨磨耗与轮轨间摩擦力所做的功有关 。影响 导向力 、冲角大小的轨道参数有曲线半径 、纵向坡 度 、曲线外轨超高 、轨底坡 、轨距 ,以及水平 、方向等 轨道平顺状态 。调整这些轨道参数 ,可改善轮轨接 触状态 。
广州地铁对曲线段的静态和动态测试数据进行 分析后 ,采取了以下措施 :
(1) 插入坡度垫板 ,调整内轨轨底坡 。增加轨 底坡对稳定轨距 、水平 、方向有好处 ,并使轨头光带 加宽 ,减缓了轮轨磨耗 。
垂磨
2007 年 1 月测量数据 侧磨
总磨
磨耗 发展 磨耗 发展 磨耗 发展 量/ 速度/ 量/ 速度/ 量/ 速度/ mm (mm/ 亿 t) mm (mm/ 亿 t) mm (mm/ 亿 t)
4. 33 3. 22
4
2. 97 6. 33 4. 71 4. 92 3. 33 4. 85 3. 28 7. 35 4. 97
参考文献
[ 1 ] 陈秀方. 轨道工程[ M ] . 北京 :中国建筑工业出版社 ,2005 :27. [ 2 ] EPP C J . Wheel and rall profile develop ment for t he kowloon
canton railway corporation [ R ] . Guangzhou : Guangzhou Met ro Co . ,Lt d. ,1992. [ 3 ] 龚积球 ,谭立成 ,俞铁峰. 轮轨磨损 [ M ] . 北京 : 中国铁道出版 社 ,1997 :44. [ 4 ] Rudolf Ot te. 采用轮缘润滑装置降低轨道磨损[J ] . 城市轨道交 通研究 ,2006 (5) :58.
弧比内轨圆弧长 ,同时外轨要超高 ,所以轨头打磨应 采取非对称打磨 ,才能优化轮轨几何形状 ,减小轮轨 接触应力 。
对于车轮来说 ,优化设计是指减小轮缘根部圆 弧半径 ,从而降低轮缘接触应力 。另外可定期采用 车辆调头方法来减缓轮轨磨耗 。
对钢轨来说 ,曲线地段轨头非对称打磨 ,可使轮 对通过曲线时外轨与车轮的接触点尽量靠近轮缘根 部 ,而内轨接触点尽量靠近踏面外侧 ,尽量避免轮缘 与轨侧接触 。
A Study on Metro Wheel2Rail’s Wear L iu Ca nlong Abstract W heel2rail’s wear is one of t he most i mp ort a nt p r oble ms i n rail t ra nsit reseach f ield. The mi ni mum curve radius , t he elastic rail bed , t he rail f aste ne r a nd t he elastic rubbe r mat are a nalyzed , t he i mp ort a nt r ole i n w heel2rail’s wea r p laye d by t he con nection of aut omatic t rai n op eration (A TO) a nd rail gra die nt alt oget he r is i nt r oduced. The re2 duction of t he w heel2rail’s wea r is a tec h nical a nd als o a n e2 conomical p roble m , t o w hic h all t he p olicy2ma ke rs , design2 ers ,const ructe rs a nd mai nt e na nce me n s hall p ay more at te n2 tion. Key words ur ba n rail t ra nsit ; rail wea r ; w heel f la nge wear Author’s address Op e rational B ra nc h of Gua ngzh ou Met r o co. ,L t d ,510308 , Guangzhou , China
根据上述统计 ,并经资料分析推算 ,地铁设计最 小曲线半径应大于 300 m 为宜 ,困难地段也应大于 250 m ,这有利于今后的运营和轨道养护维修 。
表 1 曲线半径为 300 m 时钢轨磨耗发展统计表
区间
陈家祠 ——— 长寿路上行
股别
上股 下股
垂磨
2006 年 9 月测量数据 侧磨
总磨
磨耗 发展 磨耗 发展 磨耗 发展 量/ 速度/ 量/ 速度/ 量/ 速度/ mm (mm/ 亿 t) mm (mm/ 亿 t) mm (mm/ 亿 t)
·水平不平顺 ———指左右轮轨接触点的轨面 高差 (不计曲线超高值) 。由于左右两股钢轨高低不 等 ,造成列车侧向倾斜和振动 。
·方向不平顺 ———在车轮作用下 ,钢轨侧面凹 凸不平 。它是由于轨头侧面磨耗不均 、轨道横向弹 性阻力不等 、扣件失效等原因造成的 ,影响车辆的横 向振动 。 1. 5 轨道接触应力加大促使钢轨塑性变形和磨损