陳穎璞，姚治鋒，張俊杰，高賢波，孫 峰

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

0 引言

城市軌道交通的快速蓬勃發(fā)展，給城市居民的出行帶來了極大方便，同時也給行車運營安全帶來較大的壓力。在城市軌道交通線路設計中，最小曲線半徑是需要考慮的重要影響因素之一；在城市土地資源日益緊張的前提下，車輛段作為大宗占地往往選擇較小曲線半徑來減少占地。國家標準GB 50157-2013《地鐵設計規(guī)范》[1]規(guī)定車場線一般地段曲線半徑不小于150 m，困難地段不做硬性要求；然而受場地限制車輛段車場線曲線半徑設置往往更小，例如廣州地鐵魚珠車輛段車場線最小曲線半徑只有65 m[2]。地鐵車輛在投入運營前需進行線路動力學性能試驗，以考核車輛運行安全性。GB/T 5599 是評定鐵道車輛動力學性能的重要方法標準，但無論舊版GB/T 5599-1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》[3]（以下簡稱GB/T 5599-1985），還是新版GB/T 5599-2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規(guī)范》[4]，其考核最小半徑曲線半徑分別為300 m、250 m，并不能涵蓋車場線曲線半徑。更小的曲線半徑，往往意味著更大的運行安全風險。馮仲偉[5]針對動車組在小半徑曲線的運行安全性進行了研究；周橙等[6]針對低地板列車通過道岔區(qū)脫軌安全性進行了研究；樊美娟等[7]對直線電機車輛側(cè)向通過小號道岔進行了動力學響應分析；李苗等[8]對地鐵列車低速動態(tài)響應進行了分析研究；但他們多采用數(shù)值模擬分析的方法，并未進行試驗驗證。胡瀚文[9]采用檢測振動加速度方式監(jiān)測走行部運行安全性；丁奧等[10]基于理論和仿真的方法研究了車輛通過S 型曲線動力學性能；楊逸航[11]研究了鋼軌打磨小半徑曲線對車輛動力學性能的影響。但他們涉及的最小曲線半徑也只有180 m。車場線是地鐵車輛運行密集的場所，并且曲線半徑更小，本文將從試驗的角度研究地鐵車輛在車場線運行安全性。

1 車輛動力學性能評價

地鐵車輛動力學運行安全性主要從脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力三方面評判，其中輪軸橫向力用于評估車輛對軌道的破壞情況，脫軌系數(shù)和輪重減載率用于評估車輛脫軌風險。

脫軌系數(shù)、輪重減載率限度值基于靜力平衡推導計算得出[12]；脫軌系數(shù)是評定車輛脫軌安全性的最重要的指標之一。脫軌系數(shù)限值和輪緣角、摩擦系數(shù)相關(guān)；當輪緣角一定時，脫軌系數(shù)限值與摩擦系數(shù)負相關(guān)。輪重減載率是在特定條件下由脫軌系數(shù)派生出來的輔助性指標，過大的輪重減載對脫軌安全性不利[13]。輪重減載率考核前提條件為車輛低速通過小半徑曲線，輪軌橫向力很小或接近于零，車輪一側(cè)輪重遠大于另一側(cè)的情況下是否會因一側(cè)車輪減載過大而導致脫軌，實際這種情況在動力學試驗中極難碰到，除非車輛極其偏載或軌道極其扭曲（例如緩和曲線極短的大超高小半徑曲線）[14]。地鐵車輛裝有空氣彈簧系統(tǒng)，具有載荷偏載平衡調(diào)節(jié)能力，且車場線小半徑曲線和道岔不設超高，輪重減載情況并不嚴重。

2 動力學試驗

本次試驗參照GB/T 5599-1985 執(zhí)行，脫軌系數(shù)限值1.2。測力輪對是測量輪軌作用力最直接最準確的方法，本次試驗采用測力輪對方法測量輪軌作用力，測力輪對參照GB/T 5599-1985 間斷測量法制作和標定。試驗車輛為6 節(jié)編組，選取中間車作為被試車，運行方向第1 位輪對（導向輪）換裝測力輪對，車編組狀況如圖1 所示。試驗路線為連續(xù)通過3 個側(cè)向5 號道岔—半徑R100 m 右曲線—側(cè)向5 號道岔—半徑R65 m 左曲線，線路示意圖如圖2 所示。曲線超高0 mm，無緩和曲線，5 號道岔導曲線半徑65.7 m，夾直線長4.5 m。試驗現(xiàn)場測力輪對和試驗設備如圖3 所示。

圖1 試驗車輛編組示意圖

圖2 試驗線路示意圖

圖3 測力輪對和測試設備

工程車推行和工程車牽引是車輛段內(nèi)兩種常用的調(diào)車方式，本次試驗圍繞兩種調(diào)車方式展開。研究了兩種調(diào)車方式、不同車輛狀態(tài)及不同軌道狀態(tài)條件下車輛運行安全性能，車輛試驗工況見表1。車輛狀態(tài)分別為整備狀態(tài)和故障狀態(tài)（被試車空氣彈簧無氣）；軌道干燥狀態(tài)為晴天進行測試；軌道濕潤狀態(tài)為雨天進行測試；軌側(cè)涂油為啟動軌道涂油裝置，當試驗車輛通過曲線時，涂油設備將潤滑油脂均勻涂抹到鋼軌的內(nèi)側(cè)面，車輪和鋼軌內(nèi)側(cè)面之間產(chǎn)生的一層油膜，使兩者之從干摩擦變?yōu)橛杏蜐櫥Σ粒卉壘嗉訉挒橄噜彽啦碇虚g夾直線部分相對原軌距進行加寬5 mm 處理，軌距由1435 mm 變?yōu)?440 mm；試驗速度分別為5 km/h、10 km/h、13 km/h、15 km/h。

表1 車輛試驗工況

對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行匯總統(tǒng)計，輪重減載率最大值為0.42，限值0.65，安全余量較大；輪軸橫向力最大值為38.48 kN，限值47.84 kN，安全余量較大。這里重點討論分析不同工況條件下脫軌系數(shù)變化情況。

圖4 所示為試驗車輛整備狀態(tài)、軌道干燥情況下，工程車牽引與工程車推行脫軌系數(shù)對比，試驗速度分別為5 km/h 和10 km/h。文中某些圖表缺失13 km/h、15 km/h 數(shù)據(jù)，是因為試驗時脫軌系數(shù)最大值接近限值而取消了對應測試。由圖4 可知，除工程車推行以5 km/h 通過5 號道岔脫軌系數(shù)超限值外，其余工況脫軌系數(shù)均在限值之內(nèi)；工程車牽引脫軌系數(shù)小于工程車推行。在試驗車輛通過5 號道岔和R65半徑曲線時，出現(xiàn)車速5 km/h 脫軌系數(shù)大于10 km/h情況，說明并不是速度越低脫軌風險越小，建議車輛整備狀態(tài)、軌道干燥情況下，調(diào)車速度保持10 km/h左右。圖5 所示為整備狀態(tài)、軌側(cè)涂油，工程車牽引與工程車推行脫軌系數(shù)對比。由圖5 可知，車輛整備狀態(tài)、軌側(cè)涂油條件下，試車車輛脫軌系數(shù)均在限值以內(nèi)。與軌道干燥條件對比，軌側(cè)涂油脫軌系數(shù)最大降幅38.9%，最小降幅8.3%。軌側(cè)涂油減小了輪軌之間的摩擦，使車輪更不容易爬軌。由圖2 可知，脫軌系數(shù)限值隨輪軌間摩擦系數(shù)的減小呈增大趨勢；軌側(cè)涂油一方面降低了脫軌系數(shù)數(shù)值，另一方面增大了脫軌系數(shù)限值，是一種能降低車輛脫軌風險有效措施。

圖4 整備狀態(tài)、軌道干燥，不同調(diào)車方式脫軌系數(shù)對比

圖5 整備狀態(tài)、軌側(cè)涂油，不同調(diào)車方式脫軌系數(shù)對比

圖6 所示為軌道濕潤、工程車推行及不同車輛狀態(tài)脫軌系數(shù)對比，試驗速度分別為5 km/h、10 km/h、13 km/h、15 km/h。由圖6 可知，試驗車輛故障狀態(tài)下脫軌系數(shù)大于整備狀態(tài)；速度13 km/h，車輛故障狀態(tài)脫軌系數(shù)為限值的92%，安全余量已經(jīng)較?。卉囕v發(fā)生空簧失氣故障時，即使在軌道濕潤狀態(tài)，調(diào)車速度不宜超過13 km/h。圖7 所示為整備狀態(tài)、工程車推行，不同軌道狀態(tài)下脫軌系數(shù)對比。由圖7 可知，相比與軌道干燥狀態(tài)，同等條件下軌道濕潤脫軌系數(shù)最大降幅34%；軌側(cè)涂油脫軌系數(shù)略低于軌道濕潤；相鄰道岔之間夾直線軌距加寬脫軌系數(shù)為限值的94%，潛在的脫軌風險仍然較大；夾直線軌距加寬并不能有效降低車輛脫軌風險。

圖6 軌道濕潤、工程車推行及不同車輛狀態(tài)脫軌系數(shù)對比

圖7 整備狀態(tài)、工程車推行及不同軌道狀態(tài)脫軌系數(shù)對比

3 討論

脫軌系數(shù)是最為直觀反映軌道車輛脫軌風險的評價指標，脫軌系數(shù)計算為輪軌橫向力除以輪軌垂向力，其數(shù)值的大小和輪軌垂向力和輪軌橫向力大小密切相關(guān)。想要降低車輛脫軌風險，可從減小輪重減載率和輪軌橫向力方向入手。輪重的增減載和車輛懸掛參數(shù)對線路扭曲的適應性相關(guān)，但車輛懸掛參數(shù)和線路扭曲均不易改動，因而想要在后期運營中調(diào)控輪重的減載并不容易。輪軌橫向力主要來自輪軌間的橫向蠕滑，其大小和橫向黏著系數(shù)相關(guān)，水、油介質(zhì)條件下會使輪軌橫向黏著系數(shù)降低[15-16]，從而減小輪軌橫向力。在車場線小半徑曲線上可以改變輪軌橫向黏著系數(shù)調(diào)控輪軌橫向力，降低車輛的脫軌風險。

圖8 所示為軌道干燥、濕潤和涂油狀態(tài)下左輪輪軌力歷程圖，圖中實線代表輪軌橫向力、虛線代表輪軌垂向力，六角星代表岔芯所在位置。試驗車輛在通過5 號道岔和R100 m 半徑曲線時左輪為爬軌側(cè)車輪，通過R65 m 半徑曲線為非爬軌側(cè)。由圖8 可知，軌道在干燥、濕潤、涂油三種不同狀態(tài)下，輪軌垂向力數(shù)值差異不大，且趨勢一致；輪軌橫向力差異較大，三種狀態(tài)下輪軌橫向力最大值分別為43.48 kN、28.48 kN、26.2 kN。軌道干燥狀態(tài)左輪（爬軌側(cè)）輪軌橫向力明顯大于軌道濕潤和軌側(cè)涂油狀態(tài)，軌道濕潤和軌側(cè)涂油狀態(tài)輪軌橫向力數(shù)值差異不大；軌側(cè)涂油和軌道濕潤狀態(tài)車輛脫軌系數(shù)小于軌道干燥狀態(tài)的根本原因在于輪軌橫向力的減??；試驗車輛除在進出道岔輪軌橫向力急劇變化外，在通過岔芯有害空間時也會出現(xiàn)類似情況，這是因為車輪在經(jīng)過岔芯有害空間時，輪軌由接觸狀態(tài)變?yōu)榉墙佑|狀態(tài)，導致輪軌橫向力的突然釋放。

圖8 不同軌道狀態(tài)下輪軌作用力歷程圖

4 結(jié)論

城軌地鐵車場線具有曲線半徑小、分布道岔多、道岔標號小的特點，采用測力輪對測量輪軌作用力的方法，研究了城軌地鐵車輛在車場線低速運行時的動力學性能，探討了不同軌道狀態(tài)、不同調(diào)車方式對車輛脫軌系數(shù)的影響，研究成果為制定車輛在車場線的安全運營的保障措施提供數(shù)據(jù)支撐。具體研究結(jié)論包括以下幾點：

（1）軌側(cè)涂油和軌道濕潤能夠有效降低車輛脫軌風險，降低脫軌風險的根本原因在于減小了輪軌橫向力，從而減小了脫軌系數(shù)。

（2）車輛段調(diào)車牽引車輛方案要優(yōu)于推行車輛方案。

（3）車輛空簧失氣狀態(tài)運行安全風險高于空簧充氣狀態(tài)。

（4）相鄰道岔之間夾直線的加寬并不能效的降低車輛脫軌風險。

（5）車輛段內(nèi)調(diào)車，并不是車速越低脫軌風險越低，建議車速控制在10 km/h 左右。