地铁直线轨道钢轨波磨影响参数研究

王凯

西安市轨道交通集团有限公司运营分公司  陕西省西安市  710000

摘要：地铁是城市化进程中一种有效的出行方式，可以满足人们对于出行的要求，为了确保地铁运行安全以及乘车人员的出行安全，就需要加强对地铁轨道设备性能的相关研究。本文采用车轨耦合动力学模拟和轨道结构冲击磨损分析模型，探讨轨道构造不同参数和列车行驶能力对钢轨波磨形成的问题，通过对比计算结果可以看出，在对支撑面和导轨分别具有接触结构和紧固连接模型中，接触结构模型结果较为理想。

关键词：地铁；直线轨道；钢轨波磨；影响参数

引言

近十年来，随着人们生活质量的提升，以及城市化建设的逐渐增强，人们对于地铁轨道交通的运行安全性重视也有所提升，城市轨道交通也在城市交通管理中担负重大的任务。地铁钢轨磨损主要是其本体材质结构、后续列车磨耗、养护不到位等问题的综合体现，磨耗不但会造成钢轨伤损，直接造成的轮轨接触噪音较大，因此，带来的刺耳噪音污染，影响乘客体验，如演变为轨道断轨等故障，还有可能因此造成列车脱轨，不容忽视，而对于一段刚投入使用的轨道交通线路而言，这种波浪状铁轨破损的产生可能是瞬间的，也可能是长期逐渐造成的，对于细小的波纹则可以使用打磨去除，更严重的情况可以替换铁轨[1]。

一、地铁直线车辆与轨道模型

1.1车辆模型

本论述主要以地铁A型车为主要研发目标，使用多体动力学软件构建车辆模型，在构建的模型中，车辆按照每转向架两个车轮，共计四个车轮的参考模型，通过对一定速度下的车辆走行结构与钢轨受力情况为切入点，车辆各项参数尺寸以A型车标准为依据。

1.2轨道模型

在建立地铁直线轨道模型期间，就可以采用柔性的轨道方式进行测试，对于涉及的相关扣件部分也需要进行模拟演示。同时，作为动力学模型的一个子系统设计而言，在实际道床板断面设计期间，应做好其尺寸的设计，具体可以把尺寸设计在2700mm×300mm，各参数如表1所示[2]。

表1轨道结构参数

参数	数值
钢轨弹性模量（Pa）	2.059×1011
钢轨泊松比	0.3
钢轨密度（kg/m）	7800
道床板弹性模量（Pa）	3.25×1010
道床板泊松比	0.25
道床板密度（kg/m3）	2400
地基支撑刚度（N/m）	1.7×108
地基支撑阻尼（N.s/m）	3.1×104

二、地铁直线轨道结构参数

2.1轨道结构参数变化

目前我国地铁轨道在实际运行期间为提升地铁轨道的运行质量，就需要加强对相关结构参数的变化研究，根据不同区段内的减振要求，应进行相应的研究分析。在实际测量期间，应根据扣件的减振性能进行测量，本文主要选取扣件垂向刚度KRZ、垂向阻尼CRZ、横向刚度KRY、横向阻尼CRY、纵向刚度KRX、纵向阻尼CRX、扣件间距d以及轮轨摩擦因数μk进行相应的分析。

2.2扣件横向刚度

地铁直线地段轨道钢轨波磨的发生会严重影响其实际运行效果，基于确定其他重要控制参数不变的情况下，就可以通过图1所述的杆件连接横向刚度进行测量，即可观察在轮轨光斑下摩擦能量的改变，并对其进行频域变化，探讨在相应频率下钢轨波磨能量改变和作用情况。经过图1的分析可以得知，在为不同小杆件搭设侧向刚性时，最小轮轨也会发生一定的变化情况，在小横杆侧向刚度低于5MN/m时，其内摩擦功率，变动范围也就较小。在对扣件横向刚度测量期间，如果杆件的横向刚性为5MN/m，则所相应的摩擦功率矩形波则很小，经由此研究可以有效证实，在同一特征以及同一频率的影响下，就需要对存在的问题进行有效解决，如果出现杆件横向高度过高的问题就需要及时采取防治措施，因为这并不利于地铁轨道的正常运行。此外，随着扣件横向刚度的逐渐增加，其摩擦功率也会发生相应变化，但是其变化频率较小，由此可知，扣件的横向刚度对地铁直线轨道钢轨波磨参数的变化影响也较小。

图2 杆件连接横向刚度

三、车辆运行速度

本文重点分析地铁直线轨道钢轨波磨影响参数，以及地铁轨道的实际行驶速度与钢轨磨耗之间的关系，一般情况下，地铁轨道在40km/h、50km/h、60km/h、70km/h和80km/h行驶速度的情况下，其轮轨接触光斑内摩擦力也会出现一定程度的变化，针对出现的变化情况应该进行及时且有效地分析，在对其进行频率研究期间，就可以准确探讨在各种频率下钢轨波磨的产生，以及钢轨波磨演变的规律变化[4]。由此可见，在维持其他控制变量不变的前提下，通过调整运动速率，可以绘制摩擦频率的时程变化曲线图和频率曲线示意图，见图1。本文通过对表1、表2、以及图1的研究中可以得知，地铁轨道在实际运行期间可能会对钢轨波磨的相关参数产生一定的影响，这可能影响地铁轨道正常运行的效果，经由本文研究证实，特征的频率与振动情况具有直接关联，当特征频率所涉及的冲击能力峰值越高，地铁轨道在实际运行期间的振动能量也会出现明显的提升，因此，钢轨磨损程度就越大。根据地铁直线轨道钢轨波磨影响参数进行相关分析就可以发现铁轨磨损的增加将继续促成钢轨波磨的形成与演化。

结束语

综上所述，地铁轨道是人们出行的一种有效手段，为保证地铁轨道在实际运行期间的效果，本文通过对地铁直线轨道钢轨波磨影响参数研究后，采用动态车辆－轨道相互作用模拟的模型进行研究，其中包括轨道结构碰撞与磨损分析的模型，并通过控制变量法对轨道系统的各种参数进行研究。在实际研究期间应针对不同的控制变量数据分析具体情况，经由本文研究发现，轮轨接触点的磨擦能力随时间而有相应的变动，且与波动区域全摩擦力地变化相对一致，说明其余变量对钢轨波纹的主要特征频率变化并没有影响。

参考文献

[1]寇婷婷.地铁小半径曲线轮轨界面摩擦管理对钢轨波磨及噪音的控制研究[J].中国设备工程,2021,14(6):14-16.

[2]王蕊.城市轨道交通钢轨波磨诱发的轮轨噪声特性研究[J].城市轨道交通研究,2022,25(10):6-28.