地鐵車輛車場線運行安全性試驗研究

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《地鐵設計規范》[1]規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脫軌安全性進行了研究；樊美娟等[7]對直線電機車輛側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響應進行了分析研究；但他們多采用數值模擬分析的方法，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、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，脫軌系數和輪重減載率用于評估車輛脫軌風險。

脫軌系數、輪重減載率限度值基于靜力平衡推導計算得出[12]；脫軌系數是評定車輛脫軌安全性的最重要的指標之一。脫軌系數限值和輪緣角、摩擦系數相關；當輪緣角一定時，脫軌系數限值與摩擦系數負相關。輪重減載率是在特定條件下由脫軌系數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，車輪一側輪重遠大于另一側的情況下是否會因一側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，具有載荷偏載平衡調節能力，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 執行，脫軌系數限值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。試驗路線為連續通過3 個側向5 號道岔—半徑R100 m 右曲線—側向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兩種常用的調車方式，本次試驗圍繞兩種調車方式展開。研究了兩種調車方式、不同車輛狀態及不同軌道狀態條件下車輛運行安全性能，車輛試驗工況見表1。車輛狀態分別為整備狀態和故障狀態（被試車空氣彈簧無氣）；軌道干燥狀態為晴天進行測試；軌道濕潤狀態為雨天進行測試；軌側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側面，車輪和鋼軌內側面之間產生的一層油膜，使兩者之從干摩擦變為有油潤滑摩擦；軌距加寬為相鄰道岔中間夾直線部分相對原軌距進行加寬5 mm 處理，軌距由1435 mm 變為1440 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

對試驗數據結果進行匯總統計，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變化情況。

圖4 所示為試驗車輛整備狀態、軌道干燥情況下，工程車牽引與工程車推行脫軌系數對比，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 數據，是因為試驗時脫軌系數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 號道岔脫軌系數超限值外，其余工況脫軌系數均在限值之內；工程車牽引脫軌系數小于工程車推行。在試驗車輛通過5 號道岔和R65半徑曲線時，出現車速5 km/h 脫軌系數大于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、軌道干燥情況下，調車速度保持10 km/h左右。圖5 所示為整備狀態、軌側涂油，工程車牽引與工程車推行脫軌系數對比。由圖5 可知，車輛整備狀態、軌側涂油條件下，試車車輛脫軌系數均在限值以內。與軌道干燥條件對比，軌側涂油脫軌系數最大降幅38.9%，最小降幅8.3%。軌側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，脫軌系數限值隨輪軌間摩擦系數的減小呈增大趨勢；軌側涂油一方面降低了脫軌系數數值，另一方面增大了脫軌系數限值，是一種能降低車輛脫軌風險有效措施。

圖4 整備狀態、軌道干燥，不同調車方式脫軌系數對比

圖5 整備狀態、軌側涂油，不同調車方式脫軌系數對比

圖6 所示為軌道濕潤、工程車推行及不同車輛狀態脫軌系數對比，試驗速度分別為5 km/h、10 km/h、13 km/h、15 km/h。由圖6 可知，試驗車輛故障狀態下脫軌系數大于整備狀態；速度13 km/h，車輛故障狀態脫軌系數為限值的92%，安全余量已經較??；車輛發生空簧失氣故障時，即使在軌道濕潤狀態，調車速度不宜超過13 km/h。圖7 所示為整備狀態、工程車推行，不同軌道狀態下脫軌系數對比。由圖7 可知，相比與軌道干燥狀態，同等條件下軌道濕潤脫軌系數最大降幅34%；軌側涂油脫軌系數略低于軌道濕潤；相鄰道岔之間夾直線軌距加寬脫軌系數為限值的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脫軌系數對比

圖7 整備狀態、工程車推行及不同軌道狀態脫軌系數對比

3 討論

脫軌系數是最為直觀反映軌道車輛脫軌風險的評價指標，脫軌系數計算為輪軌橫向力除以輪軌垂向力，其數值的大小和輪軌垂向力和輪軌橫向力大小密切相關。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對線路扭曲的適應性相關，但車輛懸掛參數和線路扭曲均不易改動，因而想要在后期運營中調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相關，水、油介質條件下會使輪軌橫向黏著系數降低[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調控輪軌橫向力，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車輪，通過R65 m 半徑曲線為非爬軌側。由圖8 可知，軌道在干燥、濕潤、涂油三種不同狀態下，輪軌垂向力數值差異不大，且趨勢一致；輪軌橫向力差異較大，三種狀態下輪軌橫向力最大值分別為43.48 kN、28.48 kN、26.2 kN。軌道干燥狀態左輪（爬軌側）輪軌橫向力明顯大于軌道濕潤和軌側涂油狀態，軌道濕潤和軌側涂油狀態輪軌橫向力數值差異不大；軌側涂油和軌道濕潤狀態車輛脫軌系數小于軌道干燥狀態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類似情況，這是因為車輪在經過岔芯有害空間時，輪軌由接觸狀態變為非接觸狀態，導致輪軌橫向力的突然釋放。

圖8 不同軌道狀態下輪軌作用力歷程圖

4 結論

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、不同調車方式對車輛脫軌系數的影響，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據支撐。具體研究結論包括以下幾點：

（1）軌側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。

（2）車輛段調車牽引車輛方案要優于推行車輛方案。

（3）車輛空簧失氣狀態運行安全風險高于空簧充氣狀態。

（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）車輛段內調車，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。