地鐵電客車制動牽引系統與軌道動態相互作用機理及優化研究

摘 要：地鐵電客車制動牽引力作用于輪軌界面，導致輪軌動態相互作用，引起輪軌磨耗、振動噪聲等問題，不僅影響行車安全、乘坐舒適度，更縮短了輪軌系統使用壽命，增加運營維護成本。本文在闡述輪軌動態相互作用研究意義的基礎上，系統分析了輪軌垂向、橫向動態相互作用機理，揭示了制動牽引工況下輪軌動態相互作用特性，剖析了車輛、軌道、環境等因素的影響機制。

關鍵詞：地鐵 制動牽引系統 輪軌動態相互作用 影響因素

電客車制動、牽引系統作用于車輪，通過車輪傳遞到鋼軌，形成車輛運動的驅動力或制動力，這一過程雖然保證了列車啟動、制動功能，但同時引發了輪軌界面復雜動力學行為，導致輪軌磨耗、振動、噪聲等一系列問題。據有關調查，輪軌磨耗是導致輪對與鋼軌報廢首要原因，直接影響運營安全，輪軌力和振動加劇了輪軌疲勞損傷，縮短了關鍵部件使用壽命，輪軌噪聲嚴重影響乘客舒適度。

1 地鐵電客車制動牽引系統與軌道動態相互作用的研究意義

1.1 提高地鐵運行安全性

制動牽引力作用引起輪軌力變化、輪軌磨耗等問題是影響地鐵運行安全關鍵因素。掌握制動、牽引工況下輪軌相互作用規律，評估輪軌動態行為對行車安全性的影響，是判斷線路能否安全開通運營、確定線路運營安全狀態重要依據。結合輪軌動態作用機理，開展車輛－軌道耦合動力學仿真，可預測車輛運行穩定性、曲線通過性能、制動牽引性能等安全性指標，及時發現安全隱患并采取針對性運營控制措施。對運營線路開展定期檢測，獲取輪軌接觸狀態、輪軌力等動力學參數，可及時掌握線路服役性能退化狀況，輪軌動態相互作用研究是提高地鐵運行安全性重要技術支撐。

1.2 降低輪軌動態作用力

輪軌動態作用力過大是造成輪軌磨耗、疲勞損傷等問題根本原因，頻繁啟停車工況導致制動、牽引力變化劇烈，引起輪軌法向、切向力顯著變化。制動、牽引力產生附加輪軌力疊加在輪軌常態力之上，顯著增加了輪軌應力水平，加劇了輪軌磨耗、塑性變形等表面損傷及疲勞裂紋萌生，切向蠕滑力引起車輪與鋼軌之間相對運動，加速了輪軌表面材料剝離、點蝕，惡化了輪軌表面質量。降低輪軌動態相互作用力，對于改善輪軌接觸狀態，減輕輪軌磨耗、疲勞等損傷具有重要意義，建立輪軌動力學模型，開展輪軌力動態響應分析，對車輛懸掛參數、鋼軌支撐剛度等進行優化匹配，能夠抑制輪軌力劇烈波動，降低輪軌動態作用力水平，同時通過優化車輛牽引、制動工況，平穩車輛啟停車過程，亦能有效降低輪軌瞬態沖擊載荷。

1.3 延長輪軌系統使用壽命

頻繁制動、牽引工況下輪軌沖擊磨損、疲勞損傷是縮短輪軌使用壽命主因。在輪軌動態相互作用下，制動、牽引力周期性變化導致輪軌表面疲勞裂紋擴展加速，降低了輪軌抗疲勞性能，制動器摩擦副制動時釋放熱量導致車輪熱斑、熱裂紋，使車輪失效模式由磨耗失效轉變為疲勞失效，大幅縮短了車輪使用壽命。據統計，正常情況下地鐵車輪可使用8萬-10萬公里，但由于制動器熱量作用，車輪壽命僅為3萬-4萬公里，導致車輪更換頻次大幅增加，嚴重影響列車運營，可見，緩解輪軌動態相互作用，延長輪軌使用壽命，對于降低運營維護成本至關重要。

1.4 提升乘客乘坐舒適度

在制動工況，車輛產生強烈顛簸感，尤其在曲線、道岔等處，更容易引起車輛蛇行、搖頭等異常運動，導致車廂振動加劇。而在牽引工況，牽引電機輸出轉矩波動又會通過傳動系統、輪對作用于鋼軌，引起軌道高頻振動，嚴重時可導致地鐵周邊建筑二次振動。輪軌高頻振動極易引發尖嘯噪聲，再加上制動器、牽引電機噪聲，導致地鐵車廂噪聲高達85分貝以上，嚴重影響乘坐舒適度，開展輪軌動態相互作用機理及規律研究，可揭示地鐵振動噪聲問題成因，為采取針對性降噪減振措施提供理論指導。如通過優化制動、牽引系統匹配，降低制動、牽引激勵源強度，在輪對和鋼軌處布設阻尼減振器，抑制輪軌振動傳播，在車輪、鋼軌表面涂覆阻尼材料，加快輪軌振動衰減等，均可顯著改善車廂振動、噪聲環境[1]。

2 地鐵電客車制動牽引系統與軌道動態相互作用機理研究

2.1 輪軌垂向動態相互作用機理

輪軌垂向動態作用是輪軌動力學研究基礎，對車輛動力學行為、輪軌磨耗、振動等有重要影響，受輪軌材料、幾何不平順等因素影響，電客車車輪與鋼軌在垂向上存在一定波動，導致輪軌法向力呈現周期性變化。為研究輪軌垂向動態作用，需構建車輛－軌道垂向耦合動力學模型，將車輛簡化為多剛體系統，考慮車體、構架、輪對垂向自由度。軌道則簡化為彈性地基上考慮鋼軌垂向振動，采用模態疊加法描述鋼軌振動位移，在車輪與鋼軌之間施加非線性彈性接觸力，采用非線性彈性接觸理論描述。引入輪軌隨機不平順譜密度函數，研究在軌道不平順激勵下輪軌垂向相互作用動態特性，基于所建模型，推導車輛－軌道耦合系統動力學方程，數值求解輪軌力隨車速、輪軌材料屬性、懸掛參數、軌道不平順等變化規律。

2.2 輪軌橫向動態相互作用機理

地鐵線路普遍存在大量小半徑曲線，受離心力作用，車輛通過曲線時輪軌界面產生較大橫向蠕滑力。該力一方面引起輪軌橫向振動，加劇車內噪聲，另一方面導致輪軌表面發生塑性流動，加速車輪踏面與鋼軌軌頭磨耗，研究輪軌橫向動態相互作用機理，對于抑制輪軌振動、降低輪軌磨耗極為重要。分析輪軌橫向動態相互作用，需考慮車輛在曲線上轉向架回轉、車體側滾等自由度，通常采用準靜態法，將輪對視為一個剛體，忽略輪軸彈性變形，計算某一瞬時車輪對鋼軌法向力和蠕滑力。建立車輛－軌道空間耦合動力學模型，同時考慮輪對橫移、搖頭、軌道橫向位移等自由度，并考慮軌道不平順、軌距變化、軌向不穩定性等因素影響。

2.3 制動牽引工況下輪軌動態相互作用特性

與高鐵相比，地鐵運營過程中頻繁采用大牽引、大制動力，導致制動、牽引工況下輪軌動態相互作用更加劇烈，輪軌磨耗、疲勞損傷加劇。針對制動、牽引工況開展輪軌動態相互作用特性研究，對于緩解輪軌動態作用、延長輪軌使用壽命極為關鍵。制動工況下，閘片與制動盤之間摩擦力矩傳遞到輪對上，使車輪與鋼軌之間產生附加切向力，導致輪軌法向、切向力動態變化，當列車緊急制動時，由于施加制動力矩過大，常引起車輪與鋼軌之間相對滑移，造成車輪打滑、鎖定，加劇輪軌磨耗。可通過閘片材料改性、制動盤通風等措施降低制動副溫升，改善車輪熱斑、熱裂紋問題，優化制動力施加模式，避免瞬時沖擊載荷，亦可顯著改善輪軌動態相互作用[2]。

3 地鐵電客車制動牽引系統與軌道動態相互作用影響因素分析

3.1 車輛因素

車輛懸掛參數，一級懸掛剛度、阻尼系數大小直接影響輪軌動態作用力，軟化一級懸掛，可有效衰減來自輪軌不平順、蠕滑等引起的振動，降低輪軌動態載荷，但懸掛過軟又會造成輪對橫向穩定性下降，加劇輪緣與鋼軌軌角沖擊磨損。輪軌幾何廓形匹配關系，合理輪軌型面匹配，可改善輪軌接觸狀態，減小輪軌應力集中，延長輪軌使用壽命，而不合理輪軌型面設計，如我國部分地鐵采用LM型車輪踏面，在其與60kg/m鋼軌配合時，在車輪踏面中部形成條帶狀接觸，引起附加應力集中，加速輪軌疲勞損傷。車輛結構參數，轉向架構架橫向、搖頭剛度對輪軌橫向相互作用影響顯著，提高構架橫向、搖頭剛度可有效抑制輪對橫向蛇行運動，但剛度過大又可能引起輪軌沖擊載荷，車體質量亦會影響輪軌動態載荷，提高車體質量，可降低輪重動態波動，但質量過大又會引起軌道壓力增大。

3.2 軌道因素

鋼軌材料及硬度，提高鋼軌強度和硬度，可顯著提高軌道抗磨耗、抗塑性變形能力，但硬度過高又會降低鋼軌韌性，加速疲勞裂紋擴展，鋼軌材料與硬度需要兼顧耐磨性和抗疲勞性，優化輪軌界面摩擦、磨耗狀態。軌枕類型及間距，軌枕類型影響軌道剛度，混凝土軌枕剛度大、減振性能差，易引起輪軌高頻振動，木枕則柔性好、減振性能佳，但剛度不足，軌枕間距影響軌道不平順及軌道變形，間距過大，易引起鋼軌懸跨振動，加劇輪軌動態載荷。道床類型及厚度，道床厚度影響軌道彈性及長波不平順，道床厚度不足，易引起軌道剛度增大、輪軌沖擊載荷，厚度過大又會引起道床沉降、軌道變形加劇，砂礫道床柔性好、減振性能佳，但易發生不均勻沉降。

3.3 環境因素

溫度環境溫度顯著影響輪軌蠕滑特性，夏季高溫環境下，輪軌界面潤滑狀態改變，黏著系數降低，更易引發輪軌打滑問題，高溫環境加劇了鋼軌波浪形磨耗發展，冬季低溫環境下，鋼軌韌性下降，更易發生斷裂。濕度環境濕度影響輪軌界面潤滑狀態，進而影響輪軌磨耗，一般認為，軌面水膜厚度超過100μm時，會大幅降低輪軌粘著系數，引起輪軌打滑，在隧道內潮濕環境，水汽易凝結在鋼軌表面，需采取除濕措施。風沙地鐵線路穿越沙塵較大地區時，風沙攜帶顆粒物易嵌入車輪與鋼軌間，加劇輪軌磨耗，當風沙顆粒物過多時，甚至會引起輪軌表面微觀切削、犁溝等損傷，需做好除沙防塵工作[3]。

4 地鐵電客車制動牽引系統與軌道動態相互作用的優化策略

4.1 制動牽引系統優化控制

制動牽引力合理調控是降低輪軌動態作用力、改善車輛平穩性的關鍵。針對制動系統，優化制動力矩施加模式，避免瞬時沖擊載荷，平穩施加制動力矩，匹配閘片-制動盤摩擦副材料，提高摩擦因數穩定性，降低制動熱量集中，改進制動盤通風散熱性能，降低制動時車輪熱斑、熱疲勞問題，引入閉環反饋控制，實現制動力矩與車輪－鋼軌膠著狀態協調配合，避免因施加過大制動力矩引起車輪打滑、鎖死。針對牽引系統，優化牽引電機功率、齒輪箱傳動比匹配，實現牽引力平穩輸出，采用逆變牽引技術，提高牽引力動態調節性能，優化牽引逆變器控制策略，引入輪軌粘著控制，抑制輪軌蠕滑打滑，匹配車輛軸重、粘著特性，避免超過車輛粘著極限施加牽引力。

4.2 輪軌減振降噪技術

4.2.1 輪對減振

輪對是輪軌系統振動主要激勵源，輪對減振可有效抑制輪軌高頻振動、輪軌噪聲。研究表明，在輪對上布置阻尼鋼板、調諧質量塊等輪對減振器，可顯著抑制輪對徑向振動和彎曲振動，改善輪軌接觸應力狀態，降低輪軌動態作用力3-5dB。減振環形橡膠墊安裝在車輪與輪軸之間，可降低輪軌高頻振動5-10dB，車輪阻尼鋼板通過在車輪腹板開設狹縫，粘貼高阻尼層，可有效抑制輪對振動15-20dB，輪對減振技術可顯著抑制輪軌噪聲、改善輪軌動態相互作用[4]。

4.2.2 鋼軌減振

鋼軌作為輪軌系統振動傳遞通道，其減振對降低輪軌動力作用、延長鋼軌使用壽命至關重要，鋼軌減振通過在鋼軌底部設置阻尼墊或分散元，抑制鋼軌振動傳播。如在鋼軌底部設置阻尼橡膠墊，可有效衰減鋼軌振動3-5dB，鋼軌動態吸振器利用慣性振動原理，可抑制鋼軌特定頻率振動15-20dB。浮置板軌道結構將鋼軌支撐在柔性浮置板上，可顯著降低鋼軌剛度和輪軌沖擊載荷，隔離減振效果顯著。鋼軌阻尼鋼板粘貼在鋼軌腰部，利用黏彈性阻尼原理，可有效抑制鋼軌振動，鋼軌減振技術可從振動源、傳播通道等方面入手，全方位抑制輪軌振動。

4.2.3 輪軌摩擦調控

輪軌界面摩擦磨損是引起輪軌動態載荷、噪聲主因，輪軌摩擦調控對改善輪軌動態相互作用至關重要。優化輪軌潤滑，控制輪軌界面油膜厚度，研究表明，控制油膜厚度在一定范圍內，既可降低輪軌磨耗，又能保證足夠輪軌粘著力，避免打滑。表面改性強化，提高車輪、鋼軌表面耐磨性和疲勞強度，等離子熔覆、激光熔覆等表面改性技術，可賦予車輪、鋼軌表面優良耐磨、抗疲勞性能，優化輪軌型面匹配，均勻輪軌接觸應力，如采用低應力車輪踏面，可顯著降低輪軌應力集中，延長使用壽命。

4.3 軌道養護維修管理

4.3.1 鋼軌打磨

鋼軌打磨是控制軌面波浪形磨耗、改善輪軌動態相互作用的重要手段。鋼軌打磨可去除軌面波浪形磨耗，恢復光滑軌面型線，改善輪軌接觸狀態，鋼軌打磨可消除鋼軌表層損傷、氧化層，暴露新金屬表面，增大軌面摩擦因數，提高輪軌粘著特性，但需注意，打磨深度過大，會傷及鋼軌基體，加速鋼軌磨耗。需根據不同線路實際情況，合理制定打磨周期、打磨深度，國內外普遍采用預防性打磨策略，在鋼軌磨耗發展到一定程度前，進行常態化打磨，可顯著降低鋼軌磨耗進程、延長鋼軌使用壽命。如德國漢堡地鐵實施預防性打磨后，鋼軌使用壽命由40萬km延長至100萬km，我國廣州地鐵開展了有益嘗試，取得了良好維護效果[5]。

4.3.2 軌道幾何狀態修正

軌道不平順、軌向不穩定性是加劇輪軌動態作用、引發車輛振動主因。軌檢車定期檢測軌道幾何狀態，發現短波不平順、軌向不穩定性及時處置，是保障車輛運行平穩性關鍵，一般采用搗固、推擠等方法修正軌道幾何狀態。如采用液壓推擠器對軌枕、道床進行局部搗固加固，恢復軌道變形，利用液壓千斤頂推正軌道，恢復軌道定位，對于嚴重下沉、側移路段，需進行抬道、調軌作業。加強養護，及時清篩道砟，補充道床厚度，可從源頭預防軌道不平順問題，加強無縫線路鎖定力檢測，避免因鎖定力不足引起鋼軌爬行、鼓縫等現象，亦可顯著改善輪軌動態相互作用，軌道幾何狀態精準把控與動態修正，是確保輪軌動態相互作用良好基礎。

5 結語

隨著軌道交通裝備技術發展，輪軌動力學研究已由傳統理論分析、臺架試驗向數值仿真與線路試驗方向拓展延伸。數值仿真技術進步使得考慮車－軌耦合作用、多場耦合、多體動力學等復雜機理成為可能，可從機理層面深化對輪軌動態相互作用行為系統認識。而不斷完善輪軌動力學線路試驗技術，又為輪軌系統動態性能評估提供了重要試驗數據支撐。

參考文獻：

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[3]劉金鵬，龔雪飛，孫昂德.多級浪涌保護器在地鐵車輛牽引系統配置研究[J].通訊世界，2024，31（4）：172-174.

[4]孫長江，師蔚，廖愛華，等.基于耦合模型的地鐵牽引電機軸承復合缺陷振動特性分析[J].噪聲與振動控制，2024，44（3）：138-145.

[5]劉子其，劉剛，王洋，等.永磁牽引系統逆變器優化設計及強度分析[J].現代機械，2024（4）：57-62.