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摘要：在我国经济持续发展的推动下，人们的生活质量得到显著提升，并对城市交通和公共设施建设提出更高的需求。近年来，我国城市轨道交通得到快速发展，不仅为人们出行提供便利的交通条件，提高人们生活质量，还有效推动城市化发展进程，对我国社会、经济的持续发展具有至关重要的作用。现阶段，如何降低城市轨道交通路线的磨耗量，提高轨道车辆的运行质量，已经成为当今社会广泛关注的主要课题，并受到人们的普遍重视。本文主要就我国城市轨道交通线路轨底坡对钢轨磨耗情况进行分析，希望对日后的相关研究有所帮助。
关键词：城市轨道；交通线路；轨底坡；钢轨磨耗
随着我国城市化建设的不断深入，交通事业得到快速发展，并为人们出行提供了便利条件。近年来，城市轨道作为主要交通运输工作得到人们的广泛关注，并对轨底坡造成的钢轨磨耗情况进行调查和分析，从而得出轮轨的磨损是交通运输中最大的资金消耗。为了降低轨道的维护成本，给人们提供便捷、安全的交通环境，轨道交通技术人员不断提升专业素养，强化业务能力，调整轮轨几何参数设置，以减缓轨底坡对轮轨的磨耗。
1.我国城市轨道交通线路轨底坡对钢轨磨耗的简要分析
近年来，为了提升城市轨道交通运行质量，促进交通事业的不断发展，国内外轨道研究专家从不同角度对轮轨的磨耗情况进行分析。其中，张剑在《车轮型面数值优化技术》中提出，改善铁路车轮面积受力值。金学松在《两种型面轮轨滚动接触应力分析》中利用滚动接触理论分析了磨耗型轮轨和锥形轮轨于钢轨之间的作用力设置，并充分分析了不同型面轮轨在运行中的位置和受力情况，为以后轨道交通线路的研究提供参考依据。赵伟在《有轨电车轮轨型面匹配问题的研究》中提出，利用车轮踏面和钢轨型面进行有限元模型建设，并在论文中分析了发生旧轮挤飞的原因。此外，还有许多轨道研究专家通过轨底坡对钢轨磨损进行现场试验，从而对钢轨磨损原因、数据参数等进行收集和分析，为提升轨道运行质量，降低钢轨磨耗提出准确的参考依据。
2.轮轨接触位置分析
20世界60年代，为了满足车轮运行需求，提高轨道运行质量，我国将原来1：20轨底坡，改成1：40轨底坡。本文通过对0、1：40、1：20这三种不同轨底坡对钢轨磨损情况进行分析，并在实验中采用标准的轨道轮轨和车轮，钢轨采用标准的50kg/m钢轨。通过现场实验得出，在无轨底坡时，城市轨道的轮轨中心线主要是沿着钢轨内侧运行，当车轮逐渐贴靠钢轨运行时，车轮边缘与内侧钢轨会出现严重磨损。在1：40轨底坡时，城市轨道的轮轨运行速度趋于匀速，并主要沿着钢轨的中部运行，且在车轮运行过程中发生的轮轨磨耗情况也比较均匀。在1：20轨底坡时，城市轨道的轮轨运行分布极为不均匀，并主要沿着钢轨的外侧运行，对轮轨和车轮都造成较为严重冲击。通过对轮轨接触位置的分析得出：在城市轨道运行中，无论轮轨处于中心位置还是边缘位置，随着轨底坡的不断增大，轮轨的接触位置就会不断向钢轨外侧移动。在无轨底坡时，轮轨的接触位置更倾向与钢轨运行的内侧；在1：20轨底坡时，轮轨的接触位置更接近于钢轨运行的边缘；在1：40轨底坡时，轮轨的接触位置接近于钢轨的中部进行运行，并磨损情况较为均匀，更适合应用于城市轨道交通运行当中。
3.有限元模型的建立
为了更准确对城市轨道交通线路轨底坡对钢轨磨耗情况研究，满足磨耗计算精确度的要求，我们对集中轮轨接触面分别进行了有限元模式建立。这样不仅有效缩短了计算时间，提高计算精度，还能为今后的钢轨磨耗提供相关的研究依据，促进我国交通事业的快速发展。
首先，在进行网格划分时，我们对钢轨接触区的网格进行细密划分，并将网格长度设置为1毫米，而将非接触器的网格长度匀速扩大，从而建立成接触区、非接触器、钢轨的三维有限元实体模型。同时，将车轮内距设置为1380毫米，车轮直径为340毫米，钢轨距离为1435毫米。
其次，在进行有限元模型建设过程中，将摩擦系数设置为0.3，物理弹力量为205Gpa，泊松比为0.3，屈服极限值为690Mpa，并利用Von Mises屈服准则，进行等效应力计算。
再次，将城市轨道车轮和钢轨所承受的作用力设为10t，且沿着垂直方向运动，车轮的两端作为主要承受力，当车辆运行至曲线路径时，城市轨道车轮与钢轨之间会差生较大的横向作用力，其物理作用力公式为：F = v2。其中，m为城市轨道车辆的质量，v为车辆在曲线路径时的速度，并将运行时间设置为30km/h，r为曲线路径的半径长，在这里我们将其设置为19m。将数值带入公式中得出F=36550N。
最后，通过对城市轨道交通线路轨底坡进行有限元模型建设参数得出，当城市轨道进行曲线路径运行时，如果不铺设轨底坡，那么在车轮与钢轨就会出现运行位置偏移，增加钢轨磨耗程度。当曲线路径钢轨财通不同轨底坡时，1：40轨底坡的接触面积最大，受物理作用力最小，与我国城市轨道交通运行轮轨最为匹配。同时，为了降低交通线路轨底坡对钢轨的磨耗，在有限元模块建设过程中，还可以适当增加曲线路径内侧的轨底坡，改善我国城市轨道交通线路轨底坡对钢轨的磨耗情况。
4.我国城市轨道交通线路轨底坡对钢轨磨耗的作用
4.1、无轨底坡时轮轨接触状态分析
当我国城市轨道处于无轨底坡时，轮轨的接触位置处于钢轨的中心位置，并随着车辆的不断运行，处于中心位置的轮轨接触斑更靠近钢轨的内侧。而处于边缘位置的轮轨接触斑则趋于钢轨的边角处。通过对两种不同位置的接触斑进行比较，当城市轨道处于无轨底坡状态时，车辆无论是在直线运行还是曲线运行，车轮与钢轨的接触点都主要集中在钢轨的内侧。长此以往，随着城市轨道交通的不断运行，钢轨内侧就会被磨出光滑区域，并在轮轨等效应力作用下，两种位置的物理作用力远远超越了钢轨的屈服极限，从而造成车轮飞边或剥离现象，不仅对乘客的人身、财产等造成威胁，还为城市轨道交通线路运行埋下安全隐患，不利于我国和谐社会、健康出行目标的实现。
4.2、不同轨底坡对轮轨接触状态的影响
通过对1：40轨底坡和1：20轨底坡接触斑的对比得出，无论轮轨的接触位置在钢轨中心还趋于边缘，轮轨都会随着轨底坡的变大而逐渐向钢轨外侧移动。当城市轨道处于无轨底坡时，轮轨的接触斑逐渐趋于钢轨内侧运行；当城市轨道处于1：40轨底坡时，轮轨的接触斑趋于钢轨中心部分运行；当城市轨道处于1：20轨底坡时，轮轨的接触斑趋于钢轨的外侧运行。此外，当城市轨道车辆的车轮与钢轨在运行中趋于贴近时，无轨底坡的接触斑逐渐向钢轨外侧移动，1：20轨底坡会在钢轨面型中出现两个接触斑，从而更好证明了不同的轨底坡所产生的等效应力和接触面积有所不同。
此外，从表1的参考数据得出：当城市轨道车辆的轮轨处于对中位置时，1：20轨底坡和无轨底坡的接触面积小，且1：40轨底坡以302mm2的接触面积大幅度领先，更适用于城市轨道交通运行当中。从使用年限和承载力度方面来看，较小的接触面积会加大接触面积的接触应力，制约城市轨道交通运行的稳定性。从表1可以看出，1：20轨底坡和无轨底坡的接触应力以439.6MPa和750.4MPa远远大于1：40轨底坡接触应力的419.9MPa。当车轮与钢轨趋于贴靠时，1：40轨底坡时的接触面积129mm2，最大接触等效应力716.6MPa更稳定，对钢轨造成的磨耗程度相对较低。
4.3、曲线段内侧钢轨轨底坡的取值对轮轨磨耗的影响
城市轨道车辆当运行至曲线路径时，由于车轮与钢轨会发生巨大的摩擦，加大作用力，从而致使轮轨的磨耗加重。近年来，为了减缓轨底坡对钢轨的磨耗，降低铁路交通的维护成本，技术人员在设置钢轨轨底坡时，逐渐增大曲线段内侧钢轨的接触面积，加大曲线段外侧的车轮运行半径，完善轨底坡设置取值，减缓对钢轨的磨耗。同时，为了进一步改善我国城市轨道交通线路磨损情况，国家交通部门曾对大秦线、滨绥线以及津浦线的内股钢轨磨耗情况进行分析，如表2。
通过对数据比较得出，1：40轨底坡的耐磨效果与使用寿命要高于无轨底坡和1：20轨底坡，能够有效降低对钢轨的磨耗量，更适用于我国城市轨道交通运输当中。
结束语：
综上述所，随着我国城市化建设的不断深入，人们对交通运输质量和运输安全提出了更高的要求。本文通过对城市轨道交通线路轨底坡对钢轨磨耗情况进行分析，并在钢轨设置过程中，合理调配轮轨运行参数，提高相关技术人员的专业素养和专业水平，强化城市轨道交通的运行能力，降低轨底坡对钢轨的磨耗，从而在提高我国城市轨道交通线路运行质量，为人们提供优质交通服务的同时，促进我国交通事业的快速发展。
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论文作者:吴俊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
标签：钢轨论文; 磨耗论文; 城市轨道论文; 车轮论文; 路轨论文; 交通线论文; 位置论文; 《基层建设》2018年第5期论文;