蔡永宏
深圳市地铁运营集团有限公司 广东深圳 518040
提要：近年来地铁正在大规模建设，为降低钢轨的磨耗，在选择最小曲线半径时有增大的趋势，将导致工程造价增加，成本大幅度提高。本文多方面分析轨道线路技术参数对轮轨磨耗的影响规律，从而达到降低运营成本。
关键词：小半径曲线 钢轨磨耗 允许欠超高取值 最大超高取值；
一直以来，小半径曲线是地铁重点养护维修和大修的对象，经过多年的技术经验积累，地铁的各运营单位开始重视成本核算，对比过去，我们惊人发现，成本与技术是一个不容忽视的课题。深圳地铁网络化运营里程265公里，由于列车间隔缩短，运量的提高，部分小半径曲线钢轨侧磨耗发展迅速，特别是1号线一期半径R-300 m，在很短时间里侧磨为12mm，且轨距为10mm，给维修带来很大的工作量，紧接着各线的小半径曲线侧磨耗发展很快，直接影响到运营的安全，对此有人建议修改《地铁设计规范GB50157-2003》[1]的最小曲线半径标准，将原300m提高至400m，以便改善维修的困难。但我们根据钢轨磨耗的大量研究结果，实际上提高曲线半径标准并非是降低钢轨磨耗唯一途径。具体如下：
1、轨道线路技术参数对钢轨磨耗影响规律分析
从最小曲线半径计算公式分析，当速度和半径为定值时，加大最大超高可减少允许欠超高之值。因此，降低允许欠超高同时增加最大超高，即可减低钢轨磨耗。从现行地铁设计规范最小曲线半径计算公式论证得， =11.8V2/+（以上公式中，①为满足欠超高要求的最小曲线半径，V为设计速度；②为最大超高，为允许欠超高）。从该式分析，决定速度和最小曲线半径的两个重要的平面设计参数是及。当前部分认识把钢轨磨耗过大原因完全归咎于曲线半径设置过小，然而钢轨磨耗大小除与曲线半径R有关以外，还与其它平面设计参数（、）相关，降低钢轨磨耗可通过优化及取值实现。当设有欠超高时，列车在曲线运行上会产生未被平衡的离心力，而未被平衡的离心力是产生外轨磨耗的原力，离心力F=m/R在半径一定、最大超高取定之后，降低速度就能减少未被平衡的离心力，降低欠超高从而可达到减少轨磨耗的作用。通过段固敏运用蠕滑中心法对新转8型货车转向架的导向力计算结果，其中R-200 m（-20/7.0930、0/7.3631、20/7.6202、40/7.8649、60/8.0979）；R-400 m（-20/6.6248、0/6.8835、20/7.1334、40/7.3725、60/7.5999）；R-600 m（-20/5.5615、0/5.7506、20/5.9310、40/6.1005、60/6.2583），我们可以看出导向力随曲线半径增大而减小，随欠超高减小而减小。而欠超高减少40mm引起的导向力减小值，几乎等于半径增大200m所引起的导向力减小值，可见减少欠超高对于减低磨耗较为有利。从以上公式分析，当速度和半径为定值时，加大可减少之值。因此，降低同时增加，即可减低钢轨磨耗。
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2、最有利减低钢轨磨耗的取值分析
从以上公式论证过程中得知，减低钢轨磨耗与、虽然息息相关，那么它们取值多少才最佳，我国高速铁路设计规范[3]在最小曲线半径中欠超高取值按旅客舒适度条件分三档（优秀、良好、一般），优秀值为40mm，然而在实际上其欠超高取值约略高于均衡超高的15%，在25-31毫米之间，这也说明高速铁路设置欠超高值也充分考虑到了钢轨磨耗的影响，而不仅只是考虑旅客舒适度的影响。欠超高究竟设置多少才最有利于减少钢轨磨耗，通过现场观察，完全不设欠超高所带来钢轨磨耗是比较大，普遍认为设置实设或均衡超高的10%～15%的欠超高，让列车与外轨稍微贴紧一些可减少轮对对钢轨的冲角，反而有利于降低磨耗。从实际线路来看，现行地铁设计规范只从旅客舒适度考虑确定最大欠超高：设置的超高不足时，其未被平衡的横向加速度为a，国内的实验资料表明当a=0.4m/s2时，欠超高为61mm乘客稍有感觉，不影响舒适度，因此规范规定计算列车在曲线运行速度时允许有61mm的欠超高，该规定并未考虑欠超高过大对轮轨磨耗的影响。由于地铁发车密度大，每2分钟至5分钟发一趟，欠超高引起的外轨磨耗的问题比铁路更加突出。由上可知，建议地铁的欠超高的设置不仅要满足旅客舒适度的要求，还要进一步满足尽量减少外轨磨耗的要求。
3、最有利减低钢轨磨耗设置分析
很显然增大最大超高之值是十分有益的，愈大可使半径愈小或速度愈快，或可减少之值从而减轻钢轨磨耗，因此应尽量提高。当前地铁设计规范规定最大超高为120mm，最大超高允许值主要取决于列车在曲线上停车时的安全稳定和旅客舒适度的要求，下面通过可参照国内外行业标准设置来分析。我国高速铁路根据铁科院“八五”课题研究成果参考国外的经验，规范规定最大设计超高允许值采用175mm，时速是200公里以下客货共线铁路采用的最大超高为150mm。日本新干线最大超高为180mm，德国ICE线和法国TGV线为180mm。地铁与铁路的轨距均为1435mm，地铁车辆地板处宽度为3000mm，高度≤3800mm，而高速铁路及200km/h-250km/h客运专线动车CRH1，宽3328mm高4040mm，CRH2宽3380mm高3700mm，CRH3宽3265mm高3890mm。从列车在曲线上途停的安全稳定（车体重心相差不大）和旅客舒适度的要求考虑，地铁车辆与铁路动车比较最大超高设置的影响应该相差不大。香港地铁曲线最大超高值规定也是为150mm。而目前地铁设计规范规定最大超高为120mm，本人认为偏于保守。曲线最大超高由120mm调整到150mm，对相关专业的影响都不大，即使产生个别问题都容易克服，主要问题为需保证运行在曲线上的列车的抗倾覆安全系数、脱轨系数及考虑局部隧道尺寸加大。为更加稳妥起见，可参照深圳地铁二号线二期工程在曲线地段增设防脱护轮轨，以策万一。而最大超高调整到150mm，对于小半径曲线有些地段需要加大隧道结构尺寸，增加投资也十分有限，这个问题比较容易解决。综上所述，建议将最大超高标准从120mm提高到150mm。
综合以上分析，最大超高取150mm较为合理，而允许欠超高取15～22.5mm（实设或均衡超高的10%～15%），从减低钢轨磨耗角度最为理想。但综合运营速度等因素考虑，建议将允许欠超高取为31mm，较规范值有较大降低，可大大减低磨耗。此时，在最小曲线半径300m上行车速度V 为68km/h。原地铁平面设计参数最大超高为120mm，允许欠超高为61.2mm，在最小曲线半径300m上行车速度V 为68km/h。
如此可见，按照提高最大超高减低最大欠超高的思路，调整设计参数=150mm， =31mm之后，相比原地铁设计规范，在维持相同最小曲线半径、相同行车速度前提下，可有利减低钢轨磨耗。总之，我很荣幸，虽然在探讨改善地铁小半径曲线技术参数对延长钢轨寿命的问题上取得一定成绩，并总结出解决病害思路和方法，但离彻底解决问题还有很长路要走。
参考文献：
[1]GB50157-2003，地铁设计规范[S].
[2]段固敏，许实儒.刚性转向架曲线通过的蠕滑中心法[J].兰州铁道学院学报，1993，12（2）1-9.
[3]高速铁路设计规范（试行）[S].
论文作者:蔡永宏
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第1期
论文发表时间:2019/9/3
标签：磨耗论文; 钢轨论文; 半径论文; 曲线论文; 地铁论文; 最小论文; 设计规范论文; 《建筑细部》2019年第1期论文;