摘  要： 文章介绍了国内外不同踏面形状与不同轨底坡钢轨的几何匹配特性， 并给出了印度新德里古尔冈项目 1∶20 的轨底坡相匹配的建议踏面形状，为地铁车辆在国外线路运营提供参考。

关键词： 轨底坡； 车轮； 踏面； 匹配特性

 

      国内城市轨道交通的轨道铺设基本上采用 1∶40 的轨底坡，有多种踏面与其匹配，并且具有丰富的运营经验，但在轨底坡为 1∶20 轨道上运营的经验较少。 本文以印度新德里古尔冈项目为例， 对两种轨底坡对不同踏面的影响进行分析。

      印度新德里古尔冈项目线路的轨底坡为 1∶20，轮对内侧距为 1 360 mm， 轨道横截面符合 UIC 60 标准，而国内地铁轨道的轨底坡基本上为 1∶40， 轮对内侧距为 1 353 mm，这两个参数的改变导致了踏面和 UIC 60轨面匹配关系发生很大的改变。 分别对 DIN 5573-E1425-135-1360、UIC 510-2 Appendix B - UIC/ERRI、EN 13715-S1002 以及 TB/T 449—2003 中的 LM 磨耗型踏面形状进行了对比，前 3 种踏面都是 S1002 踏面。因此本文只作 DIN 5573 与 LM 磨耗型踏面的对比分析，LM 磨耗型踏面参考标准为 TB/T 449—2003， 是车轮在轨道上磨耗达到稳定时的车轮形状。

 

      印度新德里古尔冈项目的线路特点是： 整个线路长度在 6.5 km 左右，环形线路，小半径曲线多，轮缘和轨侧磨耗是车轮和轨道磨耗的主要表现形式。 针对这种线路，应该相对提高车轮的等效锥度，以便车辆更容易通过小半径曲线。

      为了使车辆在运行中能够更加安全、平稳、轮轨作用力小、磨耗少，则需要对车轮的踏面进行选择分析以更好地和钢轨匹配，适应线路。 现对 DIN 5573、LM 磨耗型踏面与轨底坡为 1∶20、轮对内侧距为 1 360 mm 的UIC 60 踏面进行对比分析。

      图 1 为 DIN 5573 和 LM 磨耗型踏面在同一坐标下的对比图。 DIN 5573 型踏面的轮缘高为 28 mm、厚度为 32 mm，LM 磨耗型踏面的轮缘高为 27 mm、 厚度为32 mm，在轮缘侧曲线基本重合 ，但 DIN 5573 型踏面与水平面的夹角明显比 LM 磨耗型踏面要小。

      图 2 为轮对内侧距为 1 353 mm 的 DIN 5573 型踏面与轨底坡为 1∶40 的 UIC 60 轨面的匹配关系。 由图 2可以看出：轮对在横移量为 4 mm 以内时，等效锥度、接触角均较小， 可保证车辆在直线上能够具有较高的平稳性；而横移量达到 4～5 mm 时，轮对的等效锥度、接触角均开始增加， 可使车辆的运行具有良好的曲线通过性能， 即让轮对与钢轨以较小的轮缘接触力平顺通过较小半径的曲线轨道， 减小轮缘和钢轨侧面的磨耗。 由轮轨接触图可以看出，轮轨接触点分布合理，在高接触应力区域接触点分布较为分散， 车轮踏面磨耗均匀。

      图 3 为轮对内侧距为 1 360 mm 的 DIN 5573 型踏面与轨底坡为 1∶20 的 UIC 60 轨面的匹配关系。印度线路的轮轨间隙的标称值为 5.5 mm，由于轨底坡、轮对内侧距的改变，轮对的等效锥度、接触角曲线以及接触关系发生了明显的变化： 轮对的横移量在 6 mm 以内时，等效锥度、接触角均较小，这样踏面在曲线通过时导向性较差， 主要由轮缘提供未平衡的离心力，这将增加车辆通过曲线的难度，必然导致轮缘与钢轨的接触和蠕滑，造成轮缘的快速磨耗，并且形成高频的尖啸声。由轮轨接触图可以看出，轮轨接触点在踏面和轨面很小的区域内，分布不合理，在高接触应力区域接触点分布较为集中， 形成踏面局部磨耗。

      由此上分析可以得出，DIN 5573 型踏面形状与 1∶20的线路匹配性不理想。 印度线路与国内的地铁线路相比，曲线多、曲线半径小，采用 DIN 5573 型踏面和现有线路必将导致车辆的曲线通过能力差，车轮踏面、轮缘和轨头磨耗严重，由此缩短车轮的镟修周期，缩短车轮的使用寿命，同时也会增加钢轨的更换频率，这些都会增加车辆的运营维护成本。

      同时，我们对 LM 磨耗型踏面与 1∶20 的轨面匹配性进行了分析，经过分析对比发现 LM 磨耗型踏面将很好地解决这个问题。图 4 为 LM 磨耗型踏面与 1∶20轨面的匹配关系。 由图 4 可以看出：LM 磨耗型踏面与 1∶20 轨面较 DIN 5573 型踏面与 1∶40 轨面的匹配在横移量为 2 mm 内时等效锥度稍大，这样可使车辆在运行时轮轨的接触点更好地保持在踏面和轨头部位；在轮对横移量为 3 mm 时，轮对的等效锥度、接触角均开始增加， 即可以让轮对与钢轨无轮缘接触地平顺通过较小半径的曲线轨道， 减小了轮缘和钢轨侧面的磨耗。 由轮轨接触图可以看出，轮轨接触点分布合理，在高接触应力区域接触点分布较为分散，可以保证踏面均匀磨耗。

 

      从上述轮轨匹配关系的分析中可以看出 LM 磨耗型踏面与印度轨道线路的匹配优于 DIN 5573 型踏面。下文将就 DIN 5573 型踏面和 LM 磨耗型踏面在满足印度轨道线路要求的情况下做动力学分析对比， 以验证不同踏面形状与轨道匹配的动力学特性。

      在美国 6 级线路谱条件下， 分别对采用两种踏面的车辆在 40～130 km/ h 速度范围内的横向和垂向平稳性指标和加速度进行仿真计算， 计算结果见图5 和图6。 从计算结果可以看出， 在 40～130 km/ h速度范围内， DIN 5573 型踏面的平稳性明显好于LM 磨耗型踏面 ， 在高速状态横向加速度也比 DIN5573 型踏面好。

      分别在不同的曲线半径下对轮轨横向力、脱轨系数和磨耗功进行仿真分析，计算结果见图 7～图 10。 从计算结果可以看出，在小半径曲线上，采用 LM 磨耗型踏面的车辆轮轨横向力小很多， 轮缘磨耗能也相对较小。 这说明 LM 磨耗型踏面曲线通过性能更优。

      由以上对比分析可以看出， 由于轮对内侧距和钢轨轨底坡的改变， 对于同一踏面和轨面的匹配必将发生变化，而车辆运行的线路状况不一样，对于同样的轮对内侧距和钢轨轨底坡也要区别对待。 印度轨道线路曲线较多且半径较小， 这就需要有较大的等效锥度使车辆在运行时具有更好的曲线通过性能。

 

[1] 肖广文 ，肖新标 ，温泽峰 ，等. 高速客车轮对动力学性能的比较[J].铁道学报，2008（6）.

[2] 孙善超 ，王成国 ，李海涛 ，等. 轮/ 轨接触几何参数对高速客车动力学性能的影响[J]. 中国铁道科学，2006（5）.

[3] 沈 钢 ，Chollet H，叶志森. 轮轨外形及接触问题的进一步研究[J].铁道学报，2005（4）.

[4] 王开云 ，翟婉明 ，蔡成标. 轮轨型面及系统参数对轮轨空间接触几何关系的影响[J]. 铁道车辆，2002（2）.