城市軌道交通中小半徑曲線問(wèn)題探討【摘 要】 簡(jiǎn)述小半徑曲線對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全影響,對(duì)工程影響以及對(duì)運(yùn)營(yíng)中鋼軌的磨耗的影響,并就相關(guān)問(wèn)題提出建議及改善措施?！ 娟P(guān)鍵詞】 城市軌道交通; 小半徑曲線; 最小曲線半徑; 影響; 磨耗; 直線電機(jī) 城市軌道交通是大城市公共客運(yùn)交通的骨干,是大眾化、大運(yùn)量的城市客運(yùn)系統(tǒng)。同時(shí)又是城市的大型基建工程,所以它在城市建設(shè)中占有十分重要的地位。目前,國(guó)內(nèi)許多城市正在進(jìn)行軌道交通的建設(shè)或前期準(zhǔn)備工作,基本上都進(jìn)行了各種形式的軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃。最小平曲線半徑是城市軌道交通線路設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。它對(duì)地下鐵道線路的造價(jià)、運(yùn)行速度、養(yǎng)護(hù)維修量和運(yùn)營(yíng)支出有很大的影響。平曲線半徑過(guò)小,不能滿足高速列車(chē)行車(chē)舒適性的要求;平曲線半徑過(guò)大,又會(huì)大大增加建設(shè)工程投資。本文就從軌道交通中的小半徑曲線出發(fā),討論其對(duì)工程和運(yùn)營(yíng)的影響以及如何改善這些問(wèn)題。1小半徑曲線的選擇 小半徑曲線是在軌道交通設(shè)計(jì)過(guò)程中為了照顧客流走廊,繞避?chē)?yán)重不良地質(zhì)地段、文物古跡、高層建筑、地下管線,減少工程投資等而不得不采用的半徑較小的曲線。2小半徑曲線的影響 以下淺談小半徑曲線在列車(chē)運(yùn)行安全、對(duì)工程影響以及運(yùn)營(yíng)中鋼軌的磨耗等三個(gè)方面的影響。2.1 小半徑曲線對(duì)運(yùn)營(yíng)安全的影響 列車(chē)在小半徑曲線地段下坡道上運(yùn)行時(shí),引起地鐵車(chē)輛的劇烈振動(dòng),在振動(dòng)很劇烈的地段特別要用瞬時(shí)舒適度水平(2ｓ舒適度水平),舒適度水平表達(dá)式為:Ｌｒ=20ｌｇα/αｒｅｆ(1) 其中αｒｅｆ為標(biāo)準(zhǔn)加速度,α為測(cè)定的加速度。由該式可知舒適度水平與振動(dòng)加速度相關(guān),振動(dòng)加速度大,舒適度水平大,從而乘客舒適度差。舒適度等級(jí)越小,舒適度評(píng)價(jià)越好,舒適度等級(jí)在1以下,振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)非常好。旅客乘車(chē)舒適度是衡量列車(chē)通過(guò)曲線時(shí)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量好壞的一個(gè)最直觀的指標(biāo)。另外,小半徑曲線上視距較短,司機(jī)瞭望線路條件差,嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅到列車(chē)安全。 地鐵列車(chē)在通過(guò)小半徑曲線時(shí),車(chē)輪相對(duì)于鋼軌產(chǎn)生橫向滑動(dòng),往往要發(fā)出尖嘯的噪聲。2001年8月22日,德國(guó)ＳＩＥＭＥＮＳ公司在廣州地鐵一號(hào)線對(duì)地鐵車(chē)輛的振動(dòng)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明,上行線長(zhǎng)壽路～陳家祠區(qū)間小半徑曲線垂向振動(dòng)加速度最大值約達(dá)37ｍ/Ｓ2,而無(wú)波磨地段垂向振動(dòng)加速度最大值約達(dá)15ｍ/Ｓ2。嚴(yán)重的波磨引起地鐵車(chē)輛的劇烈運(yùn)動(dòng),發(fā)出尖嘯的噪聲,大大降低了乘客的舒適度。2.2 小半徑曲線對(duì)工程的影響 在困難地段,采用較小的曲線半徑能夠更好地適應(yīng)地形變化,可減少路基、擋墻的工程數(shù)量,對(duì)降低工程造價(jià)有顯著效果,但也會(huì)由于增加線路長(zhǎng)度、降低粘著系數(shù),而引起工程費(fèi)用增大。2.3 小半徑曲線對(duì)鋼軌磨耗的影響 輪軌間的摩擦包括滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦,據(jù)有關(guān)資料介紹,單純的滾動(dòng)摩擦使鋼軌磨耗甚微,而車(chē)輪只有0 2%的滑動(dòng),磨耗就會(huì)顯著增加。列車(chē)在曲線上運(yùn)行時(shí),附加動(dòng)壓力及輪軌間的相對(duì)滑動(dòng)與曲線半徑成反比,半徑越小滑動(dòng)磨耗越大。 鋼軌磨耗主要是指小半徑曲線上鋼軌的側(cè)面磨耗和波浪型磨耗,主要是由于輪軌之間發(fā)生摩擦造成的。從廣州地鐵一號(hào)線運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看,最小曲線半徑為300ｍ,有些地段磨耗較嚴(yán)重;二號(hào)線最小曲線半徑350ｍ,磨耗情況尚可,曲線半徑Ｒ 400ｍ的曲線尚未發(fā)現(xiàn)不正常磨耗現(xiàn)象。曲線半徑越小,鋼軌磨耗越嚴(yán)重,鋼軌更換周期越短。3主要問(wèn)題及建議3.1選定最小曲線半徑最小曲線半徑是指系統(tǒng)在正常的運(yùn)行速度下,保證行車(chē)安全和旅客乘坐舒適的最小曲線半徑。它是修建地下鐵道的主要參數(shù)之一,它與地鐵線路的性質(zhì)、車(chē)輛性質(zhì)、行車(chē)速度、地形地物條件等有關(guān)。3.1 1 理論公式Ｒｍｉｎ=11 8ｖ2?(ｈｍａｘ+ｈｇｙ)(2) 式中:Ｒｍｉｎ為滿足欠超高要求的最小曲線半徑(ｍ);ｖ為設(shè)計(jì)速度(ｋｍ/ｈ);ｈｍａｘ為最大超高(120ｍｍ);ｈｇｙ為允許欠超高(ｈｇｙ=61 2ｍｍ)。3.1 2 半徑選擇 線路平面最小曲線半徑,按《地下鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(ＧＢ50157-92)規(guī)定,如表1:表1 最小曲線半徑(ｍ)
3.2 選擇新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 在小半徑曲線上,輪沿與鋼軌軌頭角部接觸,這不僅會(huì)造成輪軌磨損,也會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和刺耳的噪聲。如果軸間容許有一定的自由度,將使噪聲減小。 直線電機(jī)平面轉(zhuǎn)彎半徑小,有利于線路平面選線,可避開(kāi)已建或規(guī)劃待建的建筑,以及建筑基礎(chǔ)、地下管線和其它地下建筑物,降低工程造價(jià)。直線電機(jī)采用徑向轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線地段如圖1所示。采用徑向轉(zhuǎn)向架帶來(lái)如下優(yōu)點(diǎn): (1)平面轉(zhuǎn)彎半徑小,與傳統(tǒng)的粘著驅(qū)動(dòng)式系統(tǒng)(轉(zhuǎn)向架軸距、定距相同)相比,最小水平轉(zhuǎn)彎半徑由一般輪軌系統(tǒng)的200ｍ可減至80ｍ; (2)有利于線路平面選線,可避開(kāi)已建或規(guī)劃待建的建筑,以及建筑基礎(chǔ)、地下管線和其它地下構(gòu)筑物,降低工程造價(jià); (3)通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)部位特殊裝置的動(dòng)作,使車(chē)軸產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角,使其隨著彎道的曲線改變軸距,有效地減少了機(jī)車(chē)車(chē)輪與鋼軌間的摩擦,大大降低了輪緣的磨耗; (4)噪聲低。沒(méi)有旋轉(zhuǎn)與傳動(dòng)系統(tǒng),使輪軌磨耗降低,噪音比傳統(tǒng)車(chē)輛減小10Ｂ(Ａ)左右; (5)體積小,重量輕?？s小隧道端面和高架結(jié)構(gòu),大幅度降低工程造價(jià); (6)通過(guò)小半徑曲線能力提高,提高運(yùn)行速度,適應(yīng)城市街區(qū),減少工程拆遷,加減速度大,爬坡能力強(qiáng),不受氣候影響; (7)自重小,沒(méi)有牽引傳動(dòng)和粘著損失,自動(dòng)化程度高,耗電省。 目前廣州地鐵四號(hào)線已采用直線電機(jī)車(chē)輛,降低了廣州后續(xù)軌道交通線建設(shè)的工程投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用,保持了軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿?同時(shí)有利于城市土地和地下空間的合理開(kāi)發(fā)和利用,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)軌道交通技術(shù)上的空白。3.3 養(yǎng)護(hù)維修 通過(guò)養(yǎng)護(hù)維修措施可以克服小半徑曲線帶來(lái)的不良影響。如剝離掉塊、波浪磨耗等。3.3 1 鋼軌涂油 小半徑曲線段可通過(guò)涂油來(lái)大大減緩磨耗。新鋼軌由于沒(méi)有受到列車(chē)車(chē)輪的碾壓,其表面硬度很低,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的碾壓后,其表面形成一個(gè)超過(guò)原來(lái)硬度約1 5～1 8倍的保護(hù)層,可大大提高鋼軌表面的耐磨性能。通過(guò)涂油可使保護(hù)層順利形成,降低鋼軌的磨耗速度。3.3 2 鋼軌打磨 鋼軌打磨是目前最有效的消除波磨的措施,已發(fā)展成為一種多功能的現(xiàn)代化養(yǎng)路技術(shù)。打磨的重點(diǎn)已從鋼軌修理轉(zhuǎn)向鋼軌保養(yǎng)。鋼軌的定期打磨,可以消除和延緩波磨、消除鋼軌表面的接觸疲勞層防止剝離掉塊、對(duì)斷面打磨還可以改善輪軌接觸條件,降低接觸應(yīng)力。目前廣州地鐵正用美國(guó)ＨＴＴ公司購(gòu)買(mǎi)的ＲＧＨ10ＳＥＲＩＥＳＣ1-32磨軌車(chē)對(duì)小半徑曲線進(jìn)行打磨,效果良好。 另外,通過(guò)優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)部件(如墊板、橡膠墊等)的剛度匹配,設(shè)置合理的軌底坡也可以減少小半徑曲線處的磨耗程度。4結(jié)束語(yǔ) 在進(jìn)行軌道交通線路方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能使用較大的曲線半徑,以避免或減少在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)的這些不良問(wèn)題,300ｍ以下的曲線半徑輪軌磨耗大,噪音大,應(yīng)盡量少用,尤其位于兩站中間更應(yīng)少用。隨著我國(guó)材料科學(xué)及車(chē)輛工業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步,鋼軌的耐磨性繼續(xù)提高,輪軌之間的匹配關(guān)系還可以改善,將來(lái)小半徑曲線處的鋼軌更換周期可以延長(zhǎng)。能適應(yīng)小半徑曲線的車(chē)型也越來(lái)越豐富,其不良影響也可以很大范圍內(nèi)的降低。參考文獻(xiàn)[1] ＧＢ50157-2003,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[Ｓ].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.[2] 郝瀛.鐵道工程[Ｍ].北京:中國(guó)鐵道出版社,2000.[3] [日]佐藤吉彥等.新軌道力學(xué)[Ｍ].北京:中國(guó)鐵道出版社,2001.[4] 顧保南等.論城市軌道交通最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)的選擇[Ｊ].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).[5] 張慶賀等.地鐵與輕軌[Ｍ].人民交通出版社,2002.
3.2 選擇新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 在小半徑曲線上,輪沿與鋼軌軌頭角部接觸,這不僅會(huì)造成輪軌磨損,也會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和刺耳的噪聲。如果軸間容許有一定的自由度,將使噪聲減小。 直線電機(jī)平面轉(zhuǎn)彎半徑小,有利于線路平面選線,可避開(kāi)已建或規(guī)劃待建的建筑,以及建筑基礎(chǔ)、地下管線和其它地下建筑物,降低工程造價(jià)。直線電機(jī)采用徑向轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線地段如圖1所示。采用徑向轉(zhuǎn)向架帶來(lái)如下優(yōu)點(diǎn): (1)平面轉(zhuǎn)彎半徑小,與傳統(tǒng)的粘著驅(qū)動(dòng)式系統(tǒng)(轉(zhuǎn)向架軸距、定距相同)相比,最小水平轉(zhuǎn)彎半徑由一般輪軌系統(tǒng)的200ｍ可減至80ｍ; (2)有利于線路平面選線,可避開(kāi)已建或規(guī)劃待建的建筑,以及建筑基礎(chǔ)、地下管線和其它地下構(gòu)筑物,降低工程造價(jià); (3)通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)部位特殊裝置的動(dòng)作,使車(chē)軸產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角,使其隨著彎道的曲線改變軸距,有效地減少了機(jī)車(chē)車(chē)輪與鋼軌間的摩擦,大大降低了輪緣的磨耗; (4)噪聲低。沒(méi)有旋轉(zhuǎn)與傳動(dòng)系統(tǒng),使輪軌磨耗降低,噪音比傳統(tǒng)車(chē)輛減小10Ｂ(Ａ)左右; (5)體積小,重量輕?？s小隧道端面和高架結(jié)構(gòu),大幅度降低工程造價(jià); (6)通過(guò)小半徑曲線能力提高,提高運(yùn)行速度,適應(yīng)城市街區(qū),減少工程拆遷,加減速度大,爬坡能力強(qiáng),不受氣候影響; (7)自重小,沒(méi)有牽引傳動(dòng)和粘著損失,自動(dòng)化程度高,耗電省。 目前廣州地鐵四號(hào)線已采用直線電機(jī)車(chē)輛,降低了廣州后續(xù)軌道交通線建設(shè)的工程投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用,保持了軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿?同時(shí)有利于城市土地和地下空間的合理開(kāi)發(fā)和利用,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)軌道交通技術(shù)上的空白。3.3 養(yǎng)護(hù)維修 通過(guò)養(yǎng)護(hù)維修措施可以克服小半徑曲線帶來(lái)的不良影響。如剝離掉塊、波浪磨耗等。3.3 1 鋼軌涂油 小半徑曲線段可通過(guò)涂油來(lái)大大減緩磨耗。新鋼軌由于沒(méi)有受到列車(chē)車(chē)輪的碾壓,其表面硬度很低,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的碾壓后,其表面形成一個(gè)超過(guò)原來(lái)硬度約1 5～1 8倍的保護(hù)層,可大大提高鋼軌表面的耐磨性能。通過(guò)涂油可使保護(hù)層順利形成,降低鋼軌的磨耗速度。3.3 2 鋼軌打磨 鋼軌打磨是目前最有效的消除波磨的措施,已發(fā)展成為一種多功能的現(xiàn)代化養(yǎng)路技術(shù)。打磨的重點(diǎn)已從鋼軌修理轉(zhuǎn)向鋼軌保養(yǎng)。鋼軌的定期打磨,可以消除和延緩波磨、消除鋼軌表面的接觸疲勞層防止剝離掉塊、對(duì)斷面打磨還可以改善輪軌接觸條件,降低接觸應(yīng)力。目前廣州地鐵正用美國(guó)ＨＴＴ公司購(gòu)買(mǎi)的ＲＧＨ10ＳＥＲＩＥＳＣ1-32磨軌車(chē)對(duì)小半徑曲線進(jìn)行打磨,效果良好。 另外,通過(guò)優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)部件(如墊板、橡膠墊等)的剛度匹配,設(shè)置合理的軌底坡也可以減少小半徑曲線處的磨耗程度。4結(jié)束語(yǔ) 在進(jìn)行軌道交通線路方案設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能使用較大的曲線半徑,以避免或減少在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)的這些不良問(wèn)題,300ｍ以下的曲線半徑輪軌磨耗大,噪音大,應(yīng)盡量少用,尤其位于兩站中間更應(yīng)少用。隨著我國(guó)材料科學(xué)及車(chē)輛工業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)步,鋼軌的耐磨性繼續(xù)提高,輪軌之間的匹配關(guān)系還可以改善,將來(lái)小半徑曲線處的鋼軌更換周期可以延長(zhǎng)。能適應(yīng)小半徑曲線的車(chē)型也越來(lái)越豐富,其不良影響也可以很大范圍內(nèi)的降低。參考文獻(xiàn)[1] ＧＢ50157-2003,地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[Ｓ].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.[2] 郝瀛.鐵道工程[Ｍ].北京:中國(guó)鐵道出版社,2000.[3] [日]佐藤吉彥等.新軌道力學(xué)[Ｍ].北京:中國(guó)鐵道出版社,2001.[4] 顧保南等.論城市軌道交通最小曲線半徑標(biāo)準(zhǔn)的選擇[Ｊ].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào).[5] 張慶賀等.地鐵與輕軌[Ｍ].人民交通出版社,2002.
