城市軌道交通中小半徑曲線問題探討【摘 要】 簡述小半徑曲線對列車運行安全影響,對工程影響以及對運營中鋼軌的磨耗的影響,并就相關問題提出建議及改善措施。 【關鍵詞】 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 城市軌道交通是大城市公共客運交通的骨干,是大眾化、大運量的城市客運系統。同時又是城市的大型基建工程,所以它在城市建設中占有十分重要的地位。目前,國內許多城市正在進行軌道交通的建設或前期準備工作,基本上都進行了各種形式的軌道交通線網規劃。最小平曲線半徑是城市軌道交通線路設計主要技術標準之一。它對地下鐵道線路的造價、運行速度、養護維修量和運營支出有很大的影響。平曲線半徑過小,不能滿足高速列車行車舒適性的要求;平曲線半徑過大,又會大大增加建設工程投資。本文就從軌道交通中的小半徑曲線出發,討論其對工程和運營的影響以及如何改善這些問題。1小半徑曲線的選擇 小半徑曲線是在軌道交通設計過程中為了照顧客流走廊,繞避嚴重不良地質地段、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運行安全、對工程影響以及運營中鋼軌的磨耗等三個方面的影響。2.1 小半徑曲線對運營安全的影響 列車在小半徑曲線地段下坡道上運行時,引起地鐵車輛的劇烈振動,在振動很劇烈的地段特別要用瞬時舒適度水平(2ｓ舒適度水平),舒適度水平表達式為:Ｌｒ=20ｌｇα/αｒｅｆ(1) 其中αｒｅｆ為標準加速度,α為測定的加速度。由該式可知舒適度水平與振動加速度相關,振動加速度大,舒適度水平大,從而乘客舒適度差。舒適度等級越小,舒適度評價越好,舒適度等級在1以下,振動舒適度評價非常好。旅客乘車舒適度是衡量列車通過曲線時運營質量好壞的一個最直觀的指標。另外,小半徑曲線上視距較短,司機瞭望線路條件差,嚴重時會威脅到列車安全。 地鐵列車在通過小半徑曲線時,車輪相對于鋼軌產生橫向滑動,往往要發出尖嘯的噪聲。2001年8月22日,德國ＳＩＥＭＥＮＳ公司在廣州地鐵一號線對地鐵車輛的振動進行檢測,結果表明,上行線長壽路～陳家祠區間小半徑曲線垂向振動加速度最大值約達37ｍ/Ｓ2,而無波磨地段垂向振動加速度最大值約達15ｍ/Ｓ2。嚴重的波磨引起地鐵車輛的劇烈運動,發出尖嘯的噪聲,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地形變化,可減少路基、擋墻的工程數量,對降低工程造價有顯著效果,但也會由于增加線路長度、降低粘著系數,而引起工程費用增大。2.3 小半徑曲線對鋼軌磨耗的影響 輪軌間的摩擦包括滾動摩擦和滑動摩擦,據有關資料介紹,單純的滾動摩擦使鋼軌磨耗甚微,而車輪只有0 2%的滑動,磨耗就會顯著增加。列車在曲線上運行時,附加動壓力及輪軌間的相對滑動與曲線半徑成反比,半徑越小滑動磨耗越大。 鋼軌磨耗主要是指小半徑曲線上鋼軌的側面磨耗和波浪型磨耗,主要是由于輪軌之間發生摩擦造成的。從廣州地鐵一號線運營情況來看,最小曲線半徑為300ｍ,有些地段磨耗較嚴重;二號線最小曲線半徑350ｍ,磨耗情況尚可,曲線半徑Ｒ 400ｍ的曲線尚未發現不正常磨耗現象。曲線半徑越小,鋼軌磨耗越嚴重,鋼軌更換周期越短。3主要問題及建議3.1選定最小曲線半徑最小曲線半徑是指系統在正常的運行速度下,保證行車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之一,它與地鐵線路的性質、車輛性質、行車速度、地形地物條件等有關。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為設計速度(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《地下鐵路設計規范》(ＧＢ50157-92)規定,如表1:表1 最小曲線半徑(ｍ)
3.2 選擇新型轉向機構 在小半徑曲線上,輪沿與鋼軌軌頭角部接觸,這不僅會造成輪軌磨損,也會產生很大的振動和刺耳的噪聲。如果軸間容許有一定的自由度,將使噪聲減小。 直線電機平面轉彎半徑小,有利于線路平面選線,可避開已建或規劃待建的建筑,以及建筑基礎、地下管線和其它地下建筑物,降低工程造價。直線電機采用徑向轉向架通過曲線地段如圖1所示。采用徑向轉向架帶來如下優點: (1)平面轉彎半徑小,與傳統的粘著驅動式系統(轉向架軸距、定距相同)相比,最小水平轉彎半徑由一般輪軌系統的200ｍ可減至80ｍ; (2)有利于線路平面選線,可避開已建或規劃待建的建筑,以及建筑基礎、地下管線和其它地下構筑物,降低工程造價; (3)通過關鍵技術部位特殊裝置的動作,使車軸產生一定的轉角,使其隨著彎道的曲線改變軸距,有效地減少了機車車輪與鋼軌間的摩擦,大大降低了輪緣的磨耗; (4)噪聲低。沒有旋轉與傳動系統,使輪軌磨耗降低,噪音比傳統車輛減小10Ｂ(Ａ)左右; (5)體積小,重量輕。縮小隧道端面和高架結構,大幅度降低工程造價; (6)通過小半徑曲線能力提高,提高運行速度,適應城市街區,減少工程拆遷,加減速度大,爬坡能力強,不受氣候影響; (7)自重小,沒有牽引傳動和粘著損失,自動化程度高,耗電省。 目前廣州地鐵四號線已采用直線電機車輛,降低了廣州后續軌道交通線建設的工程投資和運營費用,保持了軌道交通系統的發展潛力,同時有利于城市土地和地下空間的合理開發和利用,填補了國內軌道交通技術上的空白。3.3 養護維修 通過養護維修措施可以克服小半徑曲線帶來的不良影響。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涂油來大大減緩磨耗。新鋼軌由于沒有受到列車車輪的碾壓,其表面硬度很低,經過一定時間的碾壓后,其表面形成一個超過原來硬度約1 5～1 8倍的保護層,可大大提高鋼軌表面的耐磨性能。通過涂油可使保護層順利形成,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,已發展成為一種多功能的現代化養路技術。打磨的重點已從鋼軌修理轉向鋼軌保養。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、對斷面打磨還可以改善輪軌接觸條件,降低接觸應力。目前廣州地鐵正用美國ＨＴＴ公司購買的ＲＧＨ10ＳＥＲＩＥＳＣ1-32磨軌車對小半徑曲線進行打磨,效果良好。 另外,通過優化軌道結構部件(如墊板、橡膠墊等)的剛度匹配,設置合理的軌底坡也可以減少小半徑曲線處的磨耗程度。4結束語 在進行軌道交通線路方案設計時,應盡可能使用較大的曲線半徑,以避免或減少在運營過程中出現的這些不良問題,300ｍ以下的曲線半徑輪軌磨耗大,噪音大,應盡量少用,尤其位于兩站中間更應少用。隨著我國材料科學及車輛工業技術不斷進步,鋼軌的耐磨性繼續提高,輪軌之間的匹配關系還可以改善,將來小半徑曲線處的鋼軌更換周期可以延長。能適應小半徑曲線的車型也越來越豐富,其不良影響也可以很大范圍內的降低。參考文獻[1] ＧＢ50157-2003,地鐵設計規范[Ｓ].北京:中國計劃出版社,2003.[2] 郝瀛.鐵道工程[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,2000.[3] [日]佐藤吉彥等.新軌道力學[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,2001.[4] 顧保南等.論城市軌道交通最小曲線半徑標準的選擇[Ｊ].同濟大學學報.[5] 張慶賀等.地鐵與輕軌[Ｍ].人民交通出版社,2002.
3.2 選擇新型轉向機構 在小半徑曲線上,輪沿與鋼軌軌頭角部接觸,這不僅會造成輪軌磨損,也會產生很大的振動和刺耳的噪聲。如果軸間容許有一定的自由度,將使噪聲減小。 直線電機平面轉彎半徑小,有利于線路平面選線,可避開已建或規劃待建的建筑,以及建筑基礎、地下管線和其它地下建筑物,降低工程造價。直線電機采用徑向轉向架通過曲線地段如圖1所示。采用徑向轉向架帶來如下優點: (1)平面轉彎半徑小,與傳統的粘著驅動式系統(轉向架軸距、定距相同)相比,最小水平轉彎半徑由一般輪軌系統的200ｍ可減至80ｍ; (2)有利于線路平面選線,可避開已建或規劃待建的建筑,以及建筑基礎、地下管線和其它地下構筑物,降低工程造價; (3)通過關鍵技術部位特殊裝置的動作,使車軸產生一定的轉角,使其隨著彎道的曲線改變軸距,有效地減少了機車車輪與鋼軌間的摩擦,大大降低了輪緣的磨耗; (4)噪聲低。沒有旋轉與傳動系統,使輪軌磨耗降低,噪音比傳統車輛減小10Ｂ(Ａ)左右; (5)體積小,重量輕。縮小隧道端面和高架結構,大幅度降低工程造價; (6)通過小半徑曲線能力提高,提高運行速度,適應城市街區,減少工程拆遷,加減速度大,爬坡能力強,不受氣候影響; (7)自重小,沒有牽引傳動和粘著損失,自動化程度高,耗電省。 目前廣州地鐵四號線已采用直線電機車輛,降低了廣州后續軌道交通線建設的工程投資和運營費用,保持了軌道交通系統的發展潛力,同時有利于城市土地和地下空間的合理開發和利用,填補了國內軌道交通技術上的空白。3.3 養護維修 通過養護維修措施可以克服小半徑曲線帶來的不良影響。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涂油來大大減緩磨耗。新鋼軌由于沒有受到列車車輪的碾壓,其表面硬度很低,經過一定時間的碾壓后,其表面形成一個超過原來硬度約1 5～1 8倍的保護層,可大大提高鋼軌表面的耐磨性能。通過涂油可使保護層順利形成,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,已發展成為一種多功能的現代化養路技術。打磨的重點已從鋼軌修理轉向鋼軌保養。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、對斷面打磨還可以改善輪軌接觸條件,降低接觸應力。目前廣州地鐵正用美國ＨＴＴ公司購買的ＲＧＨ10ＳＥＲＩＥＳＣ1-32磨軌車對小半徑曲線進行打磨,效果良好。 另外,通過優化軌道結構部件(如墊板、橡膠墊等)的剛度匹配,設置合理的軌底坡也可以減少小半徑曲線處的磨耗程度。4結束語 在進行軌道交通線路方案設計時,應盡可能使用較大的曲線半徑,以避免或減少在運營過程中出現的這些不良問題,300ｍ以下的曲線半徑輪軌磨耗大,噪音大,應盡量少用,尤其位于兩站中間更應少用。隨著我國材料科學及車輛工業技術不斷進步,鋼軌的耐磨性繼續提高,輪軌之間的匹配關系還可以改善,將來小半徑曲線處的鋼軌更換周期可以延長。能適應小半徑曲線的車型也越來越豐富,其不良影響也可以很大范圍內的降低。參考文獻[1] ＧＢ50157-2003,地鐵設計規范[Ｓ].北京:中國計劃出版社,2003.[2] 郝瀛.鐵道工程[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,2000.[3] [日]佐藤吉彥等.新軌道力學[Ｍ].北京:中國鐵道出版社,2001.[4] 顧保南等.論城市軌道交通最小曲線半徑標準的選擇[Ｊ].同濟大學學報.[5] 張慶賀等.地鐵與輕軌[Ｍ].人民交通出版社,2002.
