城市轨道交通中小半径曲线问题探讨

【摘　要】　简述小半径曲线对列车运行安全影响,对工程影响以及对运营中钢轨的磨耗的影响,并就相关问题提出建议及改善措施。

　　【关键词】　城市轨道交通;　小半径曲线;　最小曲线半径;　影响;　磨耗;　直线电机

　　城市轨道交通是大城市公共客运交通的骨干,是大众化、大运量的城市客运系统。同时又是城市的大型基建工程,所以它在城市建设中占有十分重要的地位。目前,国内许多城市正在进行轨道交通的建设或前期准备工作,基本上都进行了各种形式的轨道交通线网规划。最小平曲线半径是城市轨道交通线路设计主要技术标准之一。它对地下铁道线路的造价、运行速度、养护维修量和运营支出有很大的影响。平曲线半径过小,不能满足高速列车行车舒适性的要求;平曲线半径过大,又会大大增加建设工程投资。本文就从轨道交通中的小半径曲线出发,讨论其对工程和运营的影响以及如何改善这些问题。
1 小半径曲线的选择　　
小半径曲线是在轨道交通设计过程中为了照顾客流走廊,绕避严重不良地质地段、文物古迹、高层建筑、地下管线,减少工程投资等而不得不采用的半径较小的曲线。
2 小半径曲线的影响　　
以下浅谈小半径曲线在列车运行安全、对工程影响以及运营中钢轨的磨耗等三个方面的影响。
2.1 小半径曲线对运营安全的影响
列车在小半径曲线地段下坡道上运行时,引起地铁车辆的剧烈振动,在振动很剧烈的地段特别要用瞬时舒适度水平(2ｓ舒适度水平),舒适度水平表达式为:
ｌｒ=20ｌｇα/αｒｅｆ(1)
其中αｒｅｆ为标准加速度,α为测定的加速度。由该式可知舒适度水平与振动加速度相关,振动加速度大,舒适度水平大,从而乘客舒适度差。舒适度等级越小,舒适度评价越好,舒适度等级在1以下,振动舒适度评价非常好。旅客乘车舒适度是衡量列车通过曲线时运营质量好坏的一个最直观的指标。另外,小半径曲线上视距较短,司机瞭望线路条件差,严重时会威胁到列车安全。
地铁列车在通过小半径曲线时,车轮相对于钢轨产生横向滑动,往往要发出尖啸的噪声。2001年8月22日,德国ｓｉｅｍｅｎｓ公司在广州地铁一号线对地铁车辆的振动进行检测,结果表明,上行线长寿路～陈家祠区间小半径曲线垂向振动加速度最大值约达37ｍ/ｓ2,而无波磨地段垂向振动加速度最大值约达15ｍ/ｓ2。严重的波磨引起地铁车辆的剧烈运动,发出尖啸的噪声,大大降低了乘客的舒适度。
2.2　小半径曲线对工程的影响
在困难地段,采用较小的曲线半径能够更好地适应地形变化,可减少路基、挡墙的工程数量,对降低工程造价有显著效果,但也会由于增加线路长度、降低粘着系数,而引起工程费用增大。
2.3　小半径曲线对钢轨磨耗的影响
轮轨间的摩擦包括滚动摩擦和滑动摩擦,据有关资料介绍,单纯的滚动摩擦使钢轨磨耗甚微,而车轮只有0 2%的滑动,磨耗就会显著增加。列车在曲线上运行时,附加动压力及轮轨间的相对滑动与曲线半径成反比,半径越小滑动磨耗越大。
钢轨磨耗主要是指小半径曲线上钢轨的侧面磨耗和波浪型磨耗,主要是由于轮轨之间发生摩擦造成的。
从广州地铁一号线运营情况来看,最小曲线半径为300ｍ,有些地段磨耗较严重;二号线最小曲线半径350ｍ,磨耗情况尚可,曲线半径ｒ 400ｍ的曲线尚未发现不正常磨耗现象。
曲线半径越小,钢轨磨耗越严重,钢轨更换周期越短。
3 主要问题及建议
3.1选定最小曲线半径最小曲线半径是指系统在正常的运行速度下,保证行车安全和旅客乘坐舒适的最小曲线半径。它是修建地下铁道的主要参数之一,它与地铁线路的性质、车辆性质、行车速度、地形地物条件等有关。
3.1 1　理论公式
ｒｍｉｎ=11 8ｖ2(ｈｍａｘ+ｈｇｙ)(2)
式中:ｒｍｉｎ为满足欠超高要求的最小曲线半径(ｍ);ｖ为设计速度(ｋｍ/ｈ);ｈｍａｘ为最大超高(120ｍｍ);ｈｇｙ为允许欠超高(ｈｇｙ=61 2ｍｍ)。

3.2　选择新型转向机构
在小半径曲线上,轮沿与钢轨轨头角部接触,这不仅会造成轮轨磨损,也会产生很大的振动和刺耳的噪声。如果轴间容许有一定的自由度,将使噪声减小。
直线电机平面转弯半径小,有利于线路平面选线,可避开已建或规划待建的建筑,以及建筑基础、地下管线和其它地下建筑物,降低工程造价。直线电机采用径向转向架通过曲线地段如图1所示。采用径向转向架带来如下优点:
(1) 平面转弯半径小,与传统的粘着驱动式系统(转向架轴距、定距相同)相比,最小水平转弯半径由一般轮轨系统的200ｍ可减至80ｍ;
(2) 有利于线路平面选线,可避开已建或规划待建的建筑,以及建筑基础、地下管线和其它地下构筑物,降低工程造价;
(3) 通过关键技术部位特殊装置的动作,使车轴产生一定的转角,使其随着弯道的曲线改变轴距,有效地减少了机车车轮与钢轨间的摩擦,大大降低了轮缘的磨耗;
(4) 噪声低。没有旋转与传动系统,使轮轨磨耗降低,噪音比传统车辆减小10ｂ(ａ)左右;
(5) 体积小,重量轻。缩小隧道端面和高架结构,大幅度降低工程造价;
(6) 通过小半径曲线能力提高,提高运行速度,适应城市街区,减少工程拆迁,加减速度大,爬坡能力强,不受气候影响;
(7) 自重小,没有牵引传动和粘着损失,自动化程度高,耗电省。
目前广州地铁四号线已采用直线电机车辆,降低了广州后续轨道交通线建设的工程投资和运营费用,保持了轨道交通系统的发展潜力,同时有利于城市土地和地下空间的合理开发和利用,填补了国内轨道交通技术上的空白。
3.3　养护维修
通过养护维修措施可以克服小半径曲线带来的不良影响。如剥离掉块、波浪磨耗等。
3.3 1　钢轨涂油
小半径曲线段可通过涂油来大大减缓磨耗。新钢轨由于没有受到列车车轮的碾压,其表面硬度很低,经过一定时间的碾压后,其表面形成一个超过原来硬度约1 5～1 8倍的保护层,可大大提高钢轨表面的耐磨性能。通过涂油可使保护层顺利形成,降低钢轨的磨耗速度。
3.3 2　钢轨打磨
钢轨打磨是目前最有效的消除波磨的措施,已发展成为一种多功能的现代化养路技术。打磨的重点已从钢轨修理转向钢轨保养。钢轨的定期打磨,可以消除和延缓波磨、消除钢轨表面的接触疲劳层防止剥离掉块、对断面打磨还可以改善轮轨接触条件,降低接触应力。目前广州地铁正用美国ｈｔｔ公司购买的ｒｇｈ10ｓｅｒｉｅｓｃ1-32磨轨车对小半径曲线进行打磨,效果良好。
另外,通过优化轨道结构部件(如垫板、橡胶垫等)的刚度匹配,设置合理的轨底坡也可以减少小半径曲线处的磨耗程度。
4 结束语
在进行轨道交通线路方案设计时,应尽可能使用较大的曲线半径,以避免或减少在运营过程中出现的这些不良问题,300ｍ以下的曲线半径轮轨磨耗大,噪音大,应尽量少用,尤其位于两站中间更应少用。随着我国材料科学及车辆工业技术不断进步,钢轨的耐磨性继续提高,轮轨之间的匹配关系还可以改善,将来小半径曲线处的钢轨更换周期可以延长。能适应小半径曲线的车型也越来越丰富,其不良影响也可以很大范围内的降低。

参考文献

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