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轨顶坡偏差对地铁轨道交通的不良影响

  在现实生活中,人们对地铁的印象是:拥挤、振动、晃动和噪声,让人感到很不舒适,远不如高铁那样快速而平稳。这与复杂的地铁环境及轨道状态是分不开的。

  显然易见,因为地铁没有像高铁和普通铁路那样坚实地基础结构,同时也受地表条件限制,地铁轨道有坡度大、曲线多、转弯半径小等特征,加上地铁车辆密度大、载重量高,速度变化快,车体对轨道的作用力远大于其它铁路,使得列车对轨道和线下基础设施产生很大的破坏作用。反之,质量差轨道对车体伤害远大于质量好的轨道,加重了列车行走部的损耗。因此,提高轨道质量对于地铁轨道交通来说,有着十分重要的意义。

   
拥挤而嘈杂的地铁

  一般来讲,轨道质量主要包括地基、轨枕、钢轨及扣件的材料和安装质量,以及轨道的几何状态。对于轨道维护来说,轨道不平顺检测是十分重要的。与其它地面轨道基础设施所不同的是,地铁常常使用一种特殊的,所谓短轨枕铺设技术。这种铺设技术很容易影响到一种不为人所注意的轨道质量参数——轨底坡。

  轨底坡是指钢轨底面与轨枕平面间的夹角。它决定了钢轨轨顶坡是否正确。轨顶坡是指钢轨顶面与双轨平面间的夹角。对于列车来说,轨顶坡十分重要,因为列车的车轮踏面是严格按照轨顶坡的角度设计制作的。我国铁路规范中明确规定,单根钢轨的轨顶坡为1:40,车轮踏面为1:20,两条钢轨的顶面和左右车轮踏面间存在着1:40的对称斜角。因为只有这样,列车才能在双轨上均匀稳定地进行蛇形运动。蛇形运动的目的是,一方面让轮轨间接触点在轨面上自由游弋,形成约5厘米宽的光带,充分利用轨面和踏面接触面积,减少对轮轨的局部磨损,延长其使用寿命;另一方面,则避免轮缘与钢轨内侧相接触,以此减少不必要的阻力与摩擦。因此可以说,轨顶坡对于轮轨铁路技术来说,具有极为重要的意义,必须严格保证。

  普通铁路和高速铁路通常使用长轨枕或轨道板铺设技术。轨枕与轨道板均是在工厂经过严格加工测试生产制作的,轨底坡的质量和对称性是有保证的。   

长轨枕能够保证轨底坡的质量
  但是在地铁环境中,为了铺设方便,人们常选用短轨枕铺设技术,就是将两个短与轨道宽度的枕块分别悬挂在钢轨上现场进行铺设。虽然人们通过现场测量可以保证轨枕几何位置和高程的准确性,但是却无法保证在曲线段超高较大地方轨枕安装角度的准确性。这样就严重影响到轨底坡的准确性和对称性。
短轨枕铺设技术
  从上图中可以看出,由于轨枕的自重,在超高较大的地段安装轨枕时,钢轨必定发生扭曲,其结果使得双轨的角度同时发生改变。这样,两个短轨枕的顶面与应有的轨道水平面不平行,轨底坡发生了偏移。

短轨枕造成轨底坡的不对称

  左右钢轨轨底坡偏差导致轨顶坡的不对称,违背了轨道顶面与车轮的设计准则,严重影响轮轨的正常接触,导致了振动与异常波磨和侧磨的发生。在这里,我们举例分析一下轨顶坡偏差所带来的严重后果。
曲线内侧钢轨的波磨现象

  在曲线段,对于内侧轨道来说,短轨枕会造成轨顶坡过大,如果,轮缘挤压到钢轨内侧,形成第二个接触点。轮缘会对钢轨产生横向和垂向作用力。因为轮缘半径大于踏面半径,轮缘接触点行走速度大于踏面接触点,车轮开始向钢轨中心线转弯,出现爬轨趋势。爬轨会将车轮抬起,增加轮缘对钢轨的压力,同时又降低踏面的压力。当轮缘的压力增加到大于轮缘与钢轨间的摩擦力时,车轮会滑落到正常位置,然后开始新一轮的爬轨。这样,爬轨和滑落现象的交替出现,导致车轮发生振动。振动的频率和幅度主要取决于轮缘与钢轨内侧间的摩擦力。摩擦力与压力成正比。

  如果曲线半径大,轮缘对钢轨内侧的压力小,相应的摩擦力小,车轮容易滑落。所以,车轮爬与轨滑落周期胶短,容易出现高频率的振动,但振动幅度较小。

  如果曲线半径小,轮缘对钢轨内侧的压力大,摩擦力也大,爬轨滑落周期相对较长,振动频率降低,但幅度增加。严重时,车体出现颠簸,同时,轨道会出现波磨。

曲线外侧钢轨的侧磨现象

  对于曲线段的外轨来说,通常实际轨顶坡会小于标准轨顶坡,轮轨接触点则向内移动至钢轨的圆角。因为轮轨接触点不能发生移动,轮轨接触点限制在很小的范围内,加大了钢轨的局部磨损,出现侧磨。

  由此可见,轨顶坡的对称性和角度正确性是绝对不可被忽视掉的。由于轮轨的不匹配,导致列车发生具有破坏性的振动,同时还大幅度地了轮轨摩擦和损耗,产生噪声,以及增加能耗。轨底坡偏差对于机车来说,其影响力要远大于轨道的几何不平顺,必须予以足够的重视。

  至今为止,地铁轨道检测和维护规范中,还缺乏对轨顶坡的检测要求。人们之所以忽略这一点,是因为目前市场上还没有相应的轨顶坡检测设备。萨伏威(西安)导航技术有限公司已研制成功是目前唯一能够准确测量左右钢轨轨顶坡偏差的检测设备——精密惯导轨道检测系统。它采用了自主发明的检测方法,实现对地铁轨道轨顶坡偏差、轨向和高低不平顺等诸多信息的快速、准确及自动化检测。

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  【PPT】轨顶坡偏差对地铁轨道交通的不良影响
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