佟景泉,殷玲,曾光

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510650)

1 輪軌關(guān)系研究的意義

軌道運(yùn)輸已經(jīng)有近兩百年的歷史,對(duì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大的影響,其主要是以輪軌接觸的形式完成運(yùn)輸。輪軌關(guān)系穩(wěn)定是確保列車安全運(yùn)行的重要保障,根據(jù)運(yùn)行場(chǎng)景不同,可將輪軌姿態(tài)大致分為平直軌道運(yùn)行姿態(tài)和彎道軌道運(yùn)行姿態(tài),如圖1所示。通過提高輪軌關(guān)系的穩(wěn)定性,可以有效改善列車運(yùn)行的穩(wěn)定性,提高旅客乘車舒適度,確保列車運(yùn)行安全。本文采用文獻(xiàn)計(jì)量分析法對(duì)輪軌關(guān)系問題研究進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,探討我國(guó)在該領(lǐng)域的研究動(dòng)態(tài)與趨勢(shì),為相關(guān)研究者提供參考。

2 輪軌關(guān)系研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)輪軌關(guān)系的研究開展較早,且研究比較深入,取得了較多成果。研究?jī)?nèi)容主要集中在輪軌的自身關(guān)系和輪軌關(guān)系對(duì)列車運(yùn)行安全性、舒適性的影響方面。在平直軌道上,列車運(yùn)行平穩(wěn),輪軌關(guān)系簡(jiǎn)單,很少單獨(dú)作為研究場(chǎng)景;在彎道軌道上或不平順軌道區(qū)段,列車運(yùn)行需要向心力提供支撐,輪軌關(guān)系復(fù)雜,通常被作為主要的研究場(chǎng)景。本文對(duì)中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中列車輪軌關(guān)系研究的熱點(diǎn)進(jìn)行了梳理,具體情況如表1所示。

表1 輪軌關(guān)系研究熱點(diǎn)情況表

以上的研究熱點(diǎn)并不是相互獨(dú)立的,很多都存在交叉情況。例如,對(duì)輪軌匹配問題的研究,會(huì)涉及不同的匹配關(guān)系,引起輪軌磨耗情況不同;采用不同的輪軌材料,也會(huì)影響其黏著特性等。從發(fā)文數(shù)量上來看,自2000年以來,隨著我國(guó)軌道交通的發(fā)展,相關(guān)研究也呈現(xiàn)出逐年上升的態(tài)勢(shì),如圖2所示。其中,2019年論文數(shù)量出現(xiàn)較為明顯下降,隨后恢復(fù)到上升趨勢(shì)。由此可見,輪軌關(guān)系是軌道交通研究的熱點(diǎn)問題之一,隨著新算法、新技術(shù)不斷普及,在該領(lǐng)域的研究也將更加深入,更具有工程實(shí)踐意義。

圖2 歷年輪軌關(guān)系文獻(xiàn)數(shù)量趨勢(shì)圖

3 輪軌關(guān)系研究熱點(diǎn)分析

3.1 磨耗問題研究

由于列車運(yùn)行采用車輪和輪軌直接接觸的方式,磨耗問題一直以來都是輪軌關(guān)系研究的熱點(diǎn)問題。其中以鋼軌波磨問題研究最為熱門。鋼軌波磨指的是列車車輪和鋼軌接觸時(shí),在接觸的縱向斷面上發(fā)生的垂向交替的周期磨損[1]。鋼軌波磨通常發(fā)生在軌面不平順的軌道直線區(qū)段、軌道曲線區(qū)段和道岔區(qū)段,一般會(huì)引起列車的強(qiáng)烈震動(dòng),并伴有噪聲,嚴(yán)重影響乘客的乘車體驗(yàn),甚至造成列車部件松動(dòng)、斷裂,危及行車安全。

張英杰等[2]從鋼軌波磨引起的噪聲污染問題入手,通過對(duì)不同地鐵線路的鋼軌波磨情況和列車車廂內(nèi)噪聲情況進(jìn)行實(shí)測(cè),并繪制出噪聲頻譜圖對(duì)噪聲進(jìn)行分析,得出波磨的特征波長(zhǎng)與列車車廂內(nèi)噪聲水平之間的關(guān)系。陸文學(xué)等[3]以蘇州地鐵2號(hào)線的鋼彈簧浮置板軌道區(qū)段作為研究場(chǎng)景,采集了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的鋼軌波磨特征波形,建立了浮置板軌道有限元模型和輪對(duì)有限元模型,通過分析波磨典型波長(zhǎng)及其通過頻率,最終得出結(jié)論:波磨現(xiàn)象主要發(fā)生在鋼軌內(nèi)側(cè);鋼軌扣件的剛度與波磨之間有一定關(guān)系,扣件剛度低,會(huì)在一定程度上加劇波磨程度;可通過采取減震措施來減緩鋼軌的波磨。

3.2 輪軌匹配關(guān)系問題研究

我國(guó)軌道交通發(fā)展迅速,由于地形、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口等因素,各地采用的軌道交通方式也有很大區(qū)別,例如高鐵、城際、地鐵,有軌電車等。各種線路采用的鋼軌類型和列車車輪型面不盡相同,所以國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)各種類型的輪和軌之間的匹配問題進(jìn)行了大量研究。

劉學(xué)等[4]將60、60D、60N三種類型的鋼軌型面與標(biāo)準(zhǔn)S1002CN車輪型面進(jìn)行匹配,對(duì)得到的接觸斑進(jìn)行比較分析,得出車輪型面磨耗對(duì)輪軌接觸斑面積、形狀及接觸位置有影響的結(jié)論。同時(shí),建立了CRH3車輛動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)60、60D、60N鋼軌型面與標(biāo)準(zhǔn)車輪型面匹配的接觸幾何關(guān)系,分析了不同鋼軌廓形對(duì)高速列車運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的影響,并以60N鋼軌為例,提出了全新的高速車輪的鋼軌廓形設(shè)計(jì)方案。李國(guó)棟等[5]針對(duì)高速鐵路列車出現(xiàn)蛇形運(yùn)行和車體低頻晃動(dòng)等問題,將輪軌接觸面劃分為三個(gè)接觸區(qū)域,并對(duì)車輪踏面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),從而改進(jìn)其與軌面匹配的等效錐度,達(dá)到增大輪軌間隙的目的。為驗(yàn)證效果,作者進(jìn)行仿真分析和線路試驗(yàn),得到了較為理想的效果,證明了該設(shè)計(jì)的可行性與實(shí)用性。

3.3 力學(xué)行為研究

黃龍文等[6]以曲線區(qū)段列車輪軌接觸關(guān)系問題為研究對(duì)象,建立了兼顧輪軌接觸表面應(yīng)力和內(nèi)部應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了接觸斑上表面和內(nèi)部應(yīng)力,并找出了線路曲線半徑、列車運(yùn)行速度、外軌超高值、軸質(zhì)量等因素對(duì)內(nèi)、外應(yīng)力的影響規(guī)律。于淼[7]研究了列車經(jīng)過18號(hào)道岔時(shí),不同行車速度下輪軌的力學(xué)行為,以及由此引起的輪對(duì)震動(dòng)問題,并建立了車輛-道岔剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型加以驗(yàn)證,總結(jié)出柔性輪發(fā)生震動(dòng)的原因,得出了側(cè)向過岔時(shí)列車運(yùn)行速度與輪軌受力情況的關(guān)系,以及同一速度下,列車經(jīng)過道岔不同位置所受沖擊變化情況。

3.4 輪軌黏著特性研究

輪軌黏著特性研究熱點(diǎn)主要集中在第三介質(zhì)上,主要研究不同介質(zhì)對(duì)輪軌黏著特性的影響。宋建華等[8]進(jìn)行了在不同工況條件下的黏著系數(shù)影響模擬試驗(yàn),通過在不同速度、軸重和濡滑率的條件下注入水介質(zhì),比較了干態(tài)工況和加入水介質(zhì)時(shí)黏著系數(shù)的變化情況,得出水介質(zhì)條件下,車輪速度、軸重對(duì)黏著系數(shù)的影響。張鴻斐等[9]緊密結(jié)合輪軌真實(shí)運(yùn)營(yíng)關(guān)系,模擬列車運(yùn)行時(shí),輪軌可能遇到的外來介質(zhì)污染,分別對(duì)污油、污油水混合物和污油水砂子混合物三種污染工況下的輪軌關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn),得出了不同軸重和車輪速度對(duì)輪軌黏著系數(shù)的影響,該研究對(duì)列車運(yùn)行安全具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

3.5 輪軌監(jiān)測(cè)方法研究

隨著計(jì)算機(jī)、信息采集技術(shù)的不斷進(jìn)步,近年來對(duì)輪軌運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)相關(guān)方向的研究也取得了一定進(jìn)展。由于輪軌關(guān)系涉及列車運(yùn)行安全和旅客乘車體驗(yàn),有必要通過各種技術(shù)手段對(duì)輪軌關(guān)系進(jìn)行監(jiān)測(cè),確保輪軌關(guān)系穩(wěn)定。目前在這方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。王月太等[10]提出了利用光纖布喇格光柵傳感技術(shù)對(duì)輪軌垂向力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過分析傳感特性和輪軌作用力的特點(diǎn),詳細(xì)說明了輪軌垂向力監(jiān)測(cè)原理,并設(shè)計(jì)出可以實(shí)現(xiàn)分布式傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),最后通過有限元仿真計(jì)算驗(yàn)證了該方法的可行性。黃丹丹等[11]利用激光-位移技術(shù)采集列車運(yùn)行過程中輪軌之間相互作用力的變化情況,從而測(cè)量車輪踏面損傷引起的輪軌沖擊力,以降低軌道車輛部件傷損,并通過具體試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性,為接下來的輪軌受力調(diào)整等方面的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

4 存在問題及研究展望

4.1 存在問題

4.1.1 部分研究熱點(diǎn)問題偏理論、輕實(shí)踐

磨耗問題研究和輪軌匹配關(guān)系問題研究開展較早,研究較為深入,在應(yīng)用基礎(chǔ)和技術(shù)理論研究方面做了大量工作,在工程應(yīng)用方面也有了很多實(shí)例。輪軌黏著特性研究和輪軌關(guān)系監(jiān)測(cè)研究起步相對(duì)較晚,目前僅停留在基礎(chǔ)理論研究或提出實(shí)施方案,鮮有工程實(shí)踐的應(yīng)用,將該領(lǐng)域的理論研究應(yīng)用于工程實(shí)踐具有廣闊的發(fā)展前景。具體研究情況如圖3所示。

圖3 輪軌關(guān)系文獻(xiàn)研究方向統(tǒng)計(jì)圖

4.1.2 輪軌關(guān)系研究仍有較大探索空間

傳統(tǒng)列車運(yùn)行是通過輪軌直接接觸提供支撐的,這種方式的問題在于輪軌的直接接觸會(huì)引起磨耗,導(dǎo)致振動(dòng)、噪聲等問題。目前的研究主要集中在如何減輕輪軌磨耗,例如在進(jìn)行輪軌的合理匹配、研究輪軌間的黏著情況、保持現(xiàn)有輪軌關(guān)系的基礎(chǔ)上,對(duì)輪軌之間施加各種介質(zhì),在確保列車運(yùn)行安全的前提下減少輪軌之間的磨耗等。這些研究對(duì)緩解輪軌磨耗問題起到了很大作用,但是輪軌關(guān)系問題仍然未能得到根本的解決?？梢哉f,輪軌關(guān)系研究仍有較大探索空間。例如,可以利用磁力技術(shù)對(duì)輪軌關(guān)系進(jìn)行調(diào)整,但難點(diǎn)在于如何精確控制磁力作用。

4.2 研究展望

(1)研究引入更多熱門技術(shù)。近年來,機(jī)器學(xué)習(xí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生等技術(shù)的興起,為列車輪軌關(guān)系研究提供新的思路、方法和手段,將會(huì)有越來越多的研究采用這些新技術(shù),大大提高理論研究水平。

(2)研究更加偏重工程應(yīng)用。隨著上述熱門技術(shù)應(yīng)用于輪軌關(guān)系的研究,將會(huì)有更多的理論研究成果應(yīng)用于工程實(shí)踐。這有利于進(jìn)一步提高輪軌關(guān)系的穩(wěn)定性,進(jìn)而保障列車運(yùn)行安全。

5 總結(jié)

輪軌關(guān)系穩(wěn)定情況直接影響到列車運(yùn)行的安全性與舒適性,眾多專業(yè)學(xué)者、工程人員對(duì)輪軌關(guān)系的研究從理論到實(shí)踐均取得了很大進(jìn)步。從研究情況來看,在輪軌直接受力分析方面的研究較為普遍和深入。以此為基礎(chǔ),第三介質(zhì)應(yīng)用于輪軌關(guān)系調(diào)整方面的研究成為熱點(diǎn),然而,第三介質(zhì)的使用會(huì)帶來環(huán)境問題,且效率值并不突出。近年來,利用磁力等新技術(shù)對(duì)輪軌受力進(jìn)行調(diào)整逐漸成為研究熱點(diǎn),但在具體應(yīng)用方面并未取得較大進(jìn)展,仍需在工程實(shí)踐方面繼續(xù)探索。得益于新技術(shù)的快速發(fā)展,輪軌關(guān)系監(jiān)測(cè)方面的研究取得了較大的進(jìn)步,在具體應(yīng)用方面也有著不錯(cuò)的表現(xiàn)。輪軌關(guān)系研究可為列車安全運(yùn)行提供理論和實(shí)踐的基礎(chǔ),未來仍有較大發(fā)展空間。