浅谈地铁轨道平面设计参数取值对钢轨磨耗的影响

提要：近年来地铁正在大规模建设，为降低钢轨的磨耗，我国地铁轨道线路在选择最小曲线半径时有增大的趋势，将导致工程造价增加，成本大幅度提高。本文多方面讲述关于钢轨磨耗的研究和认识，分析出轨道线路平面设计参数对轮轨磨耗的影响规律，并建议优化现行地铁规范相关平面设计参数取值，在维持现行最小曲线半径标准和运营速度不变前提下，实现降低钢轨磨耗目的。

关键词：曲线半径钢轨磨耗允许欠超高取值最大超高取值；

中图分类号：U213.4 文献标识码：A 文章编号：

近年来,全国城市轨道交通已进入高速发展期,各大城市地铁项目相继开展。地铁设计中最小曲线半径选取会很大程度影响工程造价、运行速度、养护维修甚至项目的可实施性。为了降低造价成本和避免影响建筑群，线路设计通常采用是小半径曲线来满足设计要求，但这样做法带来不尽人意的地方是加剧轮轨的磨耗，给运营带来相当大维修量和运营安全隐患的不确定因素的存在，为了保证设备安全，降低小半径曲线钢轨磨耗的影响，我国专家、学者对钢轨磨耗的相关研究做了大量工作，然而大多只是侧重某一两个问题，比较系统全面的专著并不是很多。90年代后我国大量专家，如肖峰建立了外轨超高、淬火轨、轨距、轨底坡、涂油与非涂油等试验模式,选择几条典型的曲线做实验并将实验结果进行对比，分析减缓曲线钢轨侧磨的有利条件，并指出设置均衡超高的10%左右的欠超高有利减低磨耗[1]。

深圳地铁从2010年已初步形成地铁网络化运营，由于列车间隔缩短，运量的提高，部分小半径曲线钢轨侧磨耗发展迅速，特别是罗宝线一期老街至大剧院上下行轨道线路R-300，不到一年时间侧磨为12mm，且轨距为10mm,给维修带来很大的工作量，直接影响到运营的安全，对此有人提出建议在修改《地铁设计规范GB50157-2003》[2]中最小曲线半径标准将原300m提高至400m，以便后继地铁运营带来维修困难。但我们根据钢轨磨耗的大量研究结果，实际上提高曲线半径标准并非是设计方面降低钢轨磨耗唯一途径。下来将分析轨道线路平面设计参数对钢轨磨耗的影响规律，提出相关平面设计参数的合理取值，以达到轨道最小曲线半径合理设置与降低钢轨磨耗相匹配。具体如下：

一、轨道线路平面设计参数对钢轨磨耗影响规律分析

从最小曲线半径计算公式分析，当速度和半径为定值时，加大最大超高可减少允许欠超高之值。因此，降低允许欠超高同时增加最大超高，即可减低钢轨磨耗。下面我们从现行地铁设计规范中最小曲线半径计算公式来论证这个过程，具体如下：

=

以上公式中，① 为满足欠超高要求的最小曲线半径，V为设计速度；

② 为最大超高， 为允许欠超高。

从该式分析，决定速度和最小曲线半径的两个重要的平面设计参数是 及 。当前部分认识把钢轨磨耗过大原因完全归咎于曲线半径设置过小，然而钢轨磨耗大小除与曲线半径R有关以外，还与其它平面设计参数（ 、 ）相关，降低钢轨磨耗可通过优化 及 取值实现。

当设有欠超高 时，列车在曲线运行上会产生未被平衡的离心力，而未被平衡的离心力是产生外轨磨耗的原力，离心力F=m /R在半径一定、最大超高 取定之后，降低速度就可以减少未被平衡的离心力，降低欠超高从而可以达到减少轨磨耗的作用。通过段固敏教授运用蠕滑中心法对新转8型货车转向架的导向力计算结果，见表1[3]，我们可以看出导向力随曲线半径增大而减小，随欠超高减小而减小。而欠超高减少40mm引起的导向力减小值，几乎等于半径增大200m所引起的导向力减小值，可见减少欠超高 对于减低磨耗较为有利。从最小曲线半径计算公式分析，当速度和半径为定值时，加大 可减少 之值。因此，降低 同时增加 ，即可减低钢轨磨耗。

不同未被平衡超高的曲线导向力计算结果（ 10kN）表1

二、最有利减低钢轨磨耗的 取值分析

从以上地铁设计规范中最小曲线半径计算公式论证过程中得知，减低钢轨磨耗与 、 虽然息息相关，那么它们取取值多少才最佳，我国高速铁路设计规范[4]在最小曲线半径中欠超高取值按旅客舒适度条件分三档（优秀、良好、一般），优秀值为40mm，然而在实际上其欠超高取值约略高于均衡超高的15%，在25-31毫米之间，这也说明高速铁路设置欠超高值也充分考虑到了钢轨磨耗的影响,而不仅只是考虑旅客舒适度的影响。欠超高究竟设置多少才最有利于减少钢轨磨耗，我们通过现场观察，完全不设欠超高所带来钢轨磨耗是比较大，从原来广深铁路线路和深圳地铁罗宝线一期情况，普遍认为设置实设或均衡超高的10%～15%的欠超高，让列车与外轨稍微贴紧一些可减少轮对对钢轨的冲角，反而有利于降低磨耗。

从已铺设的地铁轨道线路的实际来看，现行地铁设计规范只从旅客舒适度考虑确定最大欠超高：设置的超高不足时，其未被平衡的横向加速度为a,国内的实验资料表明当a=0.4m/s2时，欠超高为61mm乘客稍有感觉，不影响舒适度，因此规范规定计算列车在曲线运行速度时允许有61mm的欠超高，该规定并未考虑欠超高过大对轮轨磨耗的影响。由于地铁发车密度大，每3分钟至5分钟发一趟，欠超高引起的外轨磨耗的问题比铁路更加突出。从以上情况可知，建议地铁的欠超高的设置不仅要满足旅客舒适度的要求，还要进一步满足尽量减少外轨磨耗的要求。

三、最有利减低钢轨磨耗设置分析

很显然增大最大超高 之值是十分有益的， 愈大可使半径愈小或速度愈快，或可减少 之值从而减轻钢轨磨耗，因此 应尽量提高。

我国当前地铁设计规范规定最大超高为120mm，最大超高允许值 主要取决于列车在曲线上停车时的安全稳定和旅客舒适度的要求，下面我们一起通过可参照国内外行业标准设置情况来进行分析。我国高速铁路根据铁科院“八五”课题研究成果参考国外的经验，规范规定最大设计超高允许值采用175mm，时速是200公里以下客货共线铁路采用的最大超高为150mm。日本新干线最大超高为180mm，德国ICE线和法国TGV线为180mm。地铁与铁路的轨距均为1435mm，地铁车辆地板处宽度为3000mm，高度≤3800mm，而高速铁路及200km/h-250km/h客运专线动车CRH1，宽3328mm高4040mm，CRH2宽3380mm高3700mm, CRH3宽3265mm高3890mm。从列车在曲线上途停的安全稳定（车体重心相差不大）和旅客舒适度的要求考虑，地铁车辆与铁路动车比较最大超高设置的影响应该相差不大。香港地铁曲线最大超高值规定也是为150mm。而目前地铁设计规范规定最大超高为120mm，本人认为偏于保守。曲线最大超高由120mm调整到150mm，对各相关专业的影响都不大，即使产生个别问题都容易克服，主要问题为需保证运行在曲线上的列车的抗倾覆安全系数、脱轨系数及考虑局部隧道尺寸加大。为更加稳妥起见，可参照深圳地铁二号线二期工程在曲线地段增设防脱护轮轨，以策万一。而最大超高调整到150mm，对于小半径曲线有些地段需要加大隧道结构尺寸， 增加投资也十分有限，这个问题比较容易解决。

综上所述，建议将最大超高标准从120mm提高到150mm。

四、合理取值建议

综合以上分析，最大超高 取150mm较为合理，而允许欠超高 取15～22.5mm（实设或均衡超高的10%～15%），从减低钢轨磨耗角度最为理想。但综合运营速度等因素考虑，建议将允许欠超高 取为31mm，较规范值有较大降低，可大大减低磨耗。此时，在最小曲线半径300m上行车速度V= =68km/h。

原地铁平面设计参数最大超高 为120mm，允许欠超高 为61.2mm，在最小曲线半径300m上行车速度V= =68km/h。

可见，按照提高最大超高减低最大欠超高的思路，调整设计参数 =150mm， =31mm之后，相比原地铁设计规范，在维持相同最小曲线半径、相同行车速度前提下，可有利减低钢轨磨耗，解决地铁运营的困扰。总之磨耗不仅发生在小半径曲线上，其它因滑动而产生的磨耗也大量存在。减少钢轨磨耗应是我们的常态工作，我们需要不断地去积累经验把它做好。目前铺设全长淬火钢轨，坚持涂油，调整轨底坡，做好日常养护维修工作，保持线路良好状态，保持轨距，水平正矢不超限，都是可以有效地减少钢轨磨耗。

参考文献

[1] 肖峰. 对减缓曲线钢轨侧磨的探讨 [J]. 铁道建筑技术, 2005.

[2] GB50157-2003，地铁设计规范[S].

[3] 段固敏, 许实儒. 刚性转向架曲线通过的蠕滑中心法 [J]. 兰州铁道学院学报, 1993,12(2) 1-9.

[4] TB10621-2009，高速铁路设计规范（试行）[S].

[5] GB50090-99，铁路线路设计规范 [S].