基于文獻計量的列車輪軌關系研究現狀分析

佟景泉,殷玲,曾光

(廣東交通職業技術學院,廣東 廣州 510650)

1 輪軌關系研究的意義

軌道運輸已經有近兩百年的歷史,對世界經濟發展帶來了巨大的影響,其主要是以輪軌接觸的形式完成運輸。輪軌關系穩定是確保列車安全運行的重要保障,根據運行場景不同,可將輪軌姿態大致分為平直軌道運行姿態和彎道軌道運行姿態,如圖1所示。通過提高輪軌關系的穩定性,可以有效改善列車運行的穩定性,提高旅客乘車舒適度,確保列車運行安全。本文采用文獻計量分析法對輪軌關系問題研究進行統計分析,探討我國在該領域的研究動態與趨勢,為相關研究者提供參考。

2 輪軌關系研究現狀

國內專家學者對輪軌關系的研究開展較早,且研究比較深入,取得了較多成果。研究內容主要集中在輪軌的自身關系和輪軌關系對列車運行安全性、舒適性的影響方面。在平直軌道上,列車運行平穩,輪軌關系簡單,很少單獨作為研究場景;在彎道軌道上或不平順軌道區段,列車運行需要向心力提供支撐,輪軌關系復雜,通常被作為主要的研究場景。本文對中國知網數據庫中列車輪軌關系研究的熱點進行了梳理,具體情況如表1所示。

表1 輪軌關系研究熱點情況表

以上的研究熱點并不是相互獨立的,很多都存在交叉情況。例如,對輪軌匹配問題的研究,會涉及不同的匹配關系,引起輪軌磨耗情況不同;采用不同的輪軌材料,也會影響其黏著特性等。從發文數量上來看,自2000年以來,隨著我國軌道交通的發展,相關研究也呈現出逐年上升的態勢,如圖2所示。其中,2019年論文數量出現較為明顯下降,隨后恢復到上升趨勢。由此可見,輪軌關系是軌道交通研究的熱點問題之一,隨著新算法、新技術不斷普及,在該領域的研究也將更加深入,更具有工程實踐意義。

圖2 歷年輪軌關系文獻數量趨勢圖

3 輪軌關系研究熱點分析

3.1 磨耗問題研究

由于列車運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系研究的熱點問題。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,在接觸的縱向斷面上發生的垂向交替的周期磨損[1]。鋼軌波磨通常發生在軌面不平順的軌道直線區段、軌道曲線區段和道岔區段,一般會引起列車的強烈震動,并伴有噪聲,嚴重影響乘客的乘車體驗,甚至造成列車部件松動、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,通過對不同地鐵線路的鋼軌波磨情況和列車車廂內噪聲情況進行實測,并繪制出噪聲頻譜圖對噪聲進行分析,得出波磨的特征波長與列車車廂內噪聲水平之間的關系。陸文學等[3]以蘇州地鐵2號線的鋼彈簧浮置板軌道區段作為研究場景,采集了現場測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有限元模型,通過分析波磨典型波長及其通過頻率,最終得出結論:波磨現象主要發生在鋼軌內側;鋼軌扣件的剛度與波磨之間有一定關系,扣件剛度低,會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 輪軌匹配關系問題研究

我國軌道交通發展迅速,由于地形、經濟發展、人口等因素,各地采用的軌道交通方式也有很大區別,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,所以國內學者對各種類型的輪和軌之間的匹配問題進行了大量研究。

劉學等[4]將60、60D、60N三種類型的鋼軌型面與標準S1002CN車輪型面進行匹配,對得到的接觸斑進行比較分析,得出車輪型面磨耗對輪軌接觸斑面積、形狀及接觸位置有影響的結論。同時,建立了CRH3車輛動力學模型,根據60、60D、60N鋼軌型面與標準車輪型面匹配的接觸幾何關系,分析了不同鋼軌廓形對高速列車運動平穩性的影響,并以60N鋼軌為例,提出了全新的高速車輪的鋼軌廓形設計方案。李國棟等[5]針對高速鐵路列車出現蛇形運行和車體低頻晃動等問題,將輪軌接觸面劃分為三個接觸區域,并對車輪踏面進行改進設計,從而改進其與軌面匹配的等效錐度,達到增大輪軌間隙的目的。為驗證效果,作者進行仿真分析和線路試驗,得到了較為理想的效果,證明了該設計的可行性與實用性。

3.3 力學行為研究

黃龍文等[6]以曲線區段列車輪軌接觸關系問題為研究對象,建立了兼顧輪軌接觸表面應力和內部應力的數學模型,計算了接觸斑上表面和內部應力,并找出了線路曲線半徑、列車運行速度、外軌超高值、軸質量等因素對內、外應力的影響規律。于淼[7]研究了列車經過18號道岔時,不同行車速度下輪軌的力學行為,以及由此引起的輪對震動問題,并建立了車輛-道岔剛柔耦合系統動力學模型加以驗證,總結出柔性輪發生震動的原因,得出了側向過岔時列車運行速度與輪軌受力情況的關系,以及同一速度下,列車經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主要集中在第三介質上,主要研究不同介質對輪軌黏著特性的影響。宋建華等[8]進行了在不同工況條件下的黏著系數影響模擬試驗,通過在不同速度、軸重和濡滑率的條件下注入水介質,比較了干態工況和加入水介質時黏著系數的變化情況,得出水介質條件下,車輪速度、軸重對黏著系數的影響。張鴻斐等[9]緊密結合輪軌真實運營關系,模擬列車運行時,輪軌可能遇到的外來介質污染,分別對污油、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系進行試驗,得出了不同軸重和車輪速度對輪軌黏著系數的影響,該研究對列車運行安全具有較強的現實意義。

3.5 輪軌監測方法研究

隨著計算機、信息采集技術的不斷進步,近年來對輪軌運行狀態監測相關方向的研究也取得了一定進展。由于輪軌關系涉及列車運行安全和旅客乘車體驗,有必要通過各種技術手段對輪軌關系進行監測,確保輪軌關系穩定。目前在這方面已經取得了一定的進展。王月太等[10]提出了利用光纖布喇格光柵傳感技術對輪軌垂向力進行監測。通過分析傳感特性和輪軌作用力的特點,詳細說明了輪軌垂向力監測原理,并設計出可以實現分布式傳感監測系統的結構,最后通過有限元仿真計算驗證了該方法的可行性。黃丹丹等[11]利用激光-位移技術采集列車運行過程中輪軌之間相互作用力的變化情況,從而測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,并通過具體試驗驗證該方法的可行性,為接下來的輪軌受力調整等方面的工程應用提供理論基礎。

4 存在問題及研究展望

4.1 存在問題

4.1.1 部分研究熱點問題偏理論、輕實踐

磨耗問題研究和輪軌匹配關系問題研究開展較早,研究較為深入,在應用基礎和技術理論研究方面做了大量工作,在工程應用方面也有了很多實例。輪軌黏著特性研究和輪軌關系監測研究起步相對較晚,目前僅停留在基礎理論研究或提出實施方案,鮮有工程實踐的應用,將該領域的理論研究應用于工程實踐具有廣闊的發展前景。具體研究情況如圖3所示。

圖3 輪軌關系文獻研究方向統計圖

4.1.2 輪軌關系研究仍有較大探索空間

傳統列車運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引起磨耗,導致振動、噪聲等問題。目前的研究主要集中在如何減輕輪軌磨耗,例如在進行輪軌的合理匹配、研究輪軌間的黏著情況、保持現有輪軌關系的基礎上,對輪軌之間施加各種介質,在確保列車運行安全的前提下減少輪軌之間的磨耗等。這些研究對緩解輪軌磨耗問題起到了很大作用,但是輪軌關系問題仍然未能得到根本的解決?？梢哉f,輪軌關系研究仍有較大探索空間。例如,可以利用磁力技術對輪軌關系進行調整,但難點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。近年來,機器學習、虛擬現實、數字孿生等技術的興起,為列車輪軌關系研究提供新的思路、方法和手段,將會有越來越多的研究采用這些新技術,大大提高理論研究水平。

(2)研究更加偏重工程應用。隨著上述熱門技術應用于輪軌關系的研究,將會有更多的理論研究成果應用于工程實踐。這有利于進一步提高輪軌關系的穩定性,進而保障列車運行安全。

5 總結

輪軌關系穩定情況直接影響到列車運行的安全性與舒適性,眾多專業學者、工程人員對輪軌關系的研究從理論到實踐均取得了很大進步。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,第三介質應用于輪軌關系調整方面的研究成為熱點,然而,第三介質的使用會帶來環境問題,且效率值并不突出。近年來,利用磁力等新技術對輪軌受力進行調整逐漸成為研究熱點,但在具體應用方面并未取得較大進展,仍需在工程實踐方面繼續探索。得益于新技術的快速發展,輪軌關系監測方面的研究取得了較大的進步,在具體應用方面也有著不錯的表現。輪軌關系研究可為列車安全運行提供理論和實踐的基礎,未來仍有較大發展空間。