地铁钢轨双光带形成机理分析

地铁钢轨双光带形成机理分析 Analysis on formation mechanism of double contact bands on metro rails 1 first-author 1 corresp 关庆华，博士，副研究员，从事车辆轨道动力学与轮轨关系研究；E-mail：guan_qh@163.com 关庆华，博士，副研究员，从事车辆轨道动力学与轮轨关系研究；E-mail：guan_qh@163.com guan_qh@163.com 1 2 1 1 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都，610031 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都，610031 State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China 苏州市轨道交通集团有限公司，江苏 苏州，215101 苏州市轨道交通集团有限公司，江苏 苏州，215101 Suzhou Rail Transit Group Co. Ltd., Suzhou 215101, China Suzhou Rail Transit Group Co. Ltd., Suzhou 215101, China 刘锦伟 针对国内某地铁线路上直线段钢轨出现双光带的现象，选取标准钢轨廓形与不同镟后运行里程的车轮廓形匹配，利用建立的地铁车辆动力学模型与Archard磨耗模型，对钢轨双光带的形成机理进行分析；同时利用仿真得到的钢轨磨耗廓形与车轮标准踏面外形LM匹配，研究钢轨双光带对车辆动力学性能的影响。研究结果表明：当车轮标准踏面外形LM与标准钢轨廓形匹配时，在钢轨轨距角侧会产生明显的单峰值磨耗，在钢轨上表现为单光带；随车轮镟后运行里程增加，除了轨距角侧的磨耗峰值外，在轨顶外侧也开始出现磨耗峰值；随车轮镟后运行里程进一步增大，钢轨在轨距角侧和轨顶外侧将分别形成2个明显磨耗峰值，对应钢轨上双光带出现的位置，并且双光带的位置趋于稳定；钢轨产生双光带后，车辆的蛇行临界速度明显下降，横向平稳性变差，垂向平稳性几乎不受影响。 To analyze the cause of the double contact bands appearing on the straight rail of a metro line in China, a dynamics model of metro vehicle and Archard wear model was established, taking standard rail profile and wheel profiles with different running mileages as input profiles. The vehicle dynamic performance was analyzed by using the standard LM wheel profile and the worn rail profile was obtained by the simulation. The results show that when the standard LM wheel profile is matched with the standard rail, there will be one single peak of wear distribution on the gauge corner of the rail, showing a single contact band on the rail. With the increase of wheel running mileages, in addition to the wear peak on the gauge corner, the wear peak also appears on the outer side of rail top. With the further increase of wheel running mileages, two obvious wear peaks will appear on the gauge corner and outer side of rail top, respectively, corresponding to the position of double contact bands on the rail. Furthermore, the position of two wear peaks tends to be stable. The double contact bands greatly reduce the hunting critical speed of the vehicle and worsen the lateral ride index, but have no effect on the vertical ride index. 钢轨磨耗 双光带 轮轨接触 磨耗仿真 动力学性能 rail wear double contact bands wheel-rail contact wear simulation dynamics performance http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683555&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683573&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683556&type= 14.95016479 14.95016479 地铁车辆沿轨道运行，是通过轮对在钢轨上滚动来实现的，并以轮轨之间的接触点作为约束，使轮对和左右钢轨构成了特殊的轮轨接触几何关系。轮轨接触是一种高度的非线性行为，对车辆动力学性能有决定性的影响。当列车车轮踏面在钢轨上滑动和滚动时，车轮与钢轨的相互作用会使车轮和钢轨产生磨耗，从而在车轮和钢轨上留下亮痕，这些亮痕被称为光带。光带是接触关系的直观反映，与车辆动力学性能有着密切的联系。 国内外学者在轮轨磨耗及其对轮轨关系、车辆动力学的影响等方面进行了大量的研究。IGNESTI等 [ 1 1 - 3 3 1-3 ] 利用数值方法与试验相结合的手段建立了磨耗预测模型，对车轮和钢轨的磨耗进行了仿真分析。尹波润等 [ 4 4 ] 利用元胞自动机方法建立轮轨磨耗动态分析模型，将轮轨接触问题以局部演变规则表征，实现了车轮在钢轨上宏观磨耗的动态过程模拟。YE等 [ 5 5 ] 建立了能够考虑轮对横移的非赫兹接触车轮磨损预测模型，并通过对比仿真与测试结果对模型进行了验证。ACEITUNO等 [ 6 6 ] 考虑轨道柔性对轮轨磨耗预测模型的影响，并与刚性轨道磨耗预测模型进行了对比验证。孙宇等 [ 7 7 ] 建立了一种可以计算沿钢轨纵向和横向三维分布的钢轨磨耗演变预测模型，分析了车辆过直线轨道时钢轨的磨耗情况，研究了钢轨磨耗对轮轨横向力和轮轨垂向力的影响。马敬武等 [ 8 8 ] 结合实际线路条件，建立了三维钢轨磨耗模型，对部分直线段钢轨进行了磨耗仿真分析。刘丰收 [ 9 9 ] 对国内多条高速铁路钢轨磨耗情况进行了长期跟踪观测，总结了高速铁路直线及小半径曲线段钢轨的磨耗特征。BUTINI等 [ 10 10 ] 建立了一种能够同时预测车轮和钢轨磨耗及滚动接触疲劳的模型，并通过现场试验数据与实验室试验进行了对比验证。SANTAMARÍA等 [ 11 11 ] 建立了能够考虑两点接触的轮轨磨损预测模型，该模型适用于研究车辆在通过小半径曲线时的轮轨磨损指标。张铁等 [ 12 12 - 14 14 12-14 ] 从轮轨接触关系入手，对重载铁路及高速铁路的钢轨磨耗进行了分析。周宇等 [ 15 15 ] 测量了城市轨道交通钢轨表面光带异常波动区段的轮对和钢轨动态横移情况，并根据分析结果提出了光带异常波动处的轨道养护管理建议。左玉良 [ 16 16 ] 指出钢轨光带发生异常的直接原因是轮轨间作用力和作用点发生了改变，根本原因是线路上存在不同类型的轨道不平顺，还将不同类型的钢轨光带和高速线路轨道平顺性建立了联系。许世杰等 [ 17 17 ] 从轮轨廓形匹配角度研究了地铁车轮双光带的形成原因，并提出避免车轮双光带快速发展的建议。尚小菲等 [ 18 18 - 19 19 18-19 ] 对地铁车轮踏面出现异常磨耗的成因进行了分析，并提出了相应的解决方案。姚永明等 [ 20 20 ] 通过建立车辆动力学和磨耗耦合模型，研究了车轮磨耗对高速列车动力学性能的影响。吴潇等 [ 21 21 ] 对曲线段钢轨磨耗进行了预测，并研究了钢轨磨耗对车辆运行中的脱轨系数、轮重减载率和轮轨垂向力的影响。 虽然国内外学者对车轮和钢轨磨耗已进行了大量的研究，但对钢轨双光带鲜有报道。本文作者针对国内某地铁线路直线段钢轨出现的双光带现象，选取不同镟后运行里程的车轮廓形，建立车辆动力学模型，结合Archard磨耗模型，对钢轨双光带的形成机理进行分析。同时，利用仿真后得到的钢轨磨耗廓形与车轮标准踏面外形LM匹配，分析钢轨双光带对地铁车辆动力学性能的影响。 1 实测钢轨和车轮的廓形特征 1 在国内某地铁线路直线段钢轨及车轮上出现了明显的双光带现象，如 图1 图1 所示。由 图1 图1 可见：车轮上的光带主要分布在名义滚动圆两侧，钢轨上的光带主要分布在轨顶中间两侧，通过手触摸发现钢轨光带处存在明显的凹坑磨耗，即钢轨出现的双光带对应明显的双凹形磨耗。 (a) 钢轨双光带；(b) 车轮双光带 通过对线路上运行的列车进行测试，得到不同镟后运行里程的车轮廓形。对测试车辆的所有车轮廓形进行法向磨耗分布计算，得到相应镟后运行里程下车轮的平均磨耗，如 图2 图2 所示。 图2 图2 中实线和虚线分别表示测试得到的车轮廓形和计算得到的磨耗量。由 图2 图2 可知：当车轮镟后运行里程为1.2万km时，尽管车轮踏面整体磨耗量较小，但在-20~-10 mm处和5~15 mm处磨耗量略微凸起；在镟后运行里程达到4.0万km以后，车轮磨耗量在-20~-10 mm和5~15 mm处凸起相对明显，磨耗曲线存在2个磨耗峰值。 对双光带现象严重的直线段钢轨进行了测试，得到的钢轨廓形与磨耗曲线如 图3 图3 所示，其中本文所有钢轨廓形左侧均为钢轨外侧，右侧为钢轨内侧即工作边。从 图3 图3 可知：在横向位置为0 mm处，钢轨存在明显凸起部分，而在-20~-10 mm和5~15 mm处，钢轨存在2处明显的凹陷，磨耗曲线存在明显峰值。通过现场观察发现，横向位置为-20~-10 mm和5~15 mm处正是钢轨上双光带出现的位置。 (a) 钢轨廓形；(b) 钢轨磨耗曲线 2 轮轨静态匹配分析 1 轮轨接触关系是机车车辆所特有的一种高非线性因素，对车辆动力学性能有着决定性的影响。考虑到同一条钢轨上有大量车辆通过，而不同车辆甚至同一车辆在不同时期具有不同的车轮廓形。为了分析钢轨双光带的形成机理，选取测试获得的4种不同镟后运行里程的车轮廓形与标准CN60钢轨进行静态匹配分析，得到轮轨静态匹配的接触点对分布如 图4 图4 所示。其中，钢轨轨顶中心和车轮名义滚动圆均位于横坐标为零处。 图4 图4 中连接车轮与钢轨的细线表示在指定轮对横移量下车轮与钢轨的接触点，车轮上方的数字表示轮对横移量，单位为mm。从 图4 图4 可知：当车轮镟后运行里程为0万km时，接触点分布较为均匀；当镟后运行里程为1.2万km时，在工作边轨距角侧存在2处接触区域，为发生轮缘接触所致，此外，在钢轨顶面还存在另外2处集中接触区域；在运行里程达到 4.0万km以及11.6万km时，轨距角处的2处接触区域变成了1处，即此时极易发生轮缘接触，并且磨耗显著，同时在钢轨顶面上存在2处接触点十分集中的接触区域，且与钢轨上双光带出现的位置一致。 (a) 0万km；(b) 1.2万km；(c) 4.0万km；(d) 11.6万km 3 钢轨磨耗仿真分析 1 轮轨静态匹配分析能够获得轮轨接触点对随轮对横移量的信息，但其得到的仅是静态信息。事实上，钢轨光带的形成是由钢轨磨耗而产生，磨耗是一个动态持续性过程，并且与车辆参数、轨道参数、线路条件及运行操作有着密切关系。因此，为了进一步研究钢轨光带形成机理，对钢轨磨耗进行了数值仿真模拟。 3.1 　车辆动力学模型 2 车辆动力学仿真模型包括车体、构架、电机、轮对、轴箱等29个刚体，其中车体、构架和轮对每个刚体考虑6个自由度(侧滚、点头、摇头、伸缩、横移、沉浮)；每个轴箱仅考虑1个自由度，即轴箱的点头振动。一系悬挂包括垂向减振器、转臂、钢弹簧；二系主要包括空气弹簧、横向减振器、横向止挡。其中，一系垂向减振器、二系横向减振器、空气弹簧、横向止挡均考虑了其非线性特性，车辆系统主要参数如 表1 表1 所示。 图5 图5 所示为根据车辆系统参数，利用SIMPACK动力学软件建立的地铁车辆动力学仿真模型。 参数名 数值 构架质量/kg 1 102.52 车体质量/kg 17 529 轮对质量/kg 1 007 转向架轴距/m 2 车体侧滚转动惯量/(kg·m 2 ) 21 312 车体点头转动惯量/(kg·m 2 ) 399 416 车体摇头转动惯量/(kg·m 2 ) 402 890 轮对内侧距/mm 1 353 轨距/mm 1 435 转向架中心距/mm 11 140 3.2 　磨耗模型 2 在轮轨磨耗分析中，主要有2种典型的模型，一种是基于轮轨接触斑能量耗散的Zobory磨耗模型，另一种是基于轮轨法向力和接触斑滑移量的Archard磨耗模型。本文采用Archard磨耗模型来计算钢轨的磨耗深度。 在Archard磨耗模型中，材料磨损体积 <math id="M1"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">w</mi><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683444&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683442&type= 6.77333355 3.72533321 定义为 <math display="block" id="M2"><msub><mrow><mi>V</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">w</mi><mi mathvariant="normal">e</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mi>k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">w</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><mi>N</mi><mi>d</mi></mrow><mrow><mi>H</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683463&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683461&type= 18.88066673 7.28133297 式中： d 为滑动距离； N 为法向力； k w 为的磨耗系数； H 为两相接触物体中较软的材料硬度。 通过Hertz接触理论计算出单元的法向应力分布 <math id="M3"><mi>p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683467&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683465&type= 10.66800022 4.57200003 <math display="block" id="M4"><mi>p</mi><mfenced separators="|"><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn><mi>N</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi mathvariant="normal">π</mi><mi>a</mi><mi>b</mi></mrow></mfrac><mroot><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>-</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi>y</mi></mrow><mrow><mi>b</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow/></mroot></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683484&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683481&type= 52.49333191 10.75266743 式中： a 与 b 分别为椭圆接触斑的长轴和短轴，将接触椭圆分割成小单元，单元的长度为Δ x 和Δ y 。设单元格的接触压力为 p z ，( x ， y )为接触斑单元格的中点。对接触斑内的任一单元，其磨耗深度 <math id="M5"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>z</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683486&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683469&type= 3.72533321 2.62466669 为 <math display="block" id="M6"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>z</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mi>k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">w</mi></mrow></msub><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>p</mi></mrow><mrow><mi>z</mi></mrow></msub><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>d</mi></mrow><mrow><mi>H</mi></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683489&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683471&type= 18.88066673 7.36600018 式中：Δ d 为一个时间增量Δ t 内的滑动距离， <math display="block" id="M7"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>d</mi><mo>=</mo><mroot><mrow><msubsup><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mrow><mi>s</mi></mrow><mrow><mi>y</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup></mrow><mrow/></mroot><mfrac><mrow><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><msub><mrow><mi>v</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">c</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683493&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=43683491&type= 25.99266624 8.12800026 式中： s x 和 s y 分别为接触斑单元内 x 和 y 方向上的滑动速度； v c 为质点通过接触斑的速度。 将 式(2) 式(2) 和 式(3) 式(3) 代入 式(4) 式(4) 可得磨耗深度Δ z 的表达式为 <math display="block" id="M8"><mi mathvariant="normal">Δ</mi><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">3</mn><mi>N</mi><msub><mrow><mi>k</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">w</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi mathvariant="normal">π</mi><mi>a</mi><mi>b</mi><mi>H</mi></mrow></mfrac><mroot><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mfrac><mrow><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>a</mi></mrow></mfrac></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>-</mo><msup><mrow><mfenced 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钢轨磨耗仿真的流程如下：首先，通过车辆动力学仿真求得相关轮轨动力学参数；然后，进行轮轨滚动接触分析，求得相应的轮轨法向力、切向力、蠕滑率，最后，利用轮轨磨耗模型计算钢轨磨耗分布。在磨耗计算中，可采用不同的平滑方法对得到的磨耗钢轨型面进行平滑和型面更新。由于在实际线路中钢轨磨耗是持续增大的，但通过数值仿真无法做到钢轨型面实时更新，需要根据磨耗量是否达到设定的最大磨耗量来作为廓形更新条件。若最大磨耗量取值过小，则仿真计算效率低；若最大磨耗量取值过大，则会导致计算结果不准确。综合考虑计算效率和准确性，本文选取最大磨耗量0.1 mm作为型面更新依据 [ 22 22 - 23 23 22-23 ] 。当最大磨耗量达到0.1 mm时进行钢轨型面更新，得到更新后的钢轨廓形，并利用新的钢轨廓形再次进行动力学仿真及钢轨磨耗计算，直到满足迭代终止条件，具体流程如 图7 图7 所示。 3.4 　接触点三维迹线 2 为了进一步考虑车辆自身参数以及线路激励等因素的影响，分别选取镟后运行里程为0、1.2万、4.0万和11.6万km这4种实测车轮廓形与标准钢轨配合，轨道谱选用美国五级谱，利用上述建立的动力学模型和磨耗模型进行仿真。 图8 图8 所示为4种不同镟后运行里程车轮与标准钢轨匹配磨耗前与磨耗后的接触点动态迹线图。 (a) 镟后0万km车轮；(b) 镟后1.2万km车轮；(c) 镟后4.0万km车轮；(d) 镟后11.6万km车轮 由 图8 图8 可知：当镟后0万km车轮与标准钢轨匹配时，初始接触点迹线位于轨距角一侧，在轨顶外侧无接触；随钢轨产生磨耗，接触区域逐渐扩大，集中分布在-15~30 mm处，对应钢轨单光带。当镟后1.2万km车轮与标准钢轨匹配时，初始接触点主要集中于轨距角处，并且在轨距角侧的实测光带范围内存在集中的接触点，同时轨顶外侧出现少许接触点，但并未处于轨顶外侧光带范围内；磨耗后，在轨顶外侧出现大量接触点，但并不完全落于轨顶外侧光带内。当镟后4.0万km及11.6万km车轮与标准钢轨匹配时，初始接触点主要形成3条迹线，其中1条主要在轨距角一侧，为轮缘接触导致，另外2条接触点迹线分布在实测光带内；随钢轨磨耗发展，接触点发生频繁跳动，其主要接触区域位于轨顶及轨距角处，并且大量接触点集中分布在2条光带范围内，这说明在光带位置处，车轮与钢轨发生了频繁接触，使钢轨产生了集中磨耗，从而导致钢轨双光带的形成。 3.5 　磨耗分布曲线 2 为了对上述钢轨接触点动态迹线以及对双光带成因进行更直观的验证，利用磨耗模型对上述4种工况进行钢轨磨耗仿真，得到的钢轨磨耗分布结果如 图9 图9 所示。从 图9 图9 可知：当选取镟后运行里程为0万km的车轮时，随车辆通过次数增加，磨耗区域主要集中在-20~30 mm处，磨耗曲线只存在1个明显峰值，仅对钢轨单光带的形成有贡献。当选取镟后运行里程为1.2万km的车轮时，除了在5~15 mm处存在明显的磨耗峰值外，在-20~-10 mm处磨耗曲线略微凸起，开始分化出另一个磨耗峰值；在选取镟后运行里程为4.0万km的车轮时，存在2个明显的磨耗峰值，分别位于-20~-10 mm和5~ 15 mm处，正好位于钢轨双光带的出现位置。在选取镟后运行里程为11.6万km的车轮时，钢轨磨耗分布同镟后运行里程为4.0万km工况下得到的结果几乎一致，说明钢轨双光带形成后趋于稳定，光带的位置不再随车轮镟后运行里程增加而发生变化。 (a) 镟后0万km车轮；(b) 镟后1.2万km车轮；(c) 镟后4.0万km车轮；(d) 镟后11.6万km车轮 4 钢轨双光带对车辆动力学性能的影响 1 为了研究钢轨双光带对车辆动力学性能的影响，分别选取上述镟后运行里程为1.2万、4.0万和11.6万km的车轮与标准钢轨匹配，将仿真后得到的3种磨耗钢轨(分别记为磨耗轨一、磨耗轨二、磨耗轨三)和标准钢轨再与标准车轮匹配，线路不平顺采用美国五级谱，进行车辆动力学性能分析。在线路测试中发现钢轨双光带主要出现在直线段钢轨，为了评价车辆直线运行性能，本文主要考虑运行稳定性与平稳性。 4.1 　蛇行临界速度 2 车辆运行稳定性主要受蛇行运动影响，并以车辆失稳临界速度作为评价指标。在分析车辆失稳临界速度时，可以先在线路上加一段激扰，让车辆以一定的速度通过，以轮对横移量是否收敛作为评价条件：轮对横移量刚好不收敛时的速度即为车辆蛇行运动临界速度。 图10 图10 所示为采用不同磨耗轨时车辆失稳前、后的轮对横移量时间历程曲线。从 图10 图10 可以看出：随钢轨双光带的形成，车辆的蛇行失稳临界速度逐渐减小。在钢轨双光带完全形成后，临界速度为118 km/h，虽仍高于线路运行速度，但标准车轮与钢轨匹配时的临界速度182 km/h相比，下降了35.2%，说明钢轨双光带的形成对蛇行临界速度有着较大的影响。 (a) 标准钢轨；(b) 磨耗轨一；(c) 磨耗轨二；(d) 磨耗轨三 4.2 　平稳性 2 平稳性是评价车辆动力学性能的常用指标，反映车辆运行品质。很多铁路发达国家有自己的运行平稳性评价体系，都有各自优缺点。本文根据我国GB/T 5599—2019标准，选取加速度测点，车辆运行速度分别设置为40、50、60、70和 80 km/h，并选取上述仿真得到的磨耗轨及标准钢轨，利用Sperling指标相关公式计算车辆的横向平稳性与垂向平稳性，得到的结果如 图11 图11 所示。从 图11 图11 可以看出：随运行速度增大，横向平稳性与垂向平稳性指标都相应增大，并且镟后运行里程越大的车轮仿真得到的磨耗钢轨对应的车辆横向平稳性指标越大，垂向平稳性几乎不变。即在双光带形成过程中，横向平稳性逐渐变差，垂向平稳性几乎不受影响。 (a) 横向平稳性；(b) 垂向平稳性 5 结论 1 1) 当新镟车轮与钢轨匹配时，钢轨仅产生单峰值磨耗，出现单光带。随车轮镟后运行里程增加，车轮出现了双光带现象，进一步导致钢轨在-20~-10 mm和5~15 mm处也出现了双光带，钢轨双光带形成后趋于稳定。 2) 钢轨出现双光带后会导致车辆蛇行失稳临界速度下降，车辆横向平稳性变差，垂向平稳性几乎不受影响。 3) 钢轨双光带的出现是由具有明显双光带的车轮导致的。因此，单纯地打磨钢轨或镟修车轮，难以从根本上消除双光带的形成。 4) 本文从轮轨接触关系角度解释了直线段钢轨双光带的形成机理。事实上，大部分地铁车辆在线路上运行时，直线段钢轨也没有出现明显的双光带。因此，钢轨双光带的形成，还可能与特殊的线路条件以及特有的车辆结构及参数有关。为了防止钢轨出现双光带，影响车辆的动力学性能，需要进一步结合车轮双光带的成因，形成有效的控制措施，对轮轨维护工作进行长期跟踪和指导。 参考文献 IGNESTI M , INNOCENTI A , MARINI L , et al . 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