轻轨轮缘爬轨成因与预防策略

城市公共交通系统通常运行于高密度城区，线路曲率半径小，这显著增加了轮缘爬轨脱轨的风险，同时也加剧了车轮与钢轨的磨损。此类系统多由本地运营，往往拥有针对自身系统特定的轮轨标准。尽管部分网络仍在使用转向性能较差的圆柱形车轮，但北美轻轨系统的车轮轮缘角度通常在60度至75度之间。独立旋转车轮（irw）因无需转向，常被用于低地板车辆，而老旧系统的轮轨标准可能难以适配配备现代悬挂系统的新轻轨车。

鉴于车辆类型、悬挂设计、轮轨轮廓及轨道条件的多样性，解决轮轨相互作用问题需要进行系统级分析。美国运输技术中心（ttci）正为美国及全球多个交通系统进行研究，旨在通过优化轮轨轮廓和改进维护保养来提升运营安全。研究表明，当横向力与垂向载荷之比（l/v）超过纳达尔极限时，即存在轮缘爬轨风险。例如，在摩擦系数为0.5且轮缘角为75度时，纳达尔极限为1.13；若轮缘角降至63度，该极限则降至0.73。这意味着轮缘角越低，爬轨风险越高，且高摩擦条件会进一步加剧这一风险。

增加车轮轮缘角是降低轮缘爬轨脱轨风险的通用做法。具有更高轮缘角的轮轨轮廓不仅能降低风险，还能更好地兼容未来可能引入的新车辆或转向架设计。较高的l/v极限值意味着高轮缘角能容忍更大程度的轨道不规则性和高摩擦条件。美国公共交通协会（apta）建议zui小轮缘角应达到72度。传统铁路车轮组通过锥形车轮在轮轨界面产生纵向导向力，帮助转向架过弯并实现直线自对中。研究表明，随着纵向导向力的增加，引发轮缘爬轨所需的l/v比值也会随之增加，从而高于纳达尔极限。

然而，独立旋转车轮（irw）不受共同转速限制，无法产生辅助转向的纵向力，导致其l/v比值略高于纳达尔极限时即可能发生轮缘爬轨。因此，在相同摩擦水平下，irw的爬轨风险高于标准车轮。近期，某成熟系统引入配备irw的低地板轻轨车，而该系统部分路段已超百年历史，且原有车轮轮缘角仅为63度，结果导致多次脱轨事故。ttci建议将轮缘角提升至75度，并实施钢轨打磨计划以重塑轨角，配合其他轨道维护改进措施，成功消除了因低轮缘角导致的脱轨。此后，引入高轮缘角irw车辆的新系统未再发生类似事故。

由于irw车辆易发生脱轨，需精心设计以控制轮缘爬轨和车轮磨损。可引入连杆或主动控制系统等额外机制来辅助曲线转向并应对轨道扰动。若无此类控制机制，则必须对轮轨轮廓及车辆/轨道维护进行更严格的监控。此外，圆柱形车轮因缺乏锥度，在直线轨道上跟踪性能差，易产生长波不规则横向移动，且轮缘接触易导致强两点接触和高横向力。将圆柱形车轮替换为锥形车轮可显著改善转向性能并减少磨损。

引入新的轮轨轮廓会改变磨损模式，系统需经历过渡期以达到新的平衡。若新轮廓与现有轮廓差异显著，原有的匹配性将被破坏。例如，引入高轮缘角车轮与低轨角磨损钢轨接触时，可能导致强两点接触、高接触应力和高磨损率，甚至增加轮缘爬轨风险。因此，为实现新的接触平衡并降低风险，应实施包含车轮镟修和钢轨打磨的综合计划。若必要，可引入过渡性车轮轮廓以平滑过渡过程。尽管实施新轮廓涉及购买新刀具、打磨及监测等高昂初始成本，但进行成本效益分析对于制定新轮廓推荐方案至关重要。

对于中国轨道交通行业而言，随着新型低地板车辆和独立旋转轮技术的广泛应用，在老旧线网改造中需特别警惕轮轨匹配问题，建议建立全系统的轮轨匹配评估机制，避免因车辆更新而引发新的安全隐患。