鐵路道岔尖軌軌高的測量基準研究

袁寶軍，鄒小魁

(1.中鐵寶橋集團有限公司，陜西寶雞 721006;2.中鐵山橋集團有限公司，河北秦皇島 066205)

1 概述

道岔作為鐵路軌道的組成部分，主要引導機車車輛由一條線路進入或越過另一條線路。隨著鐵路建設的快速發展，專業人員制定了相關技術標準，不斷地對道岔提出了更高的設計、制造、鋪設及養護要求;而作為道岔的重要組成部分，轉轍器是引導列車沿正線方向或側線方向行駛的設備，轉轍器主要由2根基本軌、2根尖軌、間隔鐵，墊板以及其他零部件組成。較高的、良好的轉轍器狀態是改善列車運營狀態的前提條件，而轉轍器良好的狀態主要由尖軌降低值、軌距、剛度、尖軌與基本軌的密貼等要素來保證。

尖軌降低值作為確保轉轍器良好狀態的因素之一，主要是對尖軌尖端、5 mm斷面、20 mm斷面、50 mm斷面以及整軌頭斷面降低值進行控制，以形成尖軌的降低坡度，使得機車能夠順利地由基本軌轉移到尖軌上［1］。目前，除客專道岔外，以上尖軌各斷面的降低值已形成了固定的數值，同時通過了理論計算與實踐的驗證。

在對尖軌降低值進行檢測時，采用測量尖軌軌高來確保尖軌的降低值，且需要滿足《標準軌距鐵路道岔技術條件》中關于尖軌軌高的相關規定。對于尖軌軌高的測量，目前，存在2種測量基準，以60AT鋼軌為例(以下討論全部為60AT鋼軌)，一種為尖軌軌頭寬度35.5 mm斷面之前，包括35.5 mm測量尖軌的最高點(圖1)，35.5 mm斷面之后測量從工作邊起至35.5 mm位置處對應尖軌的高度(圖2)，以下論述稱為第一基準。一種為全部測量尖軌最高點，以下論述稱為第二基準。針對以上2種測量基準，文章將分別討論比較這2種測量基準的可行性以及適應性。

圖1 以最高點測量軌高

圖2 以工作邊起至35.5 mm位置處測量軌高(單位:mm)

2 尖軌軌高測量基準的評價指標

尖軌的高度是影響軌道結構振動與變形、列車運行安全性、平穩性及軌道養護維修工作量的重要參數。合理的尖軌高度不僅能保證列車安全、平穩的運行，還能有效減緩輪軌相互作用，減輕軌道結構的動應力，保持軌道的幾何狀態良好，從而減輕養護維修工作量。

尖軌在20 mm斷面之前，不承受機車車輛荷載;尖軌在20 mm斷面至50 mm斷面之間，由基尖軌共同承受機車車輛荷載，尖軌在50 mm斷面之后，由尖軌單獨承受機車車輛荷載。尖軌軌高測量基準是否合適，可由尖軌軌高之間的高差以及軌輪接觸關系得出機車車輛在垂直方向的位移來進行衡量［9］。

3 計算的相關參數

尖軌降低值是通過成型刀進行一次數控編程機加工的，常見的提速道岔、時速為200 km的“GLC”等道岔，所采用的成型刀由1∶4的傾斜直線、R13圓弧、R80圓弧、R300圓弧以及1∶80的傾斜直線組成的(中鐵寶橋和中鐵山橋采用該成型刀)，該成型刀輪廓如圖3所示。

圖3 成型刀輪廓

目前，機車車輛大多采用的是LM磨耗型車輪，該車輪踏面如圖4所示。該車輪踏面由2段曲線半徑為100、500 mm的正圓弧(圓心在車輪外側)、一段半徑為220 mm反圓弧(圓心在車輪內側)和一段斜度為1∶8的直線相切而成［2］，設計較為合理。

圖4 磨耗型車輪踏面(單位:mm)

輪對內側距和車輪踏面幾何形狀是影響行車安全性與運行平穩性的重要因素。輪對內側距應保證輪緣與鋼軌之間有一定的游間，以減少輪緣與鋼軌的磨耗，并實現輪對的自動調中作用，同時避免輪對兩側車輪直徑的允許公差要求過高，避免輪軌之間的過分滑動及偏磨現象。但是，從列車運行品質角度考慮，則要求有盡可能小的游間，以限制輪對蛇行運動的振幅，防止間隙過大惡化車輛乘坐舒適度。我國鐵路系統中，標準軌距為1 435 mm，輪緣厚度為32 mm、輪對內側距為1 353 mm時，如果輪對中心與軌道中心在同一垂直平面內，則計算得單側輪軌游間為9 mm［1］。

4 計算結果及分析

4.1 2種測量基準尖軌軌高之差

在測量尖軌高度時，以2種測量基準為基礎，進行尖軌高度差值比較，無論是第一基準還是第二基準，尖軌軌頭寬度在35.5 mm斷面之間，2種測量基準一致;尖軌軌頭寬度在35.5 mm斷面之后，2種測量基準則存在著差異，以下取尖軌軌頭寬度40 mm斷面、50 mm斷面、60 mm斷面以及71 mm斷面4種特殊斷面軌高進行計算比較，此處測量為尖軌的最高點時的軌高。通過計算得出2種不同基準下軌高差值見表1。

表1 2種測量基準下軌高差值 mm

由表1可知，2種不同的測量基準，在尖軌斷面與理論值都一致的情況下，測量的軌高最高點處軌高值不同;尖軌軌高的最高點值不同，在于第一測量基準為軌頭寬35.5 mm為尖軌的理論高度，觀察成型刀圖，該成型刀的輪廓曲線為一增長曲線，在軌頭寬大于35.5 mm之后，加工的尖軌輪廓也是一增長曲線，因此，當采用第一測量基準進行測量時，尖軌總高則大于采用第二測量基準。

2種測量基準下軌高之差，隨著尖軌軌頭斷面寬度的增加而基本上呈線性增加，當尖軌軌頭寬度為71 mm時，2種測量基準下的尖軌軌高之差為0.300 3 mm，而標準軌距鐵道道岔技術條件中的相關技術條款要求，在尖軌軌頭寬度大于50 mm斷面時，基本軌高的公差為±0.5 mm。以上為成型刀后端采用1∶80的傾斜計算出的差值;而成型刀后端采用1∶40的傾斜時，則71 mm斷面處尖軌軌高差為0.600 6 mm，這已經超過了標準軌距鐵道道岔技術條件±0.5 mm公差的要求［3］。若再考慮到機加工的誤差，采用1∶40的傾斜而超出公差0.5 mm的概率將大大增加。

4.2 輪軌游間9 mm時2種測量基準下車輪垂向位移

LM磨耗型車輪踏面如圖4所示，這種車輪踏面是目前鐵路線路上應用較為廣泛的一種車輪踏面，其具有一定的代表性，因此文章將選用該車輪踏面為研究對象。

在計算車輪垂向下移距離時，采用跡線法進行計算，輪軌輪廓外形很多，當不能采用簡單解析式表示時，可以用一系列離散的坐標點來表示，然后再用數學方法找出一條擬合曲線來代表輪軌外形;在計算時，車輪上的接觸點與鋼軌上的接觸點應具有相同的空間位置;輪軌接觸點處，車輪與鋼軌具有公切面;車輪與鋼軌的接觸區域為一個點或斑，即車輪踏面與鋼軌之間不存在共面或共線接觸情況;文章只討論輪軌接觸幾何關系在平面內變化情況。

在計算分析時，取輪軌游間9 mm時，對2種測量基準下車輪垂向位移相比較，計算結果見表2。該計算結果以車輪在正常的線路上運行時，輪軌游間9 mm時，車輪的垂向位置作為比照點而進行比較;當車輪低于比照位置時，位移為正，高于比照位置時，位移為負，并且車輪與鋼軌都視為剛體，以下討論這2種假設不變，位移正負值標準不變。

表2 輪軌游間9 mm時2種測量基準下車輪垂向位移mm

由表2可知，不考慮列車的蛇形運動時，在不同的2種測量基準下，車輪的垂向位移不同;在尖軌軌頭寬40 mm時，2種測量基準下車輪垂向位移基本一致。而在尖軌軌頭寬50 mm斷面以后，2種測量基準下，車輪的垂向位移相差較大，并且隨著尖軌軌頭斷面寬度的增加而急劇增加。

4.3 一側車輪與基本軌游間0 mm另一側車輪與尖軌游間18 mm時，2種測量基準下尖軌一側車輪垂向位移

當機車一側車輪與基本軌之間的游間為0 mm，另一側車輪與尖軌之間的游間為18 mm，采用基本軌一側車輪輪高位置做為比照點進行比較，得出機車在2種測量基準下尖軌一側車輪垂向位移如表3所示。

表3 2種測量基準下尖軌一側車輪垂向位移 mm

由表3可知，一側車輪與基本軌游間0 mm另一側車輪與尖軌游間18 mm時，2種測量基準下，尖軌一側向下位移基數值較大，而這個基數值最小時也已經達到了1.978 mm;同時第一測量基準下尖軌一側車輪的位移小于第二基準下車輪的位移，最大位移變化量為0.302 mm。這說明，當采用第二基準測量尖軌軌高時，列車兩輪之間位置高差大，列車的垂向與橫向振動也比較大。

4.4 一側車輪與基本軌游間18 mm另一側車輪與尖軌游間0 mm時，2種測量基準下尖軌一側車輪垂向位移

當機車一側車輪與基本軌之間的游間為18 mm，另一側車輪與尖軌之間的游間為0 mm，采用基本軌一側車輪輪高位置做為比照點進行比較，得出機車處在2種測量基準下尖軌一側車輪垂向位移如表4所示。

表4 2種測量基準下尖軌一側車輪垂向位移 mm

由表4可知，一側車輪與基本軌游間18 mm另一側車輪與尖軌游間0 mm時，在兩種測量基準下，尖軌一側車輪向上的位移較大，向上移動的最大位移為1.833 mm;同時，第二測量基準下尖軌一側向上的位移小于第一測量基準下向上的位移，相對最大位移差為0.291 mm，與基礎的最大位移1.833 mm相比較，僅占有最大位移的16%，不起到關鍵作用。

5 結論與建議

通過對2種測量基準下，尖軌軌高之間的高差以及軌輪接觸關系得出機車車輛在垂直方向的位移來進行計算與分析，得出如下結論。

(1)2種測量基準下，尖軌軌高之間存在著差異，當采用第一測量基準，現場測量不便，但是這種測量基準，保證了尖軌理論高度。而采用第二測量基準，則現場測量方便，卻保證不了尖軌的理論高度。

(2)當采用第一測量基準時且輪軌間隙為9 mm狀態時，車輪基本上沒有垂向位移;而采用第二測量基準時，車輪的垂向最大位移為0.33 mm;在此狀態下，推薦采用第一測量基準。

(3)當車輪處于最不利狀態時，即一側輪軌游間為0 mm，另一側輪軌游間為18 mm兩種狀態，兩車輪之間的垂向相對位移值較大，可引起列車的垂向與橫向振動，增加養護維修量，加速軌道的損壞，需要盡可能避免此狀態發生。

(4)尖軌測量基準是否合適，最終是要通過輪軌之間接觸關系來衡量，列車處于最不利狀態時其出現的概率相對較小，列車的運行主要為蛇形運動，一般情況下，列車以安全的速度通過，不能使其橫向振幅過大，而引起列車脫軌［4］。因此，可由列車以輪軌游間9 mm間隙時通過道岔所得的輪軌接觸點來決定尖軌軌高測量基準的選取。當輪軌游間9 mm時，采用第一測量基準測量尖軌高度時，車輪垂向位移基本為0 mm，即列車垂向振動為最小。

確定尖軌軌高的測量基準，可由尖軌軌高之間的高差以及軌輪接觸關系得出機車車輛在垂直方向的位移來進行衡量，通過以上分析，當采用第一測量基準對尖軌進行測量時，2個評價指標均優于采用第二測量基準下的2個指標，因此，在測量尖軌軌高時，推薦采用第一測量基準。

道岔已向著重載化，高速化的方向發展，而作為道岔中的關鍵零件，尖軌起著至關重要的作用;尖軌軌高的測量基準是否準確與合理，將影響列車運行的平穩性、安全性與舒適性、道岔的養護維修工作量以及道岔的使用壽命;因此，進一步研究尖軌軌高測量基準，對進一步深刻理解尖軌降低值的選取以及輪軌之間的接觸關系將是十分有益的。

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