9號木枕復交道岔機車車輛脫軌研究與預防

2013-06-21 06:53:26韓清強上海鐵路局阜陽工務段

上海鐵道增刊 2013年3期

韓清強上海鐵路局阜陽工務段

近幾年，9號木枕復交道岔機車車輛脫軌現象呈多發態勢，對編組站的安全暢通構成了威脅。復交道岔出現脫軌，既干擾了運輸，又造成了損失，還困擾著現場。因此，開展復交道岔機車車輛脫軌問題研究，進而制訂出符合實際的預防措施，對于消除運輸安全隱患，確保編組安全暢通十分重要。

1 復交道岔機車車輛脫軌的基本類型

車輛在線路上的脫軌形式通常有爬軌、跳軌、滑軌以及車輪因軌距過大掉入軌道內側脫軌等。爬軌通常發生于低速通過小半徑曲線時；跳軌多數發生在高速運行時；掉入軌道脫軌發生在輪對安全搭載不足時。通過統計，復交道岔上的脫軌多發生在側向，主要是因輪對爬軌而引起的爬上鋼軌脫軌、爬上尖軌脫軌和爬軌后因輪對安全搭載量不足掉入軌道內側脫軌等三種類型。

2 復交道岔機車車輛脫軌分析

2.1 爬軌過程及其分類

車體在側向通過復交道岔時，由于發生轉向，輪對將承受車體傳來的側向力。在側向力作用下，前輪對的外側車輪輪緣緊靠鋼軌，并在導向力作用下，引導著前輪對連同整個轉向架沿著曲尖軌方向運行，形成輪緣根部的圓弧與軌頭側面的圓弧部分接觸，出現爬軌趨勢。如果側向力大到一定程度，車輪踏面逐漸抬起，爬軌趨勢越來越大，輪緣將沿著鋼軌側面滾動。此時存在以下三種情況：

（1）爬鋼軌脫軌。如果此時輪重還不夠大，則在側向力作用下，車輪在轉動的同時繼續往上爬，如果輪緣與軌頭接觸點達到輪緣圓弧面上拐點，就出現了臨界狀態。超過臨界狀態后，輪緣頂部的圓弧部分和軌頭頂面接觸，直至車輪爬上鋼軌，并使車輪落出軌外，形成輪緣在軌枕上滾切的脫軌現象。

（2）爬尖軌脫軌。對于尖軌頂寬50 mm斷面前，由于尖軌低于基本軌，如果此時輪緣頂部超過尖軌頂面中部，此時，輪對已經不能回復正常狀態，隨著車輪轉動，輪緣將可能沿著尖軌頂面移動，導致爬上尖軌，形成擠岔脫軌。

（3）掉入軌道脫軌。車輪在爬升的過程中，輪緣厚度逐漸變薄，同時，若鋼軌出現側磨，軌頭的厚度也變薄，輪對安全搭載量將大幅減小，若超過允許限度，此時，即使輪對未爬上鋼軌（尖軌），也會因安全搭載量不足而導致非爬軌側車輪掉入軌道內側，形成脫軌事故。

2.2 脫軌條件及影響因素

影響機車車輛脫軌的因素分為兩大類：一類是使輪軌之間的側向力加大；一類是使輪重減小的。分別用脫軌系數和輪重減載率來衡量。

2.2.1 脫軌系數與輪對脫軌條件

“脫軌系數”由Nadal給出計算公式：

式中：

Q--作用在車輪上的側向力；

P--作用在車輪上的垂向力；

μ--輪緣處的摩擦系數；

a--輪緣接觸角。

可知：①摩擦系數越大，爬軌系數越大，反之則小；②輪緣角越小，爬軌系數越大，控制輪緣角可降低爬軌系數；③側向力越大，爬軌系數越大。側向力的大小與車體狀態、軌道狀態有關。

2.2.2 輪對側向力分析

圖1為車輪側向進入復交道岔的示意圖。

圖1 車輪側向過岔示意圖

由圖中可以看出：

①側向力與速度V和沖擊角β正弦值成正比，控制速度和減小沖擊角有利于降低側向力，對減小爬軌可能性有利。

②尖軌基本軌的側磨范圍為：以尖軌尖端A為中心，距離為δ/sinβ的范圍，為基本軌和尖軌的側磨范圍。對于9號復交道岔，這一范圍約為199.2 mm-706.3 mm。這一范圍恰是尖軌最薄弱、車輪最易爬上尖軌的部分。

③β為廣義沖擊角。包括轍叉構造角、尖軌尖端附近δ/sinβ范圍內因基本軌橫移而產生的動態附加角與軌距方向不順增加的靜態附加角。

2.2.3 輪重減載率與輪對脫軌條件

車輛側向進入復交道岔時，若爬軌側車輪的輪重減載過多時，即使側向力很小，也有可能脫軌。對于復交道岔，對輪重減載量有直接影響的主要是線路扭曲率i‰。以P60棚車在空車狀態、對角旁承游間之和為0的不利條件下來考查輪重減載率與線路扭曲率關系，其為：

具體見圖2。

圖2 輪重減載率與線路扭曲率關系

從圖中可以看出，扭曲率越大，減載率越高，出現脫軌的可能性越大。以ΔP/P分別為0.6、0.65來考察，在基長2.4 m范圍內，三角坑分別7.6 mm、8.2 mm，超過經常保養標準，但都未達到臨時補修標準。因此要嚴格控制尖軌尖端前后的空吊和三角坑，達到7 mm均按臨時補修標準進行管理。

2.3 掉入軌道脫軌分析

輪對側向過岔時，外側車輪輪緣緊靠外軌，輪對內側踏面在內軌上應保證有足夠寬度，以防輪對掉入軌道內導致脫軌。內側車輪踏面在內軌上的這個必要寬度，叫作安全搭載量λ。車輪側向通過復交道岔時難免會出現爬軌現象，若鋼軌存在側磨，λ將會快速減小。對于標準輪緣角，車輛輪對最不利條件下，車輪側向通過復交道岔時，λ與爬軌高度h、鋼軌側磨量b的關系為：

一般情況下λ不小于5 mm，否則將會引起一側輪對掉入軌道內側而脫軌，則在臨界狀態時，h與b的關系為：

則h與b的關系見圖3。

圖3 車輪爬軌高度與鋼軌側磨量關系

從圖中可以看出，在λ一定的情況下，爬軌高度與鋼軌側磨量成反比，側磨量越大，允許的爬軌高度就越小。如對于P50軌而言，當側磨量12 mm、軌距為1 450 mm時，允許的爬軌高度約為16.6 mm，超過這一高度，既使工務各項技術指標都不超過規定標準，但因λ不足5 mm，可能導致脫軌；當側磨量6 mm時，爬軌高度不超過25 mm，軌距為允許最大軌距1 456 mm時，λ都在安全范圍。因此對于復交道岔側向導曲軌，側磨量要從嚴控制，允許值不超過6 mm為宜。

2.4 爬上尖軌脫軌分析

在尖軌頂面低于基本軌段，取尖軌頂面寬度為d1，輪緣厚度為d，當輪緣側面與鋼軌（或尖軌）側面接觸而未爬軌時，輪緣頂面中線與尖軌頂面中線的水平距離用X表示。當輪對爬軌時，X與h、b的關系為：

因此，判斷輪緣是否爬上尖軌可用X來表示，若X≤0，則可認為輪緣爬上尖軌。X=0時，尖軌頂面寬度d1為臨界狀態。

輪緣厚度為22 mm時，不同輪緣角下，輪對爬升高度h與側磨量b、尖軌頂面寬度d1的關系見圖4：

圖4 最不利輪對爬軌高度與鋼軌側磨、尖軌頂面寬度關系

從公式及圖中可知：尖軌頂面寬20 mm以前是車輪最易爬上尖軌的地方。當該段無側磨、輪緣角合理時，車輪不易爬上尖軌，但一旦有側磨，輪對在該段易出現爬上尖軌的情況。因此要控制輪緣爬上尖軌，除要控制輪緣爬軌外，還要對該段鋼軌和尖軌的側磨量從嚴管理，當達到4 mm時必須及時更換。

3 控制措施

從以上分析可知，要控制機車車輛輪對爬軌，避免可能出現的風險，對于木枕復交道岔，要從“一改二涂三查四修五換”入手來補強。

3.1 改造既有護軌和墊板、軌距桿

在現有強化項目基礎上，將護輪軌長度由3.6 m增加到4.8 m。護軌改造后，一方面可以減小側向力。若護軌緩沖角為β'，則輪對側向通過時的沖擊角為β-β'，輪軌沖擊角相應減小；另一方面對尖軌基本軌側磨起到防護作用，減小磨耗速率，延長設備壽命；第三起到防止爬上尖軌作用。護軌改造后，車輪對尖軌的沖擊位置將距尖軌尖端更遠，減少輪緣在尖軌頂面寬度20 mm前爬上尖軌的可能。將尖軌尖端第18、17、16位枕木上（直股3塊曲股3塊，對稱總共12塊）墊板改為通常墊板；將第2、3位枕木上（直曲各2塊，對稱總共8塊）墊板改為通常支距墊板。將轉轍及連接部位曲股每3～4根岔枕增設不少于1根軌距桿，其中接頭兩側應各設一根，轍叉中部各安裝1根拉桿，尖軌前尖端前加裝2根絕緣軌距桿（第18孔位置），在14孔、13孔、12孔、11孔各安裝一根軌距拉桿。通過墊板和軌距桿，使軌道上下股成為一體，增加軌道穩定性，防止動態軌道橫移，防止動態軌距擴大。