曲線尖軌線型對(duì)其磨耗特性影響的研究

王樹(shù)國(guó)，王 猛，司道林，葛 晶

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

曲線尖軌線型對(duì)其磨耗特性影響的研究

王樹(shù)國(guó)，王 猛，司道林，葛 晶

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

為解決曲線尖軌使用壽命短的技術(shù)難題，研究并實(shí)踐了直曲組合型曲線尖軌技術(shù)。新尖軌采用相離半切線型，前端直線段長(zhǎng)度為5 439 mm，是原曲線尖軌前端直線段長(zhǎng)度的2倍。重載車(chē)輛—道岔動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)可顯著減小列車(chē)順向出岔時(shí)作用在尖軌前端的橫向力及磨耗指標(biāo)，從而改變尖軌磨耗特性，延長(zhǎng)尖軌使用壽命。尖軌磨耗和壽命觀測(cè)試驗(yàn)表明:新尖軌最大磨耗發(fā)生在尖軌寬60～70 mm斷面，使用壽命是傳統(tǒng)曲線尖軌的3～4倍，表現(xiàn)出和傳統(tǒng)曲線尖軌不同的磨耗特性。

道岔 曲線尖軌 磨耗特性 服役壽命

隨著既有客貨混運(yùn)鐵路和重載鐵路軸重和運(yùn)量的增加，道岔及其核心部件傷損嚴(yán)重，特別是尖軌和固定型轍叉服役壽命短，更換頻繁［1］。為延長(zhǎng)尖軌及轍叉服役壽命，在材料方面，采用貝氏體鋼制造了尖軌和轍叉，并進(jìn)行了實(shí)踐［2-5］;在結(jié)構(gòu)方面，國(guó)外開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)轍器KGO技術(shù)，以部分修正車(chē)輪運(yùn)行軌跡，減輕對(duì)尖軌的磨耗［6-7］，國(guó)內(nèi)研發(fā)并實(shí)踐了尖軌和心軌加寬技術(shù)，并對(duì)重載道岔的剛度均勻化進(jìn)行了探索［8-10］。本文研究曲線尖軌線型對(duì)其磨耗特性的影響，通過(guò)曲線尖軌線形優(yōu)化改變其磨耗特性，從而延長(zhǎng)使用壽命。

1 傳統(tǒng)道岔曲線尖軌磨耗特性分析

由于道岔導(dǎo)曲線半徑較小且不設(shè)超高，道岔曲線尖軌承受著較大的輪軌力作用，重載列車(chē)作用下，曲線尖軌的傷損較直尖軌嚴(yán)重，曲線尖軌傷損主要表現(xiàn)為磨耗過(guò)快和剝離掉塊。曲線尖軌磨耗嚴(yán)重區(qū)段發(fā)生在尖軌實(shí)際尖端至軌頭寬30 mm斷面，自30 mm斷面向后磨耗逐漸減小。由于曲線尖軌前端1 m范圍內(nèi)軌頭截面小，車(chē)輪橫向力大，常常產(chǎn)生圖1所示的剝離掉塊現(xiàn)象。12號(hào)道岔曲線尖軌使用壽命一般為1 000～4 000萬(wàn)t。

圖1 12號(hào)道岔曲線尖軌尖端磨耗與掉塊

圖2 12號(hào)道岔曲線尖軌軌頭寬度與側(cè)面磨耗沿尖軌長(zhǎng)度的變化

使用Miniprof測(cè)試分析了服役壽命到限的重載道岔曲線尖軌磨耗特性，尖軌軌頭寬度和側(cè)面磨耗沿尖軌長(zhǎng)度的變化如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，尖軌的最大側(cè)面磨耗發(fā)生在尖軌前端，尖軌軌頭寬5 mm至軌頭寬20 mm處側(cè)面磨耗最大，其中5 mm斷面和10 mm斷面軌頭側(cè)面磨耗100%，20 mm斷面?zhèn)让婺ズ?5%，自20 mm斷面至35 mm斷面尖軌側(cè)面磨耗逐漸減小，至50 mm斷面尖軌側(cè)面磨耗降至1.0 mm。尖軌側(cè)面磨耗最大值發(fā)生在尖軌最薄弱區(qū)段，導(dǎo)致尖軌尖端磨耗殆盡或產(chǎn)生掉塊而下道，嚴(yán)重影響了其使用壽命。

產(chǎn)生上述磨耗現(xiàn)象的原因有:①列車(chē)逆向進(jìn)入道岔側(cè)線時(shí)，存在對(duì)尖軌尖端的沖擊作用;②列車(chē)順向駛出道岔側(cè)線時(shí)，尖軌起導(dǎo)向作用，橫向力大，磨耗指數(shù)高;③輪載轉(zhuǎn)移發(fā)生在尖軌前端，車(chē)輪對(duì)尖軌的橫向作用較其他部位大，側(cè)面磨耗嚴(yán)重。

對(duì)既有道岔曲線尖軌磨耗特性的分析表明，應(yīng)通過(guò)優(yōu)化曲線尖軌線型將產(chǎn)生最大磨耗的位置后移至尖軌軌頭較寬區(qū)段，以減少甚至完全避免曲線尖軌尖端的過(guò)度磨耗及掉塊。

2 曲線尖軌平面線型選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 尖軌平面線型選擇

單開(kāi)道岔側(cè)線尖軌有直線尖軌、切線型曲線尖軌、半切線型曲線尖軌、相離半切線型曲線尖軌、割線型曲線尖軌、半割線型曲線尖軌6種結(jié)構(gòu)形式。直線尖軌跟端為活接頭，一般應(yīng)用于號(hào)碼較小道岔或速度較低的有縫鐵路。車(chē)輪順向通過(guò)道岔時(shí)，直線尖軌的磨耗小于曲線尖軌，因此直線尖軌具有壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。割線型和半割線型曲線尖軌可以縮短尖軌長(zhǎng)度，從而縮短道岔長(zhǎng)度，但由于沖擊角大，列車(chē)逆向進(jìn)入道岔側(cè)線時(shí)動(dòng)能損失大，容易晃車(chē)，在號(hào)碼≥12號(hào)的正線道岔極少采用。切線型、半切線型、相離半切線型為曲線尖軌常用的3種結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)特征分別如圖3(a)～圖3(c)所示。

如圖3(a)所示的切線型曲線尖軌，其半徑為Rw的圓曲線理論起點(diǎn)與基本軌工作邊相切。在實(shí)際應(yīng)用中，為了縮短尖軌長(zhǎng)度和加寬尖軌尖端，在尖軌軌頭寬bq=2～5 mm斷面前取用一段長(zhǎng)100～300 mm的直線段，該直線段與圓曲線不相切，和基本軌工作邊相交。如圖3(b)所示的半切線型曲線尖軌，其半徑為Rw的圓曲線理論起點(diǎn)與基本軌工作邊相切。在實(shí)際應(yīng)用中，在尖軌軌頭寬bq=10～40 mm處作圓曲線切線，直線段長(zhǎng)度L遠(yuǎn)大于切線型曲線尖軌。bq的取值應(yīng)滿(mǎn)足使車(chē)輪逆向進(jìn)入道岔側(cè)向時(shí)尖軌沖擊角βc小于等于容許值，或者說(shuō)動(dòng)能損失ω小于等于允許值，因此尖軌前端的直線段長(zhǎng)度L有限。如圖3(c)所示的相離半切線型曲線尖軌，半徑為Rw的圓曲線理論起點(diǎn)與基本軌工作邊不相切。離開(kāi)的距離為f。在尖軌軌頭寬bq=20～71 mm處作圓曲線切線，由于可以調(diào)整相離值f，直線段長(zhǎng)度L可遠(yuǎn)大于半切線型曲線尖軌。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和重載車(chē)輛—道岔動(dòng)力學(xué)理論，圖3(d)所示的直線型尖軌使用壽命最長(zhǎng)，但在轉(zhuǎn)轍角一定時(shí)，這種尖軌最長(zhǎng)，尖軌變長(zhǎng)導(dǎo)致道岔全長(zhǎng)增加。對(duì)于圖3(e)所示的切線型曲線尖軌，車(chē)輛逆向進(jìn)入道岔側(cè)線時(shí)，輪軌動(dòng)力作用最小，行車(chē)最平穩(wěn)，但運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明這種尖軌不耐磨，壽命短。因此我國(guó)道岔大部分采用半切線型曲線尖軌和相離半切線型曲線尖軌。本文擬探索一種如圖3(f)所示的新型“直曲組合型”曲線尖軌，該尖軌前部為直線，后部為曲線，直線段長(zhǎng)度超過(guò)尖軌總長(zhǎng)的1/3。“直曲組合型”曲線尖軌將直線尖軌耐磨的優(yōu)點(diǎn)與曲線尖軌彈性可彎及縮短道岔長(zhǎng)度的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。該尖軌采用如圖3(c)所示的相離半切線型，通過(guò)增大相離量，顯著延長(zhǎng)尖軌前端直線段長(zhǎng)度，使之呈現(xiàn)曲線尖軌前端是直線，后部為曲線的結(jié)構(gòu)特征。

圖3 單開(kāi)道岔側(cè)線尖軌結(jié)構(gòu)形式

2.2 曲線尖軌平面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

重載鐵路常用12號(hào)固定型轍叉單開(kāi)道岔導(dǎo)曲線半徑一般為350～400 m，側(cè)向通過(guò)速度一般為40～50 km/h。道岔前長(zhǎng)、后長(zhǎng)、全長(zhǎng)分別為16.592，21.208和37.8 m。為便于和新型道岔比較，選取采用半切線型的既有12號(hào)道岔為比較對(duì)象。該道岔導(dǎo)曲線半徑為400 m，采用如圖4(a)和表1所示的半切線型曲線尖軌，尖軌前端直線段長(zhǎng)度為2 619 mm，尖軌最大磨耗和掉塊發(fā)生在尖軌前端薄弱部位(參見(jiàn)圖1和圖2)。

為改變尖軌磨耗特性，設(shè)計(jì)了新型12號(hào)固定型轍叉單開(kāi)道岔。該道岔導(dǎo)曲線半徑為350 m，采用圖4(b)和表1所示的相離半切線型曲線尖軌，相離值為40.8 mm，在軌頭寬度66.8 mm處做斜切線，尖軌直線段長(zhǎng)度為5 439 mm，超過(guò)了尖軌總長(zhǎng)度的1/3。

圖4 12號(hào)道岔尖軌線型優(yōu)化(單位:mm)

表1 12號(hào)固定型轍叉單開(kāi)道岔曲線尖軌線型與尖軌尖端結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

3 30t軸重貨物列車(chē)過(guò)岔動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

3.1 仿真模型的建立與參數(shù)選取

運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件NUCARS建立我國(guó)30 t軸重貨車(chē)—道岔動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算輪軌橫移、輪對(duì)沖角、踏面磨耗等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，就平面線型對(duì)尖軌磨耗特性的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

車(chē)輛模型由車(chē)體、側(cè)架、搖枕、輪對(duì)組成;車(chē)體考慮橫移、沉浮、側(cè)滾、點(diǎn)頭和搖頭5個(gè)自由度;搖枕考慮橫移、沉浮、側(cè)滾、搖頭4個(gè)自由度;側(cè)架考慮縱向、橫移、沉浮、點(diǎn)頭、搖頭5個(gè)自由度;輪對(duì)考慮橫移、沉浮、側(cè)滾、搖頭4個(gè)自由度。因此，車(chē)輛模型共有5+2×4+ 4×5+4×4=49個(gè)自由度。將搖枕和車(chē)體之間的心盤(pán)連接考慮成一個(gè)回轉(zhuǎn)摩擦副;側(cè)架和搖枕間考慮了搖枕彈簧的垂向、橫向和縱向剛度，摩擦楔塊考慮成雙向摩擦副，軸箱懸掛縱向和橫向用彈簧阻尼單元模擬，豎向由兩個(gè)摩擦副模擬。

本文采用NUCARS新型滲透接觸模型代替了既有的剛性接觸模型。在該輪軌接觸模型中，輪軌接觸幾何關(guān)系的計(jì)算是在每一個(gè)積分步中實(shí)時(shí)計(jì)算輪軌接觸參數(shù)，由此可準(zhǔn)確搜索由于尖軌高度變化而導(dǎo)致的接觸點(diǎn)變化。

12號(hào)道岔尖軌采用傳統(tǒng)線型和新線型時(shí)，尖軌軌頭寬度與降低值特征如圖5所示。

圖5 12號(hào)道岔尖軌軌頭寬度與降低值

3.2 列車(chē)逆向通過(guò)道岔側(cè)線的仿真計(jì)算

當(dāng)車(chē)輛逆向通過(guò)一組右開(kāi)道岔側(cè)線時(shí)，運(yùn)用建立的重載車(chē)輛—道岔模型對(duì)不同尖軌線型方案進(jìn)行了仿真計(jì)算，第1轉(zhuǎn)向架第1輪對(duì)的輪對(duì)橫移、輪對(duì)沖角、踏面磨耗、輪緣磨耗、橫向力及垂向力如圖6所示。輪對(duì)橫移以指向運(yùn)行方向左側(cè)為正，輪軌橫向力(鋼軌作用于車(chē)輪)以指向運(yùn)行方向左側(cè)為正(下同)。走行距離50 m處為尖軌實(shí)際尖端。

由圖6可得到如下結(jié)論:

圖6 列車(chē)逆向通過(guò)道岔側(cè)線動(dòng)力學(xué)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

1)由于傳統(tǒng)線型和新線型尖軌沖擊角分別為0.746 4°和0.697 7°，因此車(chē)輛進(jìn)入尖軌時(shí)，傳統(tǒng)線型的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最大，新線型的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)最小，但各方案間差別較小。

2)新線型方案尖軌前端直線段最長(zhǎng)，車(chē)輛在進(jìn)入尖軌并產(chǎn)生沖擊后，圖6(a)所示的輪對(duì)橫移迅速減小，圖6(b)所示的輪對(duì)沖角、圖6(e)所示的第1軸左側(cè)橫向力及圖6(f)所示的第1軸左側(cè)垂向力均迅速減小，從而使圖6(c)所示的左輪踏面磨耗和圖6(d)所示的左輪輪緣磨耗減小。

圖7 列車(chē)順向通過(guò)道岔側(cè)線動(dòng)力學(xué)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3.3 列車(chē)順向通過(guò)道岔側(cè)線仿真計(jì)算

當(dāng)車(chē)輛順向通過(guò)一組左開(kāi)道岔側(cè)線時(shí)，不同尖軌線型方案對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)如圖7所示。走行距離80 m處為尖軌刨切起點(diǎn)，該處軌頭寬度為71 mm，80 m前為導(dǎo)曲線。傳統(tǒng)線型和新線型尖軌實(shí)際尖端分別位于84.782和85.671 m處。

由圖7可得到如下結(jié)論:

1)新線型方案尖軌前端直線段長(zhǎng)，車(chē)輛由導(dǎo)曲線進(jìn)入尖軌前端直線段后，車(chē)輪不再貼靠左側(cè)尖軌運(yùn)行，圖7(a)所示的輪對(duì)橫移逐漸減小，左側(cè)車(chē)輪輪緣和尖軌作用邊不接觸。圖7(b)所示的輪軌沖角、圖7(e)所示的第1軸左側(cè)橫向力均迅速減小，圖7(f)所示的第1軸左側(cè)垂向力有所減小，從而使圖7(c)所示的左輪踏面磨耗大幅減小，不產(chǎn)生圖7(d)所示的左輪輪緣磨耗。

2)對(duì)于傳統(tǒng)線型，圖7(a)所示的輪軌橫移繼續(xù)增大，左側(cè)車(chē)輪貼靠尖軌前端。圖7(b)所示的輪軌沖角繼續(xù)增大，圖7(e)所示的第1軸左側(cè)橫向力在尖軌尖端大幅增加，圖7(f)所示的第1軸左側(cè)垂向力有所增加，從而使圖7(c)所示的左輪踏面磨耗大幅增加，并且產(chǎn)生圖7(d)所示的左輪輪緣磨耗。圖7(d)表明，對(duì)于傳統(tǒng)線型，第1軸左輪輪緣磨耗在運(yùn)行距離84～85 m處達(dá)到峰值，而該處位于尖軌尖端，易造成尖軌尖端薄弱斷面磨耗到限而下道，影響尖軌整體使用壽命和行車(chē)安全。該仿真結(jié)果能夠客觀解釋現(xiàn)場(chǎng)尖軌尖端的異常磨耗和掉塊。

3)相較于傳統(tǒng)線型，采用新線型的曲線尖軌用于順向出岔時(shí)，頂面磨耗大幅降低，不產(chǎn)生側(cè)面磨耗，因此使用壽命可顯著延長(zhǎng)。

4 曲線尖軌磨耗特性試驗(yàn)研究

在大秦鐵路遷安北站17號(hào)岔位對(duì)采用新線型的曲線尖軌進(jìn)行了磨耗試驗(yàn)，該岔位12號(hào)道岔原采用SC559型12號(hào)道岔，曲線尖軌平均使用壽命為40～60 d，通過(guò)總重為1 400～2 100萬(wàn)t，新型曲線尖軌共使用241 d，側(cè)向通過(guò)總重為8 600萬(wàn)t，使用壽命是原SC559曲線尖軌的4倍。

新型曲線尖軌的側(cè)面、垂直和軌角磨耗如圖8所示，新尖軌和傳統(tǒng)尖軌沿尖軌縱向的側(cè)面磨耗對(duì)比如圖9所示。由圖8和圖9可見(jiàn)，新型曲線尖軌的磨耗特性發(fā)生了顯著變化，尖軌產(chǎn)生最大側(cè)面磨耗的斷面顯著后移，由傳統(tǒng)道岔曲線尖軌實(shí)際尖端至35 mm斷面，后移至距尖軌尖端5～6 m的60～70 mm斷面。曲線尖軌產(chǎn)生最大側(cè)面磨耗位置的軌頭寬度大大增加，完全避免了整個(gè)軌頭被全部磨耗掉或產(chǎn)生掉塊，在顯著延長(zhǎng)了尖軌使用壽命的同時(shí)，消除了尖軌尖端掉塊帶來(lái)的行車(chē)安全隱患。

圖8 75 kg/m鋼軌12號(hào)道岔曲線尖軌磨耗特性

圖9 75 kg/m鋼軌12號(hào)道岔傳統(tǒng)線型和新線型曲線尖軌磨耗特性

5 結(jié)論

1)提出了一種“直曲組合型”曲線尖軌線型。對(duì)于12號(hào)道岔，該尖軌前端直線段長(zhǎng)度達(dá)5 439 mm，超過(guò)尖軌總長(zhǎng)的1/3。該技術(shù)通過(guò)采用相離半切線型并增大相離值實(shí)現(xiàn)。

2)重載車(chē)輛—道岔動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計(jì)可顯著減小列車(chē)順向通過(guò)道岔時(shí)作用在尖軌前端的橫向力及磨耗指標(biāo)，從而改變尖軌磨耗特性，延長(zhǎng)尖軌使用壽命。

3)長(zhǎng)期磨耗測(cè)試數(shù)據(jù)表明，尖軌產(chǎn)生最大側(cè)面磨耗的位置顯著后移，由傳統(tǒng)道岔曲線尖軌實(shí)際尖端至35 mm斷面，后移至距尖軌尖端5～6 m的60～70 mm斷面，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)曲線尖軌不同的磨耗特性。新尖軌使用壽命是傳統(tǒng)曲線尖軌的3～4倍，顯著延長(zhǎng)了曲線尖軌的使用壽命。

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Research on influence of curve-type of switch rail on its wearing characteristics

WANG Shuguo，WANG Meng，SI Daolin，GE Jing
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

In order to solve the short service life of traditional curved switch rail，a new curved switch rail with straight-curved combination layout is studied and tested.The new switch rail applies an offset and semi-tangent profile and the tangent section of curved switch rail is 5 439 mm long，which is twice the traditional one.The heavy load vehicle-turnout dynamics simulation data showed that such design can significantly reduce the lateral force as well as the wear indicator acting on the front end of switch rail when train switching forward，which could improve the wear characteristics of switch rail and extend the service life.The wear and life observation results showed that the severest wear of the new switch rail occurs in the switch rail section with 60～70 mm width，the service life is3～4 times as long as the traditional ones，and the new switch rail has a different wear characteristics compared with the traditional curved switch rail.

Turnouts;Curved switch rail;W ear characteristics;Service life

U213.6+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.20

1003-1995(2015)01-0087-06

(責(zé)任審編 李付軍)

2014-11-15;

2014-12-25

王樹(shù)國(guó)(1974—)，男，副研究員，山東冠縣人，博士。