道岔尖軌磨耗對列車運行安全的影響

張文仁

(廣州鐵路(集團)公司工務處，廣東廣州510088)

道岔尖軌磨耗對列車運行安全的影響

張文仁

(廣州鐵路(集團)公司工務處，廣東廣州510088)

道岔作為線路結構的薄弱環節，其鋼軌磨耗直接影響道岔使用壽命以及列車的運行安全。本文基于UM動力學軟件，應用車輛-道岔系統耦合動力學分析客運專線18號無砟軌道道岔曲尖軌側面磨耗在不同階段對列車運行安全的影響。計算結果表明:隨著曲尖軌側面磨耗量增大，轉轍區輪軌相互作用力、脫軌系數及輪重減載率均增大，曲尖軌磨耗量達到4.19 mm時，輪軌作用力及安全系數未超過安全限值。

道岔;尖軌側面磨耗;脫軌系數;車輛-道岔耦合動力學

疲勞磨耗以及塑性變形是道岔常見的磨耗機制。道岔尖軌磨耗嚴重時，輪緣有可能爬過尖軌引起脫軌事故?？紤]到道岔區的復雜結構，尖軌的磨耗會影響列車動力學性能，進而對列車安全運行產生影響。在諸多機車車輛脫軌事故中，有相當一部分發生在機車車輛對向進入道岔時。隨著高速鐵路的發展，輪軌磨耗問題日益突出，正逐漸成為影響鐵路運輸經濟性的首要問題。輪軌磨耗后的匹配狀態不佳，尤其是尖軌磨耗必然造成列車動力學性能惡化，甚至引發列車脫軌。所以，輪軌磨耗狀態下重載列車運行安全是鐵路運輸工程亟待研究解決的難題之一，應當引起足夠重視。

本文主要基于UM動力學軟件，以速度250 km/h (側向80 km/h)客運專線18號無砟軌道道岔為研究對象，分析輪軌安全性指標，研究尖軌磨耗程度對列車安全運行的影響。

圖1　頂寬20 mm斷面磨耗情況

1　尖軌側面磨耗分析

由于道岔功能的特殊性，道岔導曲線半徑較小且不設置超高，使得列車側向通過道岔時車輛無法平衡瞬間產生的較大的離心力和離心加速度。此外，道岔區作為制、啟動頻繁區段，制、啟動過程中車輪的滾動摩擦變為滑動摩擦，摩擦系數較高，引起嚴重的側面磨耗。車輛側逆向進入道岔時會對尖軌尖端造成巨大沖擊，輪軌相互作用相較于順向通過道岔更為劇烈，因此本文以CRH380列車80 km/h的速度側逆向通過18號無砟軌道道岔為例分析曲尖軌的側面磨耗。

曲尖軌磨耗可分為4個階段，圖1為頂寬20 mm斷面磨耗情況。其中圖1(b)為4個磨耗階段與初始廓形的對比圖，圖1(c)為各階段磨耗量的分布?？梢?，側面磨耗主要引起尖軌尖部磨耗，使得尖軌廓形與輪緣更為貼合，改變了原有的輪軌接觸關系，降低了輪軌平順性。此外，側面磨耗使荷載由基本軌過渡到尖軌的位置推后，引起輪岔系統產生較大的沖擊振動。側面磨耗還會引起微觀金屬相變以及材質流動，易使列車運行過程中發生爬軌進而引發脫軌事故。表1為不同斷面各階段磨耗量最大值。

表1　磨耗量最大值mm

2　曲尖軌側面磨耗影響分析

應用車輛-道岔耦合動力學理論分析曲尖軌側面磨耗對列車運行安全的影響，主要從輪軌相互作用力和車輛運行安全性指標2方面加以分析。下面基于UM動力學軟件模擬列車以80 km/h的速度側逆向通過18號道岔轉轍區時4個磨耗階段的動力學響應。

1)輪軌相互作用力

以車輛前轉向架第1輪對為例分析不同磨耗程度左右2側所受到的輪軌垂向力以及輪軌橫向力。第1輪對輪軌垂向力、橫向力縱向分布分別見圖2、圖3。在列車側向通過道岔轍叉區時，由于側向存在導曲線且導曲線半徑較小，車輪在曲線離心力和輪軌橫向力作用下輪軌相對鋼軌不斷橫向移動，從而導致轉轍區磨耗較多。尖軌作為導向部件引導車輪從基本軌過渡到尖軌，或者從尖軌過渡到基本軌，并與基本軌緊密貼合，因此將尖軌設計為藏尖結構。列車側逆向通過道岔過程中，尖軌需要經歷3個階段:①基本軌單獨承受輪軌力，此時尖軌頂面低于基本軌頂面;②尖軌與基本軌同時受力，這一階段鋼軌磨耗易引起輪軌接觸幾何參數發生突變;③尖軌單獨承受輪軌力。整個過程輪軌振動響應較為復雜。

圖2　第1輪對輪軌垂向力縱向分布

圖3　第1輪對輪軌橫向力縱向分布

從圖2、圖3可知:由于存在導曲線，加之道岔左側不設置超高，左側鋼軌承受的垂向力以及橫向力比右側鋼軌大;左側車輪增載，右側車輪減載，在左側車輪行至尖軌變截面外時左側輪軌振動響應更為劇烈。由標準廓形到階段4的磨耗過程中，左側輪軌垂向力最大值分別為94.82，95.04，95.60，101.92，102.84 kN，右側輪軌垂向力最小值分別為67.58，66.69，65.93，64.36，63.81 kN，左側輪軌垂向力隨著尖軌磨耗量的增大而增大，右側輪軌垂向力隨著曲尖軌磨耗量的增大而減小。但是隨著磨耗量增大，左側輪軌垂向力由94.82 kN增大到102.84 kN，增大了8.46%，右側輪軌垂向力由67.58 kN減小到63.81 kN，減小了5.57%，左側輪軌力變化幅度較大。在最大磨耗情形下，階段4頂寬20 mm斷面磨耗量為4.19 mm (參見表1)，側磨量為3.34 mm，左右輪軌垂向力均在安全限值內。

從圖3可知:列車經過轉轍區時橫向波動劇烈，這是由于道岔導曲線半徑較小且未設置超高。這使得列車側向通過道岔時，車輛無法平衡由此產生的瞬間較大的離心力和離心加速度;此外列車進入道岔時沖擊尖軌，所以第1輪對左右側輪軌橫向力相對較大;由標準廓形到階段4的磨耗過程中，左側輪軌橫向力最大值分別為41.5，42.38，42.91，44.67，45.12 kN，右側輪軌橫向力最大值分別為23.15，23.5，23.76，23.83，24.06 kN，左側輪軌橫向力隨著曲尖軌磨耗量的增大而增大，橫向力最大值由41.5 kN增大到45.12 kN，增大了8.72%;右側輪軌橫向力隨著尖軌磨耗量的增大而增大，但是增長緩慢，只增大了3.9%。此外左右兩側橫向輪軌力大小不等，但方向相反，會引起軌排橫移、線路失穩等現象。最大輪軌橫向力均未超過安全限值。

2)安全性指標

車輛運行的安全性指標主要有脫軌系數和輪重減載率。以第1輪對為例分析曲尖軌側面磨耗對列車運行安全性的影響。第1輪對脫軌系數縱向分布見圖4。

圖4　第1輪對脫軌系數縱向分布

從圖4可知:列車進入道岔轉轍區后，輪對脫軌系數迅速達到最大值，尖軌完全承重后脫軌系數小了很多。這是由于列車進入道岔后，外側輪緣根部緊貼尖軌。在不斷磨耗的過程中，脫軌系數也隨著磨耗量的增大而不斷增大，不同磨耗階段左側脫軌系數最大值分別為0.480 7，0.488 9，0.491 1，0.495 8，0.524 3，右側脫軌系數最大值分別為0.322 5，0.324 9，0.329 8，0.332 2，0.334 7。由標準廓形到階段4的磨耗過程中，左側脫軌系數從0.480 7增大到0.524 3，增大了8.31%;右側脫軌系數由0.322 5增大到0.334 7，增大了3.7%，但均未超過安全限值。列車在未進入道岔時脫軌系數接近0，到達轉轍區后迅速增大，而隨著尖軌磨耗量的增大，脫軌系數增大位置不斷后移，說明隨著尖軌磨耗，尖軌與基本軌共同承載位置不斷后移。

第1輪對左輪輪重減載率縱向分布見圖5?？芍髠溶囕嗇喼販p載率分布規律與左側車輪輪軌垂向力類似，在尖軌尖端有一個頻率較高的波動。不同磨耗階段輪重減載率分別為0.157 1，0.168 8，0.171 2，0.198 4，0.215 6，可以看出隨著尖軌磨耗量的增大，輪重減載率小幅度增大，但都在安全限值范圍內。

圖5　第1輪對左輪輪重減載率縱向分布

3　結論

基于UM動力學仿真軟件，應用車輛-道岔系統耦合動力學分析客運專線18號無砟軌道道岔鋼軌磨耗在不同階段的特點及其對列車運行安全性的影響，得到以下結論:

曲尖軌側面磨耗對列車運行影響較大，隨著磨耗量增大，轉轍區輪軌相互作用力、脫軌系數以及輪重減載率均發生一定程度的增大，但即使曲尖軌磨耗量達到4.19 mm時，輪軌作用力以及安全系數并未超過安全限值。

［1］李成輝．軌道［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．

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(責任審編 李付軍)

Influence of Switch Rail Wear in Turnout on Train Running Safety

ZHANG Wenren
(Permanent Way Department，Guangzhou Railway(Group)Co．，Ltd．，Guangzhou Guangdong 510088，China)

As a weak link of the railway line structure，the rail wear of turnout directly affects the turnout service life and train operation safety．Based on dynamics software UM(Universal Mechanism)，the influence of side wear of No．18 ballastless track turnout switch rail in the passenger dedicated line at different stages on train operation safety was analyzed by using vehicle-turnout system coup ling dynamics．The results show that wheel rail interaction force in switch area，derailment coefficient and the rate of wheel load reduction increase with the side wear of switch rail increasing，the wheel rail force and safety factor don't exceed the safety limits when the side wear capacity of switch rail is 4.19 mm．

Turnout;The side wear of switch rail;Derailment coefficient;Vehicle-turnout coupling dynamics

U213．6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．31

1003-1995(2016)11-0117-04

2016-04-21;

2016-06-19

中國鐵路總公司科技研究開發計劃(Z2015-G002)

張文仁(1975—)，男，高級工程師。