高速道岔尖軌磨耗特征及管理限值研究

王樹國，王 璞，葛 晶，司道林，楊東升

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

道岔是機車車輛實現轉向或者跨線的關鍵鐵路設備，其結構復雜、部件眾多。高速道岔服役過程中，尖軌磨耗問題尤為普遍，磨耗會引起軌頭廓形及尖軌基本軌相對位置的改變，直接影響列車過岔時的輪軌接觸狀態和輪載過渡情況，進而會對列車運行的安全、穩定性產生嚴重影響。另外，接觸不良所引起的振動沖擊、塑性變形、剝離掉塊等問題也會嚴重降低車輪與道岔鋼軌件的使用壽命。磨耗問題成為導致尖軌報廢的主要原因［1?5］。

針對道岔區磨耗問題，國內外學者已開展了一系列的研究工作，徐井芒等［6?7］建立了道岔鋼軌磨耗仿真分析方法，編制了道岔鋼軌磨耗仿真程序，以尖軌典型斷面為例，計算了不同通過總重情況下道岔鋼軌廓型改變情況，并且分析了車輛軸重、側向過岔速度、軌距、軌底坡及輪軌摩擦系數等對道岔鋼軌磨耗的影響。王平等［8］以18 號高速道岔為例，結合車輛-道岔耦合動力學仿真計算，研究不同輪軌摩擦系數匹配下，車輛通過轉轍器部分時的系統動力響應和輪軌磨耗特性，以期在保證車輛安全通過道岔的前提下，為降低曲尖軌磨耗、延長曲尖軌使用壽命，提供合理的輪軌摩擦控制方案。劉啟賓等［9?10］基于Archard 磨耗模型并結合有限元靜動力分析方法，對重載鐵路合金鋼心軌組合轍叉道岔岔區鋼軌垂直磨耗特性進行了研究，給出了一種研究鋼軌磨耗的新方法。高亮等［11］研究了鐵路道岔采用60型及60N 型面列車動力學特性變化，以18 號固定轍叉為例，建立列車-道岔空間耦合動力學分析模型，基于Archard磨耗理論對道岔區鋼軌磨耗進行仿真預測，對比岔區鋼軌磨耗前后列車動力學特性及磨耗特性的變化。目前對于高速道岔區的尖軌和基本軌磨耗規律尚無系統清晰的認識，針對岔區尖軌和基本軌廓形雖已開展過較多測試工作，但多為研究特定狀態下鋼軌的磨耗情況，測試工作也較為零散，沒有時間上的連續性［12?13］。規范《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》和《高速鐵路有砟軌道線路維修規則》中對道岔區尖軌磨耗限值的規定也過于粗糙且缺乏可操作性，因此實際養護維修中大多數情況下也并未按照規范限值執行［14?15］。因此，有必要對高速道岔區尖軌和基本軌磨耗規律進行系統的試驗研究，對既有規范中道岔尖軌磨耗限值的合理性進行研究。

本文對城際鐵路某站2 組道岔進行現場監測，研究不同過岔條件下高速道岔尖軌的實際磨耗特征；通過脫軌風險分析和尖軌強度分析，研究高速道岔尖軌磨耗管理限值。

1 高速道岔尖軌磨耗特征

選取城際鐵路某站2#和11#道岔進行現場監測，對尖軌及基本軌磨耗特征進行試驗研究。2 組道岔均為客專線系列18 號無砟道岔，圖號KZX（07）001［16］。道岔位置如圖1所示，2#道岔位于列車逆向通過段，11#道岔位于列車順向通過段，每天通過列車約80列，日通過總重約48 000 t。

圖1 站場布置圖

采用Miniprof 鋼軌廓形測試設備對2 組道岔轉轍器區尖軌和基本軌的磨耗情況進行跟蹤觀測，監測時長近1年半，監測時間間隔3 個月左右。高速道岔磨耗測試特征斷面見表1。

表1 高速道岔磨耗測試特征斷面

圖2為逆向過岔時2#道岔轉轍器區尖軌和基本軌垂向磨耗（以下簡稱垂磨）監測結果。由圖2可知：隨著服役時間的增長，轉轍器區尖軌和基本軌垂向磨耗逐漸增大；在岔前及尖軌較窄區段以基本軌垂磨為主，在車輪輪載過渡的區域尖軌垂磨迅速增大，輪載過渡完成后尖軌垂磨占據主導；直尖軌垂磨隨著尖軌的加寬呈先增大后減小的趨勢，在35 mm斷面位置的垂磨最嚴重，曲尖軌垂磨隨著尖軌的加寬總體呈增大的趨勢，在72 mm 斷面位置垂磨達到最大；總體來看，曲基本軌及直尖軌的垂磨比直基本軌及曲尖軌垂磨更嚴重。

圖2 2#道岔尖軌和基本軌垂向磨耗

圖3為逆向過岔時2#道岔轉轍器區尖軌和基本軌側向磨耗（以下簡稱側磨）監測結果。由圖3可知：直尖軌的側磨總體較輕，而曲尖軌從3 mm 斷面開始直至全斷面均存在顯著的側磨，隨著尖軌的加寬側磨逐漸增大，然后至尖軌頂寬較寬區域側磨呈現減小的趨勢，且曲尖軌側磨明顯大于直尖軌；基本軌的側磨主要集中在岔前及輪載過渡開始前尖軌頂寬較小位置，直、曲基本軌的側磨程度基本相當，均較小。值得注意的是，2#道岔曲尖軌在2018年5月9日進行了更換，因此相應的磨耗呈現出突然減小的特征。

圖3 2#道岔尖軌和基本軌側向磨耗

圖4為順向過岔時11#道岔轉轍器區尖軌和基本軌垂向磨耗監測結果。由圖4可知：曲尖軌在50 mm 斷面位置的垂磨最嚴重，而直尖軌在頂寬20～72 mm 范圍垂磨均較大，且直尖軌垂磨比曲尖軌更嚴重；基本軌垂磨在輪載過渡前尖軌較寬區域較大，在輪載過渡的區域有所減小，在輪載過渡完成后尖軌前端和岔前區域又顯著增大，且曲基本軌垂磨比直基本軌略大。

圖4 11#道岔尖軌和基本軌垂向磨耗

圖5為順向過岔時11#道岔轉轍器區尖軌和基本軌側向磨耗監測結果。由圖5可知：曲尖軌在輪載過渡前頂寬較寬區域的側磨較小，在車輪輪載過渡的區段側磨較為明顯，輪載過渡完成后直基本軌側磨迅速增大，在尖軌尖端及岔前存在顯著側磨；相對而言直尖軌側磨情況總體較輕，明顯小于曲尖軌，相應地，在輪載過渡完成后曲基本軌側磨也明顯小于直基本軌。值得注意的是，11#道岔直基本軌在2019年4月15日進行了更換，因此相應的磨耗呈現出突然減小的特征。

圖5 11#道岔尖軌和基本軌側向磨耗發展規律

由圖3—圖6可知，控制曲尖軌使用壽命的主要因素是側向磨耗。對比圖3和圖5可知：在逆向和順向過岔條件下，曲尖軌磨耗呈現出顯著的差異性；逆向通過條件下，曲尖軌側磨主要發生在頂寬較寬區段，磨耗范圍更靠近尖軌跟端；順向通過條件下，曲尖軌側磨主要發生在前端較窄區段并延伸至岔前，基本軌也存在顯著側磨。

為進一步探究過岔條件不同帶來的磨損差異，對某城際鐵路磨耗到限下道的曲尖軌側磨進行測量和研究。不同過岔條件下道尖軌的磨耗情況如圖6所示。

圖6 下道尖軌磨耗

由圖6可知：順向過岔道岔下道尖軌側磨主要集中在頂寬5～30 mm 區段，最大側磨發生在15 mm 斷面，側磨量3.9 mm，并未達到規范規定的6 mm 限值［14］，下道原因主要為尖軌前端薄弱斷面存在相對較大的側磨量導致強度不足，易出現壓潰、掉塊等傷損；相對而言，逆向通過道岔下道尖軌前端側磨量較小，側磨主要發生在頂寬較寬區段，從35 mm 斷面開始至全斷面區段側磨量均在7.5 mm以上，最大達到8.6 mm，顯然已經超過了規范規定的6 mm限值。

2 高速道岔尖軌磨耗管理限值

根據現場運營中高速道岔尖軌磨耗特征及養護維修部門實際更換磨耗軌的經驗可知，既有規范規定道岔尖軌側磨限值6 mm，而尖軌前端斷面頂寬已不足6 mm，這顯然并不能對現場養護維修提供有效指導，實際應用中也并未得到具體執行。因此，有必要根據高速道岔尖軌實際磨耗特性對磨耗管理限值進行進一步研究和修正，以真正能夠指導現場養護維修。

下面從脫軌風險和尖軌強度2 個方面對高速道岔尖軌磨耗管理限值進行。

2.1 脫軌風險

高速道岔尖軌磨耗會引起廓形的改變，進而造成尖軌降低值發生變化，特別是在尖軌前端頂寬較小區段，當磨耗發展到一定程度時，高速列車可能存在脫軌的風險。轉轍器區輪軌接觸關系如圖7所示。圖中：γ為輪軌接觸角，γR為接觸位置鋼軌表面切線夾角，γW為接觸位置輪緣表面切線夾角，FQ為提供導向作用的橫向力，Fp為提供回復作用的垂向力，Ff為輪軌接觸面摩擦力，μ為輪軌接觸面摩擦系數。則保證在接觸位置輪對不脫軌的條件為回復力不小于摩擦力與導向力之和，即

圖7 轉轍器區輪軌接觸關系

其中，

Ff=μ FQsinγ+μ FPcosγ

對式（1）進行整理可得

可知，輪軌接觸角限值γc隨著摩擦系數μ和脫軌系數的增大而增大。

輪軌接觸時，接觸斑內材料會產生微變形，實際接觸角γ一定在γR和γW之間。一般情況下，鋼軌軌距角位置曲率半徑較車輪小，因此γR>γ>γW。控制接觸位置輪緣切線夾角γW≥γc，就能控制列車過岔的安全性。

車輪通過尖軌尖端時，若尖軌因磨耗導致降低值增大，一旦輪對貼靠尖軌行駛，則車輪輪緣頂部很容易與尖軌軌頂接觸，如圖8所示。此時，輪緣頂部切線夾角非常小，往往不能滿足式（2）的條件，極易發生脫軌。輪緣切線夾角γW小于式（2）限值γc的區域即為危險區域，車輪輪緣危險區域不應與鋼軌接觸。

圖8 車輪輪緣與磨耗尖軌軌頂接觸情況

危險區域的確定與摩擦系數和脫軌系數有關，摩擦系數和脫軌系數越大，輪緣切線夾角下限值就越大，危險區域的范圍也就越大。極端情況下，當脫軌系數達到限值0.8、摩擦系數達到限值0.6時，計算得到的輪緣切線夾角下限值達到70°，此條件下車輪輪緣完全不能與尖軌接觸，接觸即有脫軌風險。但是，根據既有的測試數據［17?18］，實車運行時脫軌系數并不會很大，按照脫軌系數0.8進行計算過于嚴格，正常狀態下脫軌系數不超過0.4；另外我國輪軌間為干摩擦，摩擦系數一般不超過0.4。在此條件下，可計算出輪緣切線夾角下限值為43.6°，即在車輪輪緣上切線夾角小于43.6°的區域為危險區域。另外，實際車輪輪緣與鋼軌軌距角接觸時，車輪踏面會抬升離開鋼軌表面，所以還需要考慮車輪抬升的影響，偏于最不利考慮，抬升量取為2 mm。

綜上所述，高速列車通過已有磨耗尖軌的脫軌風險可采用以下方法評估：將車輪抬升2 mm，檢查車輪廓形上的危險區域（切線夾角小于43.6°）是否可與尖軌接觸；如尖軌磨耗較小，未能與車輪廓形危險區域接觸，則認為尖軌磨耗程度還不足以影響行車安全，還能繼續使用；如尖軌磨耗較大，已能與車輪廓形危險區域接觸，則認為尖軌磨耗已經到達限值，會導致脫軌風險，應盡快更換下道。

2.2 尖軌強度

由測試結果可知，順向過岔時高速道岔曲尖軌前端頂寬較小區段側磨較為明顯，除了對輪軌接觸關系產生影響外，隨著磨耗的增大尖軌前端薄弱斷面會變得越來越薄，承載能力也會不斷削弱。既有規范規定的尖軌磨耗標準在尖軌前端薄弱斷面區域并不適應，有必要對尖軌前端薄弱斷面在磨耗狀態下的受力狀態和承載能力進行分析，為該區域更合理的磨耗限值的制定提供依據和參考。

采用有限元方法對高速道岔曲尖軌薄弱斷面區域在磨耗狀態下的受力進行計算分析。采用實體單元對尖軌和基本軌進行模擬，列車車輪垂向荷載取140 kN，橫向荷載取30 kN。軌道材料抗拉強度為1 180 MPa。曲尖軌磨耗工況見表2。

表2 曲尖軌磨耗狀態工況

圖9為不同磨耗工況下曲尖軌等效應力分布。由圖9可知：曲尖軌5 mm斷面側磨3.5 mm時，列車荷載作用下尖軌等效應力最大值為925 MPa，最大應力位置距尖軌軌頂5.9 mm；而當5 mm 斷面側磨進一步加劇、磨耗量達到4 mm 時，列車荷載作用下尖軌等效應力最大值達到1 578 MPa，最大應力位置距尖軌軌頂4.5 mm；隨著磨耗的增大最大等效應力位置進一步靠近尖軌軌頂；曲尖軌10 mm 斷面側磨3.5 mm 時，列車荷載作用下尖軌等效應力最大值為798 MPa，最大應力位置距離軌頂4.4 mm；曲尖軌15 mm 斷面側磨3.5 mm 時，尖軌等效應力最大值為687 MPa，最大應力位置距離軌頂6.5 mm。

圖9 不同磨耗工況下曲尖軌等效應力分布

結合現場實際調研，某城際鐵路1 根下道尖軌連續掉塊長達300 mm，掉塊的高度為3～5 mm。根據有限元計算結果可知，曲尖軌薄弱斷面區域隨著側磨的加劇，最大等效應力位置逐漸靠近軌頂，最終導致了掉塊。由此可見，尖軌強度隨著磨耗的加劇會逐漸減弱，一旦出現剝離掉塊問題將直接影響行車安全。

綜上，側磨達到3.5 mm 時，曲尖軌10 mm 斷面及15 mm 斷面位置承載能力仍滿足要求，但是曲尖軌5 mm 斷面位置等效應力已經偏大，繼續磨耗會造成強度不足，極易發生剝離掉塊的問題。基于有限元計算結果，結合現場的實際養護維修經驗，建議將曲尖軌5 mm 斷面設置為控制斷面，該位置側磨限值由規范中的6 mm 減小為3.5 mm，如圖10所示。

圖10 曲尖軌5 mm斷面側磨限值3.5 mm

3 結 論

（1）控制曲尖軌使用壽命的主要因素是側向磨耗，高速道岔在逆向和順向過岔條件下，曲尖軌磨耗呈現出顯著的差異性。順向通過時曲尖軌側磨主要發生在前端較窄區段并延伸至岔前，基本軌也存在顯著側磨。而逆向過岔時曲尖軌前端側磨較小，側磨主要發生在后端頂寬較寬區段。

（2）順向過岔道岔下道尖軌側磨集中在頂寬5～30 mm 區段，最大側磨發生在15 mm 斷面，磨耗量3.9 mm，并未達到規范規定的6 mm 限值，下道原因為尖軌前端薄弱斷面因磨耗導致強度不足易出現壓潰、掉塊等傷損。逆向過岔道岔下道尖軌從35 mm 斷面開始至全斷面區段側磨量均在7.5 mm以上，最大達到8.6 mm，已超過規范限值。

（3）尖軌磨耗會對高速列車通過的安全性以及尖軌承載能力產生顯著影響，建議除了滿足維規要求外，還應確保車輪抬升2 mm 后，車輪廓形上的危險區域（切線夾角小于43.6°區域）不能與尖軌接觸；另外，建議曲尖軌5 mm 斷面位置側磨限值減小為3.5 mm，以確保前端薄弱斷面區域有足夠的強度。尖軌非刨切段磨耗標準可適當放寬。