礦山鐵路道岔轉轍機安裝裝置故障分析

高 擎

（晉能控股煤業集團鐵路運營有限公司礦山鐵路分公司，山西 大同 037001）

0 引言

轉轍機是礦山鐵路重要信號及基礎設備，其安全穩定運行是礦山鐵路安全高效運輸的重要保證。轉轍機安裝裝置端頭安裝了尖端鐵，尖端鐵一旦出現故障、變形會造成尖軌無法閉鎖，嚴重威脅著礦山鐵路運輸安全。

目前礦山鐵路主要通過人工巡檢方式進行故障查詢及排除，由于人工巡查天窗時間短，轉轍機安裝裝置安裝位置隱蔽，出現故障時不能第一時間發現并進行排除，從而產生運輸隱患；而目前我國鐵路轉轍機安裝裝置故障檢測方法落后、檢測精度低，無法滿足礦山鐵路安全高效運輸需求[1-6]。本文通過對道岔轉轍機安裝裝置采用三維建模、有限元模態等技術手段分析其故障原因，并提出了合理化維護措施。

1 牽引點處道岔系統的結構及工況分析

1.1 道岔系統的結構

道岔系統主要由密貼側尖軌、尖端鐵、安裝裝置、斥離側尖軌、斥離側基本軌、轉轍機、密貼側基本軌、安裝裝置表示桿及動作桿組件等部分組成，如圖1 所示。其中安裝裝置的表示桿組件主要由連接拉桿、尖端鐵等部分組成；在道岔轉換時利用轉轍機通過尖端鐵、連接桿直接控制尖軌，同時通過遠程控制監測轉轍機控制電路通斷情況，判斷尖軌與軌道的密貼狀態情況。

圖1 礦山鐵路道岔系統結構示意圖

1.2 工況分析

轉轍機安裝裝置表示桿組件工況狀態主要有兩種，一為道岔在轉換過程中表示桿組件在水平移動時監測尖軌位置狀態；二為列車在通過轉轍機安裝裝置時道軌、軌枕產生振動從而引起尖軌、安裝裝置以及轉轍機振動。通過現場觀察發現，道岔在轉換時安裝裝置表示桿組件表現為被動關系，其產生載荷主要為摩擦阻力，但是在轉換時時間短、摩擦阻力小，可忽略不計。所以列車通過時對安裝裝置產生振動是表示桿組件主要工況狀態。

2 裝置建模及有限元模態分析

列車通過時道岔產生隨機振動，引起尖軌、轉轍機振動，當二者振動頻率不同時會造成安裝裝置產生受力，所以在分析安裝裝置受力前需對道岔系統振動情況進行了解。首先采用有限元模態分析確定安裝裝置結構參數，然后根據結構參數準確分析不同頻率下振動情況。

2.1 裝置三維建模

由于礦山鐵路道岔系統結構相對復雜，采用三維建模時無法全面建模體現，根據現場實際情況，對道岔系統三維建模進行簡化，采用的道岔長度為3.0 m，并利用質量點代替轉轍機內部配件，尖軌形狀進行優化。

2.2 有限元模態分析

道岔系統三維建模后將模型導入有限元仿真分析軟件中，從而建立有限元模型。建模后的兩側邊界條件為基本軌兩端支撐，上下邊界條件為尖軌尾部支撐，在進行有限元分析前需要對各類材料力學性能參數進行確定，具體參數如表1 所示。

表1 不同材料力學性能參數匯總

利用有限元模態分析結構固有頻率以及振動類型，當外界振動頻率接近結構固有振動頻率時會引起共振，從而導致結構系統損壞，通過限元模態分析不同階段振型下結構破壞情況，提取1～2 階振型，如圖2 所示。

圖2 道岔系統不同振型下模態振型三維模型

2.3 分析結果

通過對10 階模態振型下道岔系統變形情況，通過觀察分析發現，隨著模態階次的增加，道岔系統振型由原來的單向移動變形轉為扭轉變形，在5 階振型后系統位移變形主要集中在安裝裝置表示桿組件和連接桿組件上。

3 現場測試效果分析

為了進一步驗證有限元模態分析結果，通過現場情況對道岔系統振動情況進行分析。

3.1 現場測試條件

首先將倒車處尖軌與左側軌道密貼，與右側軌道處于斥離的狀態；然后分別在兩側基本軌、尖軌底部安裝加速度傳感器，實時監測列車通過道岔系統時各部件振動情況。

3.2 現場監測數據分析

當列車通過道岔時通過傳感器監測數據發現，道岔垂向最大振動加速度主要發生在左側軌道密貼的尖軌上，實測最大垂向振動加速度值為945.5 m/s2；其次為密貼基本軌的垂向振動加速度為908.1 m/s2。而斥離尖軌產生的垂向振動加速度最小，實測為229.4m/s2，列車行駛過程中位于斥離側基本軌垂向加速度在某一段時間內處于勻速狀態，平均為174.8 m/s2。

3.3 振動功率譜分析

振動功率譜分析法主要利用傅里葉積分和將列車通過道岔系統時產生的垂向加速度數據信號轉換為頻域信號，通過現場數據收集及數據轉換發現，在通過列車時，密貼側尖軌和基本軌垂向加速度頻率主要集中在1859～3488 Hz 范圍內；而斥離側尖軌和基本軌垂向加速度頻率均小于180 Hz，其中基本軌垂向加速度頻率主要集中在10～15 Hz 范圍內，振動頻率集中度高，振動能量達總能量的42.8%。

3.4 振動數據分析

1）根據有限元模態分析結果與振動功率譜分析發現，道岔系統在共振1 階模態頻率為12.7 Hz，與列車通過時斥離側基本軌振動頻率相近。由此可見，在列車通過時斥離側基本軌振動是造成道岔系統共振的主要原因，從而導致斥離側轉轍機及安裝裝置在垂向產生較大位移。

2）密貼側的尖軌和基本軌振動頻率在1859～3488Hz范圍內，遠遠大于道岔系統共振頻率，從而在垂向產生振動位移量相對較小。所以在列車通過時道岔系統形成一套以密貼側的尖軌和基本軌為支撐點、以安裝裝置為連接梁、轉轍機為振動點的單支撐懸臂梁振動結構，在整套系統中位于密貼側的尖軌為薄弱環節，致使轉轍機安裝裝置斷裂、尖軌磨損變形等。

4 結論

礦山鐵路分公司針對礦山鐵路道岔轉轍機安裝裝置尖端鐵頻繁斷裂、變形故障，嚴重威脅著礦山鐵路運輸安全的問題，通過道岔系統模型建立、有限元分析以及現場監測，得出以下結論：

1）利用建模及有限元模型可直觀地對道岔系統結構及工況分析，初步確定了隨著模態階次的增加系統出現的位移變形現象集中體現在安裝裝置表示桿組件和連接桿組件上。

2）根據有限元模態分析結果與現場監測結果對比發現，確定了在列車通過時斥離側基本軌振動與道岔系統振動頻率相近，從而造成道岔系統共振主要原因，且在振動過程中道岔系統大幅度振動位移主要集中在斥離側尖軌和基本軌處。

3）在日常礦山鐵路檢修維護中，應加強對牽引點處枕木和彈簧扣件等元件的支撐情況檢查，在道岔處應縮小道枕間距，并確保道岔系統元件與枕木固定可靠，從而降低道岔系統共振現象。