鋼軌動(dòng)力學(xué)減載率分析及現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)的探討

郭亮亮 上海鐵路局上海工務(wù)段

鐵路軌道結(jié)構(gòu)是連續(xù)的長(zhǎng)大工程結(jié)構(gòu)物，它直接承受列車的各種荷載、輪、軌之間構(gòu)成一個(gè)十分復(fù)雜的龐大系統(tǒng)，列車的荷載對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)有決定性的影響，而軌道結(jié)構(gòu)又直接影響列車的運(yùn)行品質(zhì)，進(jìn)而使軌道承受的荷載變化，經(jīng)過(guò)輪軌之間的交替式影響的研究，形成一門新的學(xué)科，即輪軌動(dòng)力學(xué)，進(jìn)一步深入研究輪軌相互動(dòng)力作用規(guī)律，尋求降低輪軌相互作用的途徑，對(duì)于保證軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定，減少維修工作量，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命都具有十分重要的意義。

高速與重載鐵路是鐵路發(fā)展的兩大方向，而行車安全、舒適則是高速與重載鐵路的共同要求。多年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，列車脫軌是危及行車安全的重要險(xiǎn)患，也是危害較大、經(jīng)濟(jì)損失較重的行車事故之一。事實(shí)表明，列車脫軌是各種影響脫軌的不利因數(shù)綜合作用的結(jié)果。絕大多數(shù)列車脫軌事故均由車輛脫軌引起。因此，在進(jìn)行列車脫軌分析時(shí)，將集中研究車輛的受力狀態(tài)、脫軌原因和機(jī)理以及應(yīng)采取的預(yù)防措施。

從輪軌的相互關(guān)系來(lái)講，無(wú)論是曲線還是直線脫軌，過(guò)去多半認(rèn)為是由于輪軌之間的橫向力增大的結(jié)果，但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，有時(shí)側(cè)向力不大的情況下，而輪重嚴(yán)重減載時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象，也就是說(shuō)，當(dāng)左右輪的輪重偏載過(guò)大時(shí)，即便輪對(duì)橫向力很小，也有可能脫軌。而在部10#綜檢車的檢查中，減載率超限出現(xiàn)多次，尤其曲線地段，可見(jiàn)提速干線輪重減載率超限減少，則車輪減載脫軌的危險(xiǎn)性就越小。

1 輪重減載率脫軌的基本原理

1.1 軌道力學(xué)分析

軌道承受著非常復(fù)雜的力，而且有強(qiáng)烈的隨機(jī)性和重復(fù)性。大體上可分為垂直于軌面的豎向力即垂直荷載，垂直于鋼軌橫向的水平力即橫向荷載，平行于鋼軌軸向的縱向水平力即縱向荷載。垂直荷載與列車速度有很大因數(shù)，既高速列車的動(dòng)力加系數(shù)，各國(guó)都有不同的計(jì)算軌道承受的動(dòng)輪重的方法，我國(guó)設(shè)計(jì)軌道結(jié)構(gòu)時(shí)采用2倍的靜荷載作為動(dòng)荷載，客貨混運(yùn)提速線路科采用3倍靜荷載設(shè)計(jì)軌道。

軌道承受的橫向荷載包括在直線軌道上，因車輛蛇形運(yùn)動(dòng)，車輪輪緣接觸鋼軌而產(chǎn)生的往復(fù)周期性的橫向力，軌道方向不平順處，車輪沖擊鋼軌的橫向力；在曲線軌道上主要因轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)向，車輪輪緣作用于鋼軌側(cè)面上的導(dǎo)向力，還有未被平衡的離心力等。橫向荷載分為兩類：一類為用來(lái)進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)、檢算及評(píng)估列車脫軌危險(xiǎn)的橫向集中作用力，另一類為評(píng)估軌道橫向移動(dòng)的2m長(zhǎng)軌道范圍內(nèi)的位移阻力S。其中各國(guó)根據(jù)各自的運(yùn)營(yíng)狀況，規(guī)定了不同的橫向荷載的計(jì)算方法。

1.2 曲線車輪減載脫軌

車輛通過(guò)曲線時(shí)，輪對(duì)將承受著車體傳來(lái)的橫向力，在橫向力的作用下，前輪對(duì)的外側(cè)輪緣緊靠鋼軌，并在導(dǎo)向力作用下，引導(dǎo)著前輪對(duì)連同整個(gè)轉(zhuǎn)向架沿曲線方向運(yùn)行。這時(shí)，導(dǎo)向輪在橫向力作用下，可能由于某種因數(shù)使車輪浮起離開(kāi)軌面，形成輪緣的跟部與軌頭側(cè)面的圓弧部分接觸，出現(xiàn)爬軌趨勢(shì)，通過(guò)力學(xué)計(jì)算得輪對(duì)不脫軌的安全條件公式如下：

式中：Q1、、Q2-曲線外軌、里軌承受的垂直輪重；

μ1、μ2-輪對(duì)外、內(nèi)軌的輪軌摩擦系數(shù)

β1-外輪軌緣傾角

假設(shè)里外軌的輪軌摩擦系數(shù)相同，則上式變?yōu)椋?/p>

若輪對(duì)作用于外軌的橫向力H=0，則：

這就意味著，即使沒(méi)有橫向力作用，若輪對(duì)里外輪軌相差太大，也有脫軌危險(xiǎn)。里外輪重之比Q2/Q1若滿足上式的條件，車輪不會(huì)脫軌，否則就有脫軌危險(xiǎn)。

設(shè)里外輪平均軸重為Q，里外輪增減荷載量為△Q，則Q2=Q+△Q，Q1=Q-△Q，代入上式并整理后得：

這就意味著，只要輪重減載率△Q/Q不超過(guò)K1值，通常車輪就不會(huì)脫軌，否則就有減載率脫軌的危險(xiǎn)。同理，對(duì)輪重減載脫軌問(wèn)題也應(yīng)按上式綜合考慮各種因數(shù)，全面進(jìn)行評(píng)價(jià)。K1也是輪緣角β和輪軌摩擦系數(shù)μ的函數(shù)，不同的β值和μ值時(shí)K1值如表1。

表1 不同的β值和μ值時(shí)K1值

1.3 直線車輪減載脫軌

車輛在直線上運(yùn)行時(shí)，由于車輪踏面為錐形和輪緣與鋼軌間存在間隙，當(dāng)輪對(duì)中心在行進(jìn)中偶而偏離直線軌道中心時(shí)，兩輪便以不同直徑的滾動(dòng)圓在鋼軌上滾動(dòng)，使輪對(duì)在行進(jìn)中一面做橫向擺動(dòng)，一面圍繞經(jīng)其中心的垂軸來(lái)回?fù)u頭，形成"蛇形運(yùn)動(dòng)"的波形運(yùn)動(dòng)。劇烈的蛇形運(yùn)動(dòng)不僅破壞列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，而且還破壞線路，甚至引起脫軌事故。

若車輪或轉(zhuǎn)向架蛇形運(yùn)動(dòng)的頻率與車輛相應(yīng)的固有頻率相一致，則將發(fā)生共振，使車輛的橫向振動(dòng)加劇，車輪撞擊鋼軌，部分車輪在劇烈的擺動(dòng)下瞬時(shí)浮起，使脫軌系數(shù)與車輪減載率急劇增大，若減載率的限值下降的不利局面也同時(shí)出現(xiàn)，則會(huì)導(dǎo)致車輛在直線脫軌。

2 減載率檢測(cè)與病害分析

2.1 綜檢車對(duì)減載率的檢測(cè)

2007年4月18日，全國(guó)鐵路實(shí)施第六次大面積提速以來(lái)，京哈、京滬、京廣、隴海、浙贛、膠濟(jì)、武九、廣深等鐵路干線，將實(shí)施200 km速度級(jí)的提速，有的線路列車運(yùn)行時(shí)速將達(dá)250 km，而且很多干線開(kāi)行大量動(dòng)車組，這對(duì)輪軌運(yùn)輸系統(tǒng)提出更高、更新的要求，使得綜檢車的出現(xiàn)。在綜檢車的檢查中有輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)。

輪軌力檢測(cè)系統(tǒng)在綜合檢測(cè)車5號(hào)車一位端轉(zhuǎn)向架的一位軸和四位軸的軸頭各安裝一個(gè)測(cè)力輪對(duì)，設(shè)備安裝情況如圖1所示。

圖1 測(cè)力輪對(duì)設(shè)備安裝情況

輪軌力主要是反映車輛運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，作為車輛運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)，其基本檢測(cè)

項(xiàng)目有垂直力、橫向力和縱向力。

輪軸橫向力為左、右車輪橫向水平力代數(shù)差：

式中：H-輪軸橫向力

H1、H2-分別為左右側(cè)輪軌間的橫向力

脫軌系數(shù)為輪軌橫向力與輪載的比值：

式中：Q/P H-脫軌系數(shù)

P1、P-分別為左右輪載

減載率為輪重減載量與平均輪重的比值：

式中：△P-減載側(cè)的輪重減載量

P1、P-分別為左右輪載

技術(shù)參數(shù)為：

測(cè)量范圍：垂向力0～400 kN輸出范圍可選擇；橫向力±160 kN；縱向力±160 kN。

相對(duì)精度：±4%。

測(cè)力輪對(duì)工作壽命：10年。

最高測(cè)量速度：300 km/h。

數(shù)據(jù)處理軟件能實(shí)時(shí)連續(xù)輸出輪軌間的垂直力、水平力、輪重減載率、脫軌系數(shù)等數(shù)據(jù)波形，數(shù)據(jù)處理軟件能夠再現(xiàn)各種原始數(shù)據(jù)，并具有數(shù)據(jù)檢索查詢和統(tǒng)計(jì)分析的功能。

2.2 減載率病害分析

通常，減載率超限不是由單一因素，而是由多種因素的不利組合造成的，從工務(wù)軌道狀態(tài)方面來(lái)講，主要有以下幾方面：

(1)外軌超高設(shè)置不當(dāng)，未被平衡的超高導(dǎo)致車輪輪重減載率超標(biāo)。

（2）軌道順坡、三角坑、不均勻支承等會(huì)使車體產(chǎn)生扭曲，從而引起各車輪輪重的增減率和加劇橫向搖擺。

（3）軌道橫向不平順、小半徑曲線、道岔以及軌縫等局部不平順等。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查提速后綜檢車檢測(cè)出來(lái)的減載率超限處所病害來(lái)看，產(chǎn)生超限的原因也是綜合的，如2008年5月23日京滬線下行線1241.663檢測(cè)出一處動(dòng)力學(xué)減載率超限（現(xiàn)場(chǎng)波形見(jiàn)圖2）。

圖2 檢測(cè)出動(dòng)力學(xué)減載率超限波型圖

從上面波形圖可以看出，該超限處所（道岔區(qū)段），前后有兩處橫向加速度超限，即京滬下1241.652水加0.08、京滬下1242.718水加0.12，另外有小高低，從現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，為軌面高3 mm處，空吊2 mm頭，可見(jiàn)此處減載率超限主要是由于線路地段有小高低，使車體產(chǎn)生擺動(dòng)，從而引起各車輪輪重的增減率。

3 現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)要點(diǎn)

通過(guò)分析，導(dǎo)致減載率超標(biāo)的主要原因是軌面高低短波不平順，直接原因主要表現(xiàn)為接頭平順性不良、扣件缺陷或軌下支撐剛度突變等，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)情況，及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)后妥善處理。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查方法對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)常使用的鋼軌檢查方法對(duì)比情況見(jiàn)下表2。

表2 鋼軌檢查方法對(duì)比情況

從對(duì)比情況來(lái)看，對(duì)于短波不平順，傳統(tǒng)的道尺和弦線相結(jié)合的方法，具有使用方便、快捷、受環(huán)境影響小的特點(diǎn)。而對(duì)于長(zhǎng)波不平順，傳統(tǒng)的方法就無(wú)法起到很好的效果，必須用軌檢小車進(jìn)行測(cè)量。因此，在實(shí)際運(yùn)用中，必須采用傳統(tǒng)檢測(cè)和儀器檢測(cè)相結(jié)合的辦法。調(diào)整前，帶班人應(yīng)根據(jù)計(jì)劃調(diào)整情況，采用道尺、弦線進(jìn)行必要的核對(duì)檢查，確認(rèn)計(jì)算調(diào)整量是否與現(xiàn)場(chǎng)情況相符；調(diào)整后，帶班人應(yīng)及時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)已調(diào)整區(qū)段采用道尺、弦線進(jìn)行復(fù)核，并目視檢查軌道平順性。

3．2 針對(duì)減載率超標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)應(yīng)注意的問(wèn)題

（1）提高焊縫打磨精度。鋼軌焊接前，對(duì)軌時(shí)要控制好接頭的上拱度和鋼軌內(nèi)側(cè)作用邊的平直度，接頭不能低塌，但也不能過(guò)高；鋼軌焊接后，應(yīng)及時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行打磨，打磨精度必須滿足規(guī)定要求。無(wú)縫線路鎖定后，應(yīng)對(duì)所有焊縫進(jìn)行全面檢查，不合格接頭必須重新打磨或切割重焊。

（2）加強(qiáng)對(duì)扣件的全過(guò)程管理。

①無(wú)砟軌道施工期間要加強(qiáng)對(duì)扣件的保護(hù)，避免污染、損壞；

②鋪軌之前，必須對(duì)扣件進(jìn)行全面、徹底清理，經(jīng)監(jiān)理檢查驗(yàn)收后，方可進(jìn)行鋪軌施工；

③無(wú)縫線路放散、鎖定后，應(yīng)將扣件作為主要項(xiàng)目嚴(yán)格按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收；

④軌道靜態(tài)調(diào)整之前，應(yīng)對(duì)鋼軌、扣件狀態(tài)進(jìn)行全面檢查確認(rèn)后方可進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整，否則，測(cè)量的數(shù)據(jù)是不真實(shí)的，據(jù)此調(diào)整的精度是不可靠的。

⑤軌道調(diào)整后，還必須對(duì)扣件狀態(tài)進(jìn)行復(fù)查。

⑥聯(lián)調(diào)期間應(yīng)安排計(jì)劃全面檢查。

⑦線路運(yùn)營(yíng)后，車間、工區(qū)要加強(qiáng)對(duì)扣件的檢查力度，制定檢查計(jì)劃并嚴(yán)格執(zhí)行，及時(shí)補(bǔ)缺、緊松，更換失效扣件。

（3）軌下支撐的剛度突變也極易引起減載率超標(biāo)，因此，在調(diào)整線路的高低、水平時(shí)，一定要根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行提前計(jì)算，算出要墊墊片的型號(hào)，要嚴(yán)格控制軌下調(diào)高墊板的數(shù)量，橡膠墊片要放置正確、不歪斜，以免發(fā)生剛度突變，導(dǎo)致減載率超標(biāo)。

（4）要高度重視軌道測(cè)量工作，要確保測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。同時(shí)，要重視對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析工作，應(yīng)安排專業(yè)人員對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)情況（軌檢車資料、動(dòng)力學(xué)檢測(cè)報(bào)告）和靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，制定有針對(duì)性的調(diào)整方案，力爭(zhēng)用最小調(diào)整量達(dá)到最佳調(diào)整效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

為防止出現(xiàn)輪重減載率超限，更為了杜絕減載率脫軌的出現(xiàn)，工務(wù)部門在平時(shí)的線路養(yǎng)護(hù)中應(yīng)保持線路的良好狀態(tài)。因?yàn)榫€路方向不良和高低不平順會(huì)使列車嚴(yán)重?fù)u擺，上下浮沉，造成車輪減載；另要正確設(shè)置緩和曲線的超高順坡，對(duì)于小半徑曲線上若機(jī)車不涂油，工務(wù)部門要組織人力進(jìn)行涂油，以減少輪軌間的摩擦系數(shù)。