駝峰下小號碼道岔防脫軌研究

吳建輝 周榮祥 上海鐵路局安全監(jiān)察室

編組（區(qū)段）站駝峰下，車輛在小號碼（6#對稱）道岔處脫軌是常見、易發(fā)的慣性事故。在上海局就有過260 天時間內，在駝峰下同一組對稱道岔區(qū)發(fā)生4 起慣性脫軌事故。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，上海局歷史上，一年時間內，有4 個編組區(qū)段站，在駝峰下對稱道岔區(qū)域發(fā)生過9 起車輛脫軌事故。因此防止駝峰解體車輛在峰下6 號道岔和小半徑曲線處脫軌，減少6#道岔尖軌側磨，壓縮工務養(yǎng)護維修工作量，最大限度的節(jié)約成本支出，是編組（區(qū)段）站駝峰作業(yè)常見且亟待解決的問題。

1 駝峰下小號碼道岔的現(xiàn)狀

在駝峰下對稱道岔及前后線路的軌距、水平、高低，道岔的支距，岔前曲線的正矢進行了認真細致的檢查得到結論：道岔的幾何狀態(tài)良好，沒有嚴重超限，符合《維規(guī)》技術規(guī)范要求。但對各站線路的方向測量表明，雖然道岔結構健康，但道岔及前后線路都有不同程度的和單側偏移，尤其在尖軌尖部位側磨和偏移量都比較大。

設計規(guī)范規(guī)定：道岔連接曲線R=200 m，道岔轉轍部位及導曲線R=180 m，兩曲線間設6 m 夾直線，地形困難地段可不設。這就造成車輛在通過小號碼道岔時，車輛轉向架處不在同一平面上，直接影響車輛過岔的平穩(wěn)性，并導致道岔結構和前后線路整體單側偏移和側磨。

2 車輛在峰下小曲線半徑的小號碼道岔脫軌的原因分析

2.1 國外對車輛在道岔處脫軌的理論研究

鋼軌嚴重側磨加大了脫軌的趨勢。法國人M.J.NADAL 對輪軌橫向和垂向作用力進行分析后，根據(jù)車輪爬軌接觸點處的摩擦飽和和得出力的平衡關系，得出了下式即著名的的NADAL 公式:

式中：Q/P：橫向力Q與垂直力P的比值，即實際脫軌系數(shù)；B：輪緣接觸角，即輪軌接觸面與軌平面的夾角；F：為輪軌間摩擦系數(shù)；K：脫軌系數(shù)限值。

K值與車輪、軌頭形狀(B)及摩擦系數(shù)(F)直接有關。

美國在對脫軌事故調查中發(fā)現(xiàn)，動態(tài)車輪爬軌與小半徑曲線有關。在這些地段往往產生很大的輪軌橫向力，與道岔有關的脫軌事故占總爬軌事故的40%強。曲線外股軌軌距面角是車輪爬軌的諸多因素的一種，這個角度經常在有軌距面磨耗曲線外側鋼軌上發(fā)現(xiàn)。磨耗會造成在該軌距面和垂直線之間形成一個角度Ф (見圖1)，當角度增加時，車輪在鋼軌軌距面上爬軌可能性增加。

圖1 輪軌作用力與接觸力圖

當與鋼軌軌距面平行的橫向力、垂直力的"向上"合力大于由于法向力N(見圖2)產生阻力(即N·F)時，就會產生這種爬軌現(xiàn)象。

圖2 輪軌作用力簡化圖

國外研究表明，車輛通過道岔時產生的橫向力和尖軌側磨量，是造成車輛在道岔處爬軌脫軌最主要的兩個方面。另外在摩擦系數(shù)F 不變的情況下，車輛通過小號碼道岔時產生的橫向力又增加了軌距面角容許值（側磨量）；而側磨量的增加，又使車輪爬軌所需的K 值減小，車輛脫軌的危險增加。因此，減少車輛通過道岔時產生的橫向力，是防止車輛在道岔處最關鍵的因素。

2.2 現(xiàn)場調研分析

容易使輪緣爬上尖軌，導致脫軌的主要原因：

(1)設備狀態(tài)存在的問題:尖軌尖端向尖軌跟方向內側磨掉塊；S 曲線間無夾直線或夾直線太短；道岔平面位置移動；軌面幾何狀態(tài)超限。

(2)作業(yè)面存在問題主要是：溜放速度偏高；調速方法不當。

(3)貨物裝載方面問題主要是：偏載。

3 對防止車輛在峰下小曲線半徑的小號碼道岔脫軌的研究

根據(jù)國外對車輛在道岔處脫軌研究所理論及現(xiàn)場現(xiàn)狀設備狀況和作業(yè)分析后得出結論是：曲線半徑小，車輛過岔時產生的橫向慣性力及對上股鋼軌和尖軌沖擊力大，在尖軌側磨量過大和橫向力的作用下，車輛極容易爬軌而產生脫軌。

采取在尖軌尖前面位置加裝導向護軌，減少車輛通過道岔的橫向力，保證車輛過岔時平穩(wěn)性，克服橫向力產生的懸浮爬軌，減緩輪對對尖軌尖的撞擊，降低尖軌的側磨量，從而有效防止車輛脫軌事故。同時尖軌側磨量減小，延長了尖軌的使用壽命，實現(xiàn)安全和效益雙贏的目標(如圖3)。

圖3 尖軌前護輪軌安裝圖

4 實施

在調研各站對駝峰采取各類有效強化措施的基礎上，統(tǒng)一標準，實施整治。

4.1 線路整治

主要是縱斷面調整、平面調整和結構強化（在道岔框架部位加裝中間絕緣軌距拉桿；在道岔轉轍部位、滑床板外側加裝防橫移擋板；將道岔前后線路原道釘聯(lián)結的普通墊板改為扣板式的分開式扣件；整組對稱道岔安裝人字型防爬木撐）。

4.2 防磨護軌安裝及改進措施

(1)在曲線R≤350 逆（對）向道岔岔前安裝長度2.7m、P43 護軌；在護軌切斷處，保持≥10mm 的軌縫，防止影響信號；安裝緩沖大膠墊，減小風動道岔對道岔結構的沖擊力；安裝防爬設備，防止線路單方向爬行；安裝加強阻釘板，形成整體結構。

(2)根據(jù)現(xiàn)場條件，可加寬道床寬度，增加橫向磨擦力；在路基上埋設固定豎立的小短軌，軌距拉桿將小短軌與轉轍部位外股鋼軌聯(lián)結，控制轉轍部位框架尺寸；平行道岔轉轍部位之間用木支撐、小拉桿連結，提高道岔整體阻力。

5 實施效果

整治措施實施后，與整治前相比較，整治效果明顯。

(1)道碴結構更加健康穩(wěn)定，防止了車輛過岔時道岔的橫移和縱爬。

(2)道岔幾何尺寸更加穩(wěn)定，整治后的幾何尺寸比整治前變化慢（見圖4）。

圖4 整治前后尖軌磨耗對比圖

(3)尖軌磨耗減緩及尖軌側磨點內移，尖軌的磨耗速率大大降低。

(4)整治至今，未再發(fā)生類似的脫軌事故。

(5)尖軌使用壽命延長（見表1）。

(6)道岔的幾何狀態(tài)變化幅度減少，材料消耗及養(yǎng)修勞力降低，節(jié)約了運營成本。按換一根尖軌的材料及人工費7000元計算，表1 所列道岔一年減少開支7 000×44=30.8 萬元。

表1 部分車站易脫軌道岔整治前后尖軌使用壽命比較表

6 計算分析結果

6.1 測試結果

(1)加固前后鋼軌橫向水平力

表2 是速度為17.0～18.3 km/h 時通過北股線路時實測的鋼軌橫向水平力平均值和最大值。表3 是速度為9.7～18.2 km/h時通過南股線路時實測的鋼軌橫向水平力平均值和最大值。

表2 北股線路鋼軌橫向水平力平均值和最大值

表3 南股線路鋼軌橫向水平力平均值和最大值

(2)加固前后脫軌系數(shù)

表4 是速度為17.0～18.3 km/h 時通過北股線路時實測的脫軌系數(shù)平均值和最大值。表5 是速度為9.7～18.2 km/h 時通過南股線路時實測的脫軌系數(shù)平均值和最大值。

表4 北股線路通過脫軌系數(shù)平均值和最大值

表5 南股線路脫軌系數(shù)平均值和最大值

6.2 結論

(1)測試的數(shù)據(jù)和列車溜放速度沒有明顯的相關性；

(2)采取整治措施后，軌距拉桿最大受力為13.0 kN，軌撐水平受力最大值為25.7 kN，故設置軌距拉桿和軌撐對保持軌道幾何尺寸的穩(wěn)定性是有明顯效果的；

(3)整治后各項技術指標均得到了不同程度的改善與提高，因此整治效果明顯；

(4)整治后脫軌系數(shù)均未超過0.8，與進行整治后至今再未發(fā)生事故的事實相吻合。