9號木枕復(fù)交道岔機車車輛脫軌研究與預(yù)防

韓清強 上海鐵路局阜陽工務(wù)段

近幾年，9號木枕復(fù)交道岔機車車輛脫軌現(xiàn)象呈多發(fā)態(tài)勢，對編組站的安全暢通構(gòu)成了威脅。復(fù)交道岔出現(xiàn)脫軌，既干擾了運輸，又造成了損失，還困擾著現(xiàn)場。因此，開展復(fù)交道岔機車車輛脫軌問題研究，進而制訂出符合實際的預(yù)防措施，對于消除運輸安全隱患，確保編組安全暢通十分重要。

1 復(fù)交道岔機車車輛脫軌的基本類型

車輛在線路上的脫軌形式通常有爬軌、跳軌、滑軌以及車輪因軌距過大掉入軌道內(nèi)側(cè)脫軌等。爬軌通常發(fā)生于低速通過小半徑曲線時；跳軌多數(shù)發(fā)生在高速運行時；掉入軌道脫軌發(fā)生在輪對安全搭載不足時。通過統(tǒng)計，復(fù)交道岔上的脫軌多發(fā)生在側(cè)向，主要是因輪對爬軌而引起的爬上鋼軌脫軌、爬上尖軌脫軌和爬軌后因輪對安全搭載量不足掉入軌道內(nèi)側(cè)脫軌等三種類型。

2 復(fù)交道岔機車車輛脫軌分析

2.1 爬軌過程及其分類

車體在側(cè)向通過復(fù)交道岔時，由于發(fā)生轉(zhuǎn)向，輪對將承受車體傳來的側(cè)向力。在側(cè)向力作用下，前輪對的外側(cè)車輪輪緣緊靠鋼軌，并在導(dǎo)向力作用下，引導(dǎo)著前輪對連同整個轉(zhuǎn)向架沿著曲尖軌方向運行，形成輪緣根部的圓弧與軌頭側(cè)面的圓弧部分接觸，出現(xiàn)爬軌趨勢。如果側(cè)向力大到一定程度，車輪踏面逐漸抬起，爬軌趨勢越來越大，輪緣將沿著鋼軌側(cè)面滾動。此時存在以下三種情況：

（1）爬鋼軌脫軌。如果此時輪重還不夠大，則在側(cè)向力作用下，車輪在轉(zhuǎn)動的同時繼續(xù)往上爬，如果輪緣與軌頭接觸點達到輪緣圓弧面上拐點，就出現(xiàn)了臨界狀態(tài)。超過臨界狀態(tài)后，輪緣頂部的圓弧部分和軌頭頂面接觸，直至車輪爬上鋼軌，并使車輪落出軌外，形成輪緣在軌枕上滾切的脫軌現(xiàn)象。

（2）爬尖軌脫軌。對于尖軌頂寬50 mm斷面前，由于尖軌低于基本軌，如果此時輪緣頂部超過尖軌頂面中部，此時，輪對已經(jīng)不能回復(fù)正常狀態(tài)，隨著車輪轉(zhuǎn)動，輪緣將可能沿著尖軌頂面移動，導(dǎo)致爬上尖軌，形成擠岔脫軌。

（3）掉入軌道脫軌。車輪在爬升的過程中，輪緣厚度逐漸變薄，同時，若鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨，軌頭的厚度也變薄，輪對安全搭載量將大幅減小，若超過允許限度，此時，即使輪對未爬上鋼軌（尖軌），也會因安全搭載量不足而導(dǎo)致非爬軌側(cè)車輪掉入軌道內(nèi)側(cè)，形成脫軌事故。

2.2 脫軌條件及影響因素

影響機車車輛脫軌的因素分為兩大類：一類是使輪軌之間的側(cè)向力加大；一類是使輪重減小的。分別用脫軌系數(shù)和輪重減載率來衡量。

2.2.1 脫軌系數(shù)與輪對脫軌條件

“脫軌系數(shù)”由Nadal給出計算公式：

式中：

Q--作用在車輪上的側(cè)向力；

P--作用在車輪上的垂向力；

μ--輪緣處的摩擦系數(shù)；

a--輪緣接觸角。

可知：①摩擦系數(shù)越大，爬軌系數(shù)越大，反之則??；②輪緣角越小，爬軌系數(shù)越大，控制輪緣角可降低爬軌系數(shù)；③側(cè)向力越大，爬軌系數(shù)越大。側(cè)向力的大小與車體狀態(tài)、軌道狀態(tài)有關(guān)。

2.2.2 輪對側(cè)向力分析

圖1為車輪側(cè)向進入復(fù)交道岔的示意圖。

圖1 車輪側(cè)向過岔示意圖

由圖中可以看出：

①側(cè)向力與速度V和沖擊角β正弦值成正比，控制速度和減小沖擊角有利于降低側(cè)向力，對減小爬軌可能性有利。

②尖軌基本軌的側(cè)磨范圍為：以尖軌尖端A為中心，距離為δ/sinβ的范圍，為基本軌和尖軌的側(cè)磨范圍。對于9號復(fù)交道岔，這一范圍約為199.2 mm-706.3 mm。這一范圍恰是尖軌最薄弱、車輪最易爬上尖軌的部分。

③β為廣義沖擊角。包括轍叉構(gòu)造角、尖軌尖端附近δ/sinβ范圍內(nèi)因基本軌橫移而產(chǎn)生的動態(tài)附加角與軌距方向不順增加的靜態(tài)附加角。

2.2.3 輪重減載率與輪對脫軌條件

車輛側(cè)向進入復(fù)交道岔時，若爬軌側(cè)車輪的輪重減載過多時，即使側(cè)向力很小，也有可能脫軌。對于復(fù)交道岔，對輪重減載量有直接影響的主要是線路扭曲率i‰。以P60棚車在空車狀態(tài)、對角旁承游間之和為0的不利條件下來考查輪重減載率與線路扭曲率關(guān)系，其為：

具體見圖2。

圖2 輪重減載率與線路扭曲率關(guān)系

從圖中可以看出，扭曲率越大，減載率越高，出現(xiàn)脫軌的可能性越大。以ΔP/P分別為0.6、0.65來考察，在基長2.4 m范圍內(nèi)，三角坑分別7.6 mm、8.2 mm，超過經(jīng)常保養(yǎng)標準，但都未達到臨時補修標準。因此要嚴格控制尖軌尖端前后的空吊和三角坑，達到7 mm均按臨時補修標準進行管理。

2.3 掉入軌道脫軌分析

輪對側(cè)向過岔時，外側(cè)車輪輪緣緊靠外軌，輪對內(nèi)側(cè)踏面在內(nèi)軌上應(yīng)保證有足夠?qū)挾?，以防輪對掉入軌道?nèi)導(dǎo)致脫軌。內(nèi)側(cè)車輪踏面在內(nèi)軌上的這個必要寬度，叫作安全搭載量λ。車輪側(cè)向通過復(fù)交道岔時難免會出現(xiàn)爬軌現(xiàn)象，若鋼軌存在側(cè)磨，λ將會快速減小。對于標準輪緣角，車輛輪對最不利條件下，車輪側(cè)向通過復(fù)交道岔時，λ與爬軌高度h、鋼軌側(cè)磨量b的關(guān)系為：

一般情況下λ不小于5 mm，否則將會引起一側(cè)輪對掉入軌道內(nèi)側(cè)而脫軌，則在臨界狀態(tài)時，h與b的關(guān)系為：

則h與b的關(guān)系見圖3。

圖3 車輪爬軌高度與鋼軌側(cè)磨量關(guān)系

從圖中可以看出，在λ一定的情況下，爬軌高度與鋼軌側(cè)磨量成反比，側(cè)磨量越大，允許的爬軌高度就越小。如對于P50軌而言，當側(cè)磨量12 mm、軌距為1 450 mm時，允許的爬軌高度約為16.6 mm，超過這一高度，既使工務(wù)各項技術(shù)指標都不超過規(guī)定標準，但因λ不足5 mm，可能導(dǎo)致脫軌；當側(cè)磨量6 mm時，爬軌高度不超過25 mm，軌距為允許最大軌距1 456 mm時，λ都在安全范圍。因此對于復(fù)交道岔側(cè)向?qū)?，?cè)磨量要從嚴控制，允許值不超過6 mm為宜。

2.4 爬上尖軌脫軌分析

在尖軌頂面低于基本軌段，取尖軌頂面寬度為d1，輪緣厚度為d，當輪緣側(cè)面與鋼軌（或尖軌）側(cè)面接觸而未爬軌時，輪緣頂面中線與尖軌頂面中線的水平距離用X表示。當輪對爬軌時，X與h、b的關(guān)系為：

因此，判斷輪緣是否爬上尖軌可用X來表示，若X≤0，則可認為輪緣爬上尖軌。X=0時，尖軌頂面寬度d1為臨界狀態(tài)。

輪緣厚度為22 mm時，不同輪緣角下，輪對爬升高度h與側(cè)磨量b、尖軌頂面寬度d1的關(guān)系見圖4：

圖4 最不利輪對爬軌高度與鋼軌側(cè)磨、尖軌頂面寬度關(guān)系

從公式及圖中可知：尖軌頂面寬20 mm以前是車輪最易爬上尖軌的地方。當該段無側(cè)磨、輪緣角合理時，車輪不易爬上尖軌，但一旦有側(cè)磨，輪對在該段易出現(xiàn)爬上尖軌的情況。因此要控制輪緣爬上尖軌，除要控制輪緣爬軌外，還要對該段鋼軌和尖軌的側(cè)磨量從嚴管理，當達到4 mm時必須及時更換。

3 控制措施

從以上分析可知，要控制機車車輛輪對爬軌，避免可能出現(xiàn)的風險，對于木枕復(fù)交道岔，要從“一改二涂三查四修五換”入手來補強。

3.1 改造既有護軌和墊板、軌距桿

在現(xiàn)有強化項目基礎(chǔ)上，將護輪軌長度由3.6 m增加到4.8 m。護軌改造后，一方面可以減小側(cè)向力。若護軌緩沖角為β'，則輪對側(cè)向通過時的沖擊角為β-β'，輪軌沖擊角相應(yīng)減??；另一方面對尖軌基本軌側(cè)磨起到防護作用，減小磨耗速率，延長設(shè)備壽命；第三起到防止爬上尖軌作用。護軌改造后，車輪對尖軌的沖擊位置將距尖軌尖端更遠，減少輪緣在尖軌頂面寬度20 mm前爬上尖軌的可能。將尖軌尖端第18、17、16位枕木上（直股3塊曲股3塊，對稱總共12塊）墊板改為通常墊板；將第2、3位枕木上（直曲各2塊，對稱總共8塊）墊板改為通常支距墊板。將轉(zhuǎn)轍及連接部位曲股每3～4根岔枕增設(shè)不少于1根軌距桿，其中接頭兩側(cè)應(yīng)各設(shè)一根，轍叉中部各安裝1根拉桿，尖軌前尖端前加裝2根絕緣軌距桿（第18孔位置），在14孔、13孔、12孔、11孔各安裝一根軌距拉桿。通過墊板和軌距桿，使軌道上下股成為一體，增加軌道穩(wěn)定性，防止動態(tài)軌道橫移，防止動態(tài)軌距擴大。

3.2 定期涂油

對復(fù)交道岔曲尖軌及其基本軌和導(dǎo)曲軌作用面進行涂油，降低摩擦系數(shù)，一可減緩鋼軌尖軌側(cè)磨，延長設(shè)備壽命，二可減小爬軌系數(shù)，減小爬軌幾率。

3.3 加強日常檢查

每周對復(fù)交道岔進行檢查，及時掌握設(shè)備狀態(tài)。一查強化設(shè)備，確保齊全良好有效；二查結(jié)構(gòu)狀態(tài)，及時掌握鋼軌尖軌側(cè)磨、掉塊、肥邊等情況，及時掌握岔枕、聯(lián)結(jié)零件狀態(tài)，確保結(jié)構(gòu)健康有效；三查幾何尺寸，控制大軌距、控制軌距變化率、控制水平扭曲，確保幾何尺寸不超標。

3.4 及時進行修理

調(diào)整超標幾何尺寸，尖軌尖端三角坑臨修標準按7 mm從嚴控制，修理不良結(jié)構(gòu)和鋼軌尖軌問題，經(jīng)常保持設(shè)備均衡良好。

3.5 及時更換超標設(shè)備

對于側(cè)磨達到4 mm的曲尖軌及其基本軌和側(cè)磨達到6 mm的道曲軌及時組織更換，對于失效岔枕、失效強化設(shè)備、失效零配件及時組織更換，確保設(shè)備結(jié)構(gòu)健康。

4 取得的效果

按照以上措施,對既有的83組復(fù)交道岔進行了補強,經(jīng)過一年多使用,取得了很好效果.

4.1 道岔的“五防”功能得到提高

改造后，道岔整體穩(wěn)定性和橫向剛度顯著增強，提高了復(fù)交道岔在防幾何尺寸超標、防橫移、防磨耗（含掉塊）、防扭曲、防爬軌方面的能力，實現(xiàn)了對風險的防范（如圖5）。

圖5 復(fù)交道岔強化效果圖

4.2 道岔設(shè)備質(zhì)量提高

自改造后，復(fù)交道岔的幾何尺寸超標數(shù)量大幅下降，改造前83組木枕復(fù)交道岔每月超標數(shù)量為200處，改造后每月為81處，主要是軌距項目，以偏小居多，減少60%。

4.3 道岔軌件壽命得到延長

自改造后，復(fù)交道岔尖軌、基本軌、導(dǎo)曲軌的磨耗速率下降，設(shè)備壽命得到延長，節(jié)約了維修成本。以阜陽北站為例，45組復(fù)交道岔，改造前每月更換尖軌、基本軌、導(dǎo)曲軌平均11根，改造后降為5根，下降55%。

4.4 防止了慣性脫軌事故

自強化改造后，及時更換側(cè)磨4 mm及以上的鋼軌尖軌，有效預(yù)防了可能出現(xiàn)的爬軌事故，管內(nèi)83組9號木枕復(fù)交道岔至今未出現(xiàn)任何故障和脫軌事故。