列車(chē)曲線脫軌原因分析及防范措施

鄢世林

（成都鐵路局重慶職工培訓(xùn)基地，工程師，重慶 400030）

列車(chē)脫軌是一項(xiàng)長(zhǎng)期困擾鐵路行車(chē)安全的難題。列車(chē)脫軌后因強(qiáng)大的慣性，脫軌車(chē)輛被繼續(xù)拖行或顛覆，致使車(chē)輛和線路遭到嚴(yán)重毀壞，事故現(xiàn)場(chǎng)混亂、復(fù)雜，加之開(kāi)通線路是第一要?jiǎng)?wù)，救援起復(fù)工作爭(zhēng)分奪秒，留給事故調(diào)查的空間和時(shí)間非常有限，因此，對(duì)產(chǎn)生事故的真正原因很難得到全面系統(tǒng)的分析。歷年來(lái)，分析事故多用“排除法”，即對(duì)機(jī)車(chē)是否超速、貨物裝載是否超載或偏載、車(chē)輛旁承是否壓死等進(jìn)行逐項(xiàng)排除。這些原因要么很直觀、很簡(jiǎn)單；要么因?yàn)槊撥壾?chē)輛已遭到破壞，已無(wú)法檢查出車(chē)輛的偏載和旁承的間隙。剩下的只有工務(wù)部門(mén)了，定責(zé)手段就是對(duì)脫軌地點(diǎn)前后一定長(zhǎng)度范圍（2007年7月前為100 m）的線路設(shè)備進(jìn)行檢查，在如此寬闊的范圍內(nèi)，只要有一處超過(guò)臨時(shí)補(bǔ)修容許偏差管理值，工務(wù)部門(mén)就難逃其責(zé)。在列車(chē)脫軌事故中，工務(wù)部門(mén)往往顯得很無(wú)奈。

列車(chē)經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)線路的運(yùn)行均未脫軌，而恰好在某處線路脫軌，確實(shí)說(shuō)明該處線路可能有問(wèn)題；但是該處線路通過(guò)了許多列車(chē)均未發(fā)生脫軌事故，唯獨(dú)該趟列車(chē)脫軌，又可能說(shuō)明該趟列車(chē)有問(wèn)題。事實(shí)表明，列車(chē)脫軌事故的產(chǎn)生是各種不利因素綜合作用的結(jié)果。為此，必須對(duì)影響脫軌系數(shù)的因素進(jìn)行分析，以便針對(duì)性地采取措施。

1 曲線脫軌分析

列車(chē)脫軌一般有以下特點(diǎn)：一是在直線上列車(chē)脫軌的情況極少，列車(chē)脫軌基本上發(fā)生在圓曲線和緩和曲線上，其中在小半徑曲線（R≤300 m）脫軌占整個(gè)脫軌事故的80%以上。二是脫軌車(chē)型多為平車(chē)、敞車(chē)和重心較高抗扭曲剛度較大的車(chē)輛，尤其空車(chē)居多。為此，首先應(yīng)重點(diǎn)對(duì)曲線脫軌因素進(jìn)行分析，且分析時(shí)應(yīng)從輪軌之間的相互作用入手。

1.1 曲線脫軌條件與脫軌系數(shù)

1.1.1 曲線脫軌條件 當(dāng)車(chē)輪輪緣貼靠曲線鋼軌且輪軌一點(diǎn)接觸時(shí)，車(chē)輪處于脫軌的臨界狀態(tài)，此時(shí)橫向?qū)蛄 與車(chē)輪荷載Q 均作用在此點(diǎn)上。如圖1所示。

圖1 輪軌作用力分析圖

車(chē)輪能否脫軌，要根據(jù)輪軌間的受力情況而定。通過(guò)輪緣與鋼軌接觸點(diǎn)并沿輪緣傾角線作基準(zhǔn)線AB，若車(chē)輪在力的作用下沿AB 線上爬，必然使另一側(cè)車(chē)輪落下軌面造成車(chē)輪曲線脫軌。若車(chē)輪在力的作用下沿AB線下滑，由于軌頂?shù)闹巫饔眉傲硪粋?cè)車(chē)輪輪緣的頂推作用，車(chē)輪就不會(huì)脫軌。因此，進(jìn)行脫軌分析時(shí)，首先應(yīng)分析各種力在AB線上分力的關(guān)系，以確定脫軌條件是否成立。

由圖1 可知，在輪軌之間的AB 滑動(dòng)面上，可把橫向力Y 和垂直輪重Q 分別分解成垂于AB 線的正壓力和沿AB線的滑動(dòng)力。根據(jù)力的平衡條件，要使車(chē)輪不沿AB線爬上鋼軌造成脫軌，就必須滿足下述條件：

Qsinβ-Ycosβ≥μ（Ysinβ+Qcosβ）

把上式進(jìn)行適當(dāng)變換后，車(chē)輪不脫軌的條件就成為

式中：Y為曲線軌道承受的橫向力；

Q為垂直輪重；

ū為輪軌間的摩擦系數(shù)

β為車(chē)輪輪緣傾角，我國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)輪β=70°，車(chē)輛車(chē)輪β=65°～68°。

1.1.2 脫軌系數(shù)及臨界值 由式（2）可知，只要脫軌系數(shù)Y/Q小于或等于其臨界限值K，車(chē)輛就不會(huì)在曲線脫軌。因此在研究曲線脫軌的原因與機(jī)理時(shí)，要對(duì)影響曲線脫軌的Y、Q、K這3種因素進(jìn)行分析。

1.2 造成曲線脫軌的因素

1.2.1 橫向力Y 橫向力Y 與行車(chē)速度、曲線半徑、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)狀態(tài)和曲線超高設(shè)置有關(guān)。

1）曲線半徑。曲線半徑越小，橫向力Y就越大，因此小半徑曲線列車(chē)脫軌的機(jī)率要大于大半徑曲線。當(dāng)曲線不圓順時(shí)，意味著曲線上有的處所半徑變大，有的處所半徑變小。半徑變小的曲線處橫向力Y就會(huì)增大，必然會(huì)增加該處列車(chē)脫軌的危險(xiǎn)。

2）列車(chē)運(yùn)行超速。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度超過(guò)機(jī)車(chē)車(chē)輛和線路容許值時(shí)，使列車(chē)的蛇形運(yùn)動(dòng)加劇，橫向力Y 值增大。特別是施工慢行地段，當(dāng)速度超過(guò)一定值時(shí)，易使軌距發(fā)生變化造成脫軌。

3）轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)狀態(tài)。轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同其橫向力Y 也不同。為避免車(chē)輛嚴(yán)重側(cè)傾，在車(chē)輛兩側(cè)車(chē)體與轉(zhuǎn)向架上裝有上下旁承。正常情況下上下旁承間應(yīng)有空隙，靜態(tài)空隙最小不少于4 mm，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)允許為2～20 mm。上下旁承之間無(wú)間隙時(shí)稱為“旁承壓死”。當(dāng)車(chē)輛由于偏載或狀態(tài)不良使其旁承壓死時(shí)，車(chē)體與轉(zhuǎn)向架剛性結(jié)合，車(chē)輛轉(zhuǎn)向不靈活，在惡劣條件耦合時(shí)，不能轉(zhuǎn)動(dòng)自如地通過(guò)曲線，極易造成輪對(duì)脫軌。

4）風(fēng)力。在風(fēng)力較大地區(qū)，當(dāng)風(fēng)力正吹向曲線外側(cè)時(shí)，就會(huì)加大Y值。

5）曲線超高。曲線原有超高不恰當(dāng)，即曲線存在欠超高或過(guò)超高時(shí)也會(huì)影響Y 值，同時(shí)也影響垂直輪重Q，因此，對(duì)脫軌系數(shù)Y/Q的影響不大。例如當(dāng)曲線欠超高時(shí)，橫向力Y增大，但同時(shí)外軌承受的垂直輪重Q也增加，因而脫軌系數(shù)Y/Q變化不大；當(dāng)曲線過(guò)超高時(shí)Y 和Q 都減小，Y/Q 值變化也不大，但要注意車(chē)輪減載帶來(lái)的危險(xiǎn)。英國(guó)鐵路曾在曲線上有意造成225 mm、260 mm 和300 mm 的欠超高并測(cè)定脫軌系數(shù)Y/Q 的數(shù)值，結(jié)果上述3 種欠超高下的Y/Q 值均未超過(guò)限值。而美國(guó)鐵路則進(jìn)行過(guò)“過(guò)超高值”的試驗(yàn)，當(dāng)曲線過(guò)超高為127～178 mm 時(shí)，發(fā)現(xiàn)車(chē)廂翻滾使車(chē)輛旁承一側(cè)壓死，造成車(chē)輪減載嚴(yán)重。而當(dāng)過(guò)超高達(dá)381～419 mm 時(shí)車(chē)輛傾覆。因此，列車(chē)在曲線上運(yùn)行時(shí)，欠、過(guò)超高嚴(yán)重并未增加脫軌系數(shù)，但會(huì)使車(chē)輪嚴(yán)重減載，存在脫軌危險(xiǎn)。

1.2.2 垂直輪重Q 當(dāng)列車(chē)在曲線上運(yùn)行時(shí)，若貨物向車(chē)輛后端或向曲線里側(cè)偏載，將會(huì)使前轉(zhuǎn)向架第一軸外輪減載，脫軌系數(shù)Y/Q 加大，增加脫軌危險(xiǎn)性。若偏載嚴(yán)重致使車(chē)輛旁承壓死，轉(zhuǎn)向架不能自由回轉(zhuǎn)，還會(huì)使Y值增大，更易導(dǎo)致曲線脫軌。

由脫軌條件可知，輪重Q 減小將使脫軌系數(shù)加大，增加脫軌危險(xiǎn)。造成車(chē)輪減載的主要因素有：

1）車(chē)輛貨物偏心裝載。如果裝載貨物重心偏離車(chē)輛縱中心線的距離過(guò)大時(shí)，車(chē)輛一側(cè)負(fù)荷過(guò)重，就有可能壓死一側(cè)旁承，影響車(chē)輛轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線的轉(zhuǎn)向，而另一側(cè)車(chē)輪嚴(yán)重減載，脫軌系數(shù)和輪重減載率大大增加，最終導(dǎo)致列車(chē)脫軌。

2）貨物裝載超限。貨物超載增大了列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中輪軌間的橫向沖擊力，增加了脫軌概率。容易超載的主要是散裝貨物，這是由于多數(shù)車(chē)站沒(méi)有稱重計(jì)量設(shè)備，裝載散堆裝貨物依靠原始的以裝載高度算體積，然后乘密度確定重量的方法。這種方法受客觀條件的影響較大，如鐵礦粉因含鐵量的不同，以及不同選礦廠處理后含水率的不同，都會(huì)給貨物密度造成較大影響。與此同時(shí)，鐵路運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的車(chē)體變形、側(cè)板外漲等常見(jiàn)因素的存在，如果仍按裝載高度來(lái)計(jì)算貨物重量，將造成貨物超載。

3）貨物裝載加固不良。裝車(chē)站未嚴(yán)格按裝載加固方案裝車(chē)造成貨物裝載加固不良，以致貨物在列車(chē)在運(yùn)行中受到外力的影響，發(fā)生竄動(dòng)、移位，造成貨物偏載或倒塌、墜落，導(dǎo)致列車(chē)脫軌。

4）線路中存在超限“三角坑”時(shí)，一個(gè)轉(zhuǎn)向架的4個(gè)車(chē)輪中有3個(gè)車(chē)輪正常壓緊鋼軌，另一個(gè)形成減載或懸空。如果恰好在這個(gè)車(chē)輪上出現(xiàn)較大的橫向力，將引起脫軌事故。

5）緩和曲線處車(chē)輪減載。當(dāng)轉(zhuǎn)向架駛出圓曲線進(jìn)入緩和曲線時(shí)，在圓緩（YH）點(diǎn)附近轉(zhuǎn)向架前軸外輪將浮起，造成外輪減載（見(jiàn)圖2）。當(dāng)轉(zhuǎn)向架全部輪對(duì)都處于緩和曲線上時(shí)，則浮起車(chē)輪不再是前軸外輪，而是后軸內(nèi)輪，造成后軸外輪減載（見(jiàn)圖3）。

圖2 轉(zhuǎn)向架駛出圓曲線進(jìn)入緩和曲線時(shí)

圖3 轉(zhuǎn)向架全部輪對(duì)都處于緩和曲線上時(shí)

2 防止列車(chē)曲線脫軌的技術(shù)措施

如前所述，列車(chē)在曲線上脫軌是各種不利因素綜合作用的結(jié)果。因此，在采取防止曲線脫軌的技術(shù)措施中也應(yīng)全面考慮。

2.1 鋼軌涂油 從影響脫軌系數(shù)臨界值K 的因素分析，由式（1）可知，為減少曲線脫軌的可能性，不但應(yīng)減少Y 值，加大Q 值，而且應(yīng)注意加大K 值。K 值越大，則越不易脫軌。由K的定義可知

K是輪軌摩擦系數(shù)μ和輪緣傾角β的函數(shù)，可從μ和β 這2 方面來(lái)分析影響K 值的因素。輪軌間的摩擦系數(shù)μ值越小，脫軌系數(shù)的臨界值K 值就越大，就越不易發(fā)生曲線脫軌事故。因此，曲線鋼軌涂油減少其摩擦系數(shù)，不但可以減輕輪軌的磨損病害，而且可明顯減少曲線脫軌的危險(xiǎn)性，有利于行車(chē)安全。

2.1.1 安裝機(jī)車(chē)曲線涂油器 條件許可時(shí)應(yīng)安裝機(jī)車(chē)曲線涂油器，減少輪軌摩擦系數(shù)，減緩曲線脫軌危險(xiǎn)性。

2.1.2 人工涂油 小半徑曲線上若機(jī)車(chē)不涂油，工務(wù)部門(mén)要組織人工進(jìn)行涂油，以減少輪軌間的摩擦系數(shù)。

2.2 機(jī)車(chē)車(chē)輛方面應(yīng)采取的防范措施

2.2.1 平穩(wěn)操縱列車(chē) 司機(jī)應(yīng)熟悉所牽引區(qū)段的線路平縱斷面情況，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)控制速度，提高平穩(wěn)操縱技能，盡量減少緊急制動(dòng)，特別是曲線區(qū)段。當(dāng)列車(chē)行駛在下坡曲線上，各種條件都出現(xiàn)不利情況但尚未造成曲線脫軌時(shí)，若司機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)剎車(chē)，列車(chē)往往會(huì)脫軌，特別當(dāng)列車(chē)中部掛有空車(chē)和小車(chē)時(shí)，更易出現(xiàn)脫軌事故。因?yàn)檫@時(shí)會(huì)出現(xiàn)所謂“前堵后擁”現(xiàn)象，造成車(chē)輪減載和外軌輪軌橫向作用力增加（見(jiàn)圖4 所示）。因此，列車(chē)司機(jī)的正確操作對(duì)預(yù)防列車(chē)曲線脫軌也是至關(guān)重要的。

圖4 列車(chē)在曲線或下坡緊急制動(dòng)而出現(xiàn)“前堵后擁”

2.2.2 加強(qiáng)機(jī)車(chē)車(chē)輛走行部的維護(hù) 加強(qiáng)機(jī)車(chē)車(chē)輛走行部的檢查與維修養(yǎng)護(hù)，保持轉(zhuǎn)向架的良好狀態(tài)，杜絕貨車(chē)在正常裝載情況下旁承壓死的現(xiàn)象。

2.3 運(yùn)輸部門(mén)應(yīng)采取的防范措施

2.3.1 杜絕貨物嚴(yán)重偏心裝載貨物裝載應(yīng)按《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》“貨物重心縱方向位移時(shí)，每個(gè)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架所承受的貨物重量不得超過(guò)貨車(chē)標(biāo)記載重量的二分之一，并且2個(gè)轉(zhuǎn)向架承受重量之差不得大于10 t；車(chē)輛橫向偏載時(shí)，貨物重心偏離車(chē)輛中心線的距離≤100 mm?！钡囊笱b車(chē)。

2.3.2 合理進(jìn)行列車(chē)編組 進(jìn)行列車(chē)編組時(shí)，避免1 輛空車(chē)的前后均為成組重車(chē)和列車(chē)尾部掛1 輛空車(chē)的情況；回送的長(zhǎng)大貨物空車(chē)（基本記號(hào)為D）必須掛于列車(chē)尾部5輛之內(nèi)；長(zhǎng)車(chē)（換長(zhǎng)≥1.7）必須成組，禁止長(zhǎng)車(chē)夾短車(chē)。其目的是防止列車(chē)運(yùn)行中互相發(fā)生嚴(yán)重沖撞。

2.4 工務(wù)部門(mén)應(yīng)采取的防范措施

2.4.1 正確設(shè)置緩和曲線的超高順坡 通常情況緩和曲線的超高順坡率i≤1‰，困難條件下也應(yīng)使i≤2‰。

2.4.2 保持線路良好的幾何狀態(tài) 對(duì)線路“三角坑”超限處所及時(shí)處理。

2.5 細(xì)化脫軌事故地點(diǎn)的檢查測(cè)量范圍

2.5.1 明確脫軌地點(diǎn)的線路設(shè)備檢測(cè)范圍 《鐵路交通事故調(diào)查處理規(guī)則》第三十七條規(guī)定：“脫軌事故發(fā)生后，應(yīng)對(duì)事故地點(diǎn)前后一定范圍內(nèi)的線路設(shè)備進(jìn)行檢查測(cè)量”。作者認(rèn)為，“一定范圍”是一個(gè)無(wú)起止界限的范圍，可以一直檢查到軌道有超過(guò)臨時(shí)補(bǔ)修容許偏差管理值的地方為止，只要列車(chē)脫軌，工務(wù)部門(mén)都會(huì)擔(dān)責(zé)，這對(duì)工務(wù)部門(mén)有失公平、公正。

2.5.2 細(xì)化涉及事故的機(jī)車(chē)車(chē)輛檢測(cè)范圍 《鐵路交通事故調(diào)查處理規(guī)則》第三十七條規(guī)定：“脫軌事故發(fā)生后，對(duì)脫軌列車(chē)中有關(guān)的機(jī)車(chē)車(chē)輛進(jìn)行檢查測(cè)量”。作者經(jīng)歷過(guò)多起列車(chē)脫軌事故搶險(xiǎn)救援工作，脫軌后的機(jī)車(chē)車(chē)輛一般都遭到了破壞，難以進(jìn)行檢查測(cè)量。這也應(yīng)該像檢查線路設(shè)備那樣，檢查脫軌車(chē)輛前后一定范圍（10個(gè)車(chē)輛）貨物裝載和列車(chē)編組情況等，以此作為定責(zé)依據(jù)，只有這樣才顯出公平，才能讓各個(gè)部門(mén)切實(shí)加強(qiáng)安全生產(chǎn)的責(zé)任心。

3 結(jié)束語(yǔ)

在曲線地段造成列車(chē)脫軌的原因很多，防范列車(chē)脫軌需要機(jī)務(wù)、車(chē)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車(chē)輛相關(guān)部門(mén)抓好日常安全基礎(chǔ)工作，要不斷提高職工的業(yè)務(wù)素質(zhì)和工作責(zé)任心；另一方面，要進(jìn)一步提高設(shè)備質(zhì)量和裝備水平，充分發(fā)揮設(shè)備保安全的作用。