重載道岔軌底坡設(shè)置研究

何雪峰，高 亮，許有全，辛 濤

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

重載道岔軌底坡設(shè)置研究

何雪峰1，高 亮2，許有全1，辛 濤2

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

軌底坡作為道岔的主要參數(shù)，直接影響鋼軌使用壽命，結(jié)合30 t軸重重載道岔研究需要，對軌底坡進(jìn)行系統(tǒng)研究。針對重載線路道岔魚鱗紋、掉塊、肥邊等病害，運(yùn)用車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，對25 t軸重貨車通過不同軌底坡道岔時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：軌底坡增加，橫向輪軌力、接觸應(yīng)力和安全指標(biāo)，導(dǎo)曲線上股鋼軌磨耗功都有不同程度的降低，長期觀測結(jié)果顯示，采用1∶20軌道坡的試驗(yàn)道岔，導(dǎo)曲線鋼軌光帶居中，未見傷損。

重載鐵路；30 t軸重；重載道岔；軌底坡

1 概述

重載鐵路具有對大宗貨物高效運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢，在國外得到了快速發(fā)展，具有代表性的有南非、澳大利亞和美國等國家，這些國家在重載鐵路道岔方面均有較為成熟的技術(shù)和產(chǎn)品[1]。

國內(nèi)目前重載道岔還處于擴(kuò)大試用階段，既有大秦線、朔黃線等重載線路的道岔主要采用提速道岔的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)形式與提速道岔基本相同，采用分開式彈性扣件、固定型轍叉和可動(dòng)心軌轍叉、混凝土岔枕[2]。由于沒有針對重載鐵路的特點(diǎn)進(jìn)行專門的研究，道岔的強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，使用壽命短，現(xiàn)場的養(yǎng)護(hù)維修的工作量也較大。

重載道岔軌底坡設(shè)置的研究，是提高道岔整體耐磨性、改善輪軌接觸關(guān)系和延長道岔使用壽命的關(guān)鍵參數(shù)之一[3]。國內(nèi)的道岔設(shè)計(jì)，長期以來一直不設(shè)軌底坡，從提速道岔開始設(shè)1∶40軌底坡，而對于既有重載線路如大秦線等采用的道岔沿用的仍是提速道岔的標(biāo)準(zhǔn)，從道岔使用情況來看，目前軌頂面的光帶普遍偏向里側(cè)，如圖1所示，輪對與軌頂面的軌距角接觸，造成鋼軌容易出現(xiàn)肥邊或壓潰，進(jìn)而出現(xiàn)剝離掉塊。

圖1 北同蒲線無軌底坡道岔光帶

2002年成都局在成渝線重慶附近的小半徑曲線上進(jìn)行了1∶20軌底坡的鋪設(shè)試驗(yàn)。鋪設(shè)位置曲線半徑分別為286 m和450 m，目前仍在使用，如圖2所示。從現(xiàn)場的使用情況來看，采用1∶20軌底坡后彈條折斷的情況大為減少。

圖2 成渝線小半徑曲線1∶20軌底坡鋼軌光帶

2012年在太原局的北同蒲線、京包線鋪設(shè)的4組60 kg/m鋼軌12號(hào)、18號(hào)重載試驗(yàn)道岔，采用了1∶20的軌底坡，其中京包線古店站的18號(hào)道岔側(cè)向?yàn)樨涍\(yùn)專線，開行萬噸列車，直向?yàn)榭拓浕爝\(yùn)，道岔使用條件較差，截止到2013年底為止，道岔通過總質(zhì)量近2億t，導(dǎo)曲線鋼軌使用狀態(tài)良好，鋼軌光帶均勻、居中，如圖3所示，沒有明顯的磨耗和傷損[4]。

圖3 北同蒲線1∶20軌底坡重載道岔光帶

由于國內(nèi)30 t軸重貨車研究尚處于試驗(yàn)階段，缺乏系統(tǒng)的車輛參數(shù)，為了研究不同軌底坡對重載道岔動(dòng)力響應(yīng)特性的影響規(guī)律，選取既有的25 t軸重貨車通過12號(hào)道岔時(shí)，無軌底坡、1∶40軌底坡、1∶20軌底坡3種工況進(jìn)行了仿真分析。鑒于道岔轉(zhuǎn)轍器和轍叉處于輪軌力過渡區(qū)域，輪軌接觸關(guān)系除了受軌底坡影響外，轉(zhuǎn)轍器范圍內(nèi)還與尖軌平面線形、降低值有關(guān)，轍叉范圍內(nèi)還與翼軌抬高值和抬高位置、心軌降低值有關(guān)，道岔設(shè)計(jì)時(shí)翼軌和心軌的軌底坡與道岔軌底坡也會(huì)有所不同，這些因素都會(huì)影響輪軌接觸關(guān)系和道岔的受力，需要進(jìn)行專門的研究，因此本文仿真分析忽略轉(zhuǎn)轍器和轍叉輪軌過渡區(qū)域的影響，主要研究車輛曲線通過時(shí)軌底坡對道岔的動(dòng)力響應(yīng)。

2 分析模型和計(jì)算參數(shù)

2.1 分析模型

根據(jù)車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論建立車輛和輪軌接觸關(guān)系分析模型，運(yùn)用跡線法原理進(jìn)行輪軌接觸關(guān)系和輪軌彈性壓縮量的在線計(jì)算，輪軌法向力采用赫茲非線性接觸理論求解，輪軌蠕滑力的計(jì)算，首先按Kalker線性理論計(jì)算，然后采用沈志云-Hedrick-Ekins理論進(jìn)行非線性修正[5-6]；根據(jù)有限元原理[7]建立重載道岔分析模型，忽略轉(zhuǎn)轍器和轍叉輪軌過渡區(qū)域的影響，僅考慮道岔導(dǎo)曲線部分分析模型。

采用FORTRAN語言編程，選取Newmark法對系統(tǒng)方程求解。

2.2 計(jì)算參數(shù)

以60 kg/m鋼軌12號(hào)重載道岔為例進(jìn)行計(jì)算分析，道岔導(dǎo)曲線半徑為400 m，前長為16.592 m，后長為21.208 m，采用無軌底坡，1∶40軌底坡和1∶20軌底坡3種工況，側(cè)向容許通過速度為50 km/h；車輛選取以普通貨車和25 t軸重貨車為例，車輪踏面為LM型。

以磨耗功Wj[8]作為輪軌踏面之間磨損程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)

式中Wj——輪軌間磨耗功；

T1j，T2j，M3j——分別為輪軌間縱、橫、自旋蠕滑力；

γ1j，γ2j，ω3j——分別為輪軌間縱、橫、自旋蠕滑率。

磨耗功值綜合反映了輪軌系統(tǒng)中所有動(dòng)力因素對鋼軌磨損的影響，磨耗功大的地方鋼軌磨損大，磨耗功小的地方磨損小。

3 不同軌底坡道岔的動(dòng)力響應(yīng)分析

以25 t軸重貨車側(cè)向通過60 kg/m鋼軌12號(hào)道岔為例，采用無軌底坡，1∶40軌底坡和1∶20軌底坡3種計(jì)算工況，仿真分析包括安全指標(biāo)、輪軌力、磨耗和接觸應(yīng)力等內(nèi)容。圖4中橫坐標(biāo)原點(diǎn)在道岔轉(zhuǎn)轍器基本軌端頭位置，數(shù)值選取為第1輪對的計(jì)算結(jié)果。

3.1 安全指標(biāo)

脫軌系數(shù)時(shí)程曲線如圖4所示，上股鋼軌的脫軌系數(shù)為正，下股鋼軌的為負(fù)。在直線段，無坡、1∶40、1∶20軌底坡3種工況(以下順序同)的脫軌系數(shù)最大值0.103、0.097、0.073，隨著軌底坡增大，脫軌系數(shù)降低，相比無坡工況最大降幅30%。

圖4 脫軌系數(shù)時(shí)程曲線

第1位輪對進(jìn)入曲線后，下股鋼軌的脫軌系數(shù)在車輪進(jìn)、出曲線附近波動(dòng)較大、中部平緩，在曲線中部達(dá)到最大值，此時(shí)3種工況脫軌系數(shù)最大值0.207、0.172、0.161；上股鋼軌脫軌系數(shù)波動(dòng)較大，3種工況的脫軌系數(shù)波動(dòng)范圍和幅值基本相同，對應(yīng)最大值0.38、0.386、0.405。隨著軌底坡增大，下股鋼軌脫軌系數(shù)降低，相比無坡工況最大降幅22%；上股鋼軌脫軌系數(shù)局部略增6%，增幅不明顯。

輪重減載率時(shí)程曲線如圖5所示。直線段輪重減載率為0。第1位輪對進(jìn)入曲線后輪重減載率出現(xiàn)兩個(gè)波動(dòng)峰值，3種工況的輪重減載率最大值0.46、0.44、0.42，隨著軌底坡增大，輪重減載率降低，相比無坡工況最大降幅9%。

圖5 輪重減載率時(shí)程曲線

3.2 磨耗功

曲線上股鋼軌磨耗功時(shí)程曲線如圖6所示。直線段3種工況鋼軌磨耗功最大值為0.57、0.63、2.78 N·m/m。第1位輪對進(jìn)入曲線后，鋼軌磨耗功時(shí)程曲線出現(xiàn)兩個(gè)波動(dòng)峰值，1∶20軌底坡時(shí)程曲線在車輪進(jìn)、出曲線有兩個(gè)瞬時(shí)峰值，3種工況的鋼軌磨耗功最大值240、217、205 N·m/m。

曲線下股鋼軌磨耗功時(shí)程曲線如圖7所示。3種工況的鋼軌磨耗功波動(dòng)不大，在車輪進(jìn)入曲線附近出現(xiàn)最大值，3種工況的鋼軌磨耗功最大值178、172、188 N·m/m。

圖6 曲線上股鋼軌磨耗功時(shí)程曲線

圖7 曲線下股鋼軌磨耗功時(shí)程曲線

隨著軌底坡增大：直線段鋼軌磨耗功增大，相比無坡工況最大增幅388%，由于直線段鋼軌磨耗功遠(yuǎn)小于曲線段，直股鋼軌的磨耗不是道岔使用壽命的控制因素之一。曲線上股鋼軌磨耗功降低，相比無坡工況最大降幅15%；曲線下股鋼軌磨耗功變化不大，相比1∶40軌底坡工況局部最大增幅9%。

3.3 輪軌力

曲線上股鋼軌接觸應(yīng)力時(shí)程曲線如圖8所示。在直線段，3種工況的接觸應(yīng)力最大值為1 340、1 342、642 MPa；在車輪進(jìn)、出曲線附近，接觸應(yīng)力出現(xiàn)兩個(gè)波動(dòng)峰值，曲線中部接觸應(yīng)力與直線段數(shù)值接近，3種工況的輪軌接觸應(yīng)力最大值為3 667、3 348、2 455 MPa。

圖8 曲線上股鋼軌接觸應(yīng)力時(shí)程曲線

曲線下股鋼軌接觸應(yīng)力時(shí)程曲線如圖9所示。無坡和1∶40軌底坡工況在車輪進(jìn)入曲線后，接觸應(yīng)力有所下降，1∶20軌底坡工況呈增大趨勢，最大值分別為1 228、593、1 120 MPa。

圖9 曲線下股鋼軌接觸應(yīng)力時(shí)程曲線

隨著軌底坡增大：直線段接觸應(yīng)力降低，相比無坡工況最大降幅52%；曲線上股鋼軌接觸應(yīng)力降低，相比無坡工況最大降幅33%；曲線下股鋼軌接觸應(yīng)力，1∶40軌底坡工況最小，無坡工況最大。

橫向輪軌力時(shí)程曲線如圖10所示。在直線段，3種工況的橫向輪軌力最大值為11.9、11.3、8.6 kN。車輪進(jìn)入曲線后：上股鋼軌橫向力急劇增大，但3種工況的橫向力差異不大，下股鋼軌在曲線兩端波動(dòng)較大，3種工況的下股鋼軌橫向力最大值為20.1、19.8、14.9 kN。隨著軌底坡增大：直線段橫向輪軌力降低，最大降幅為28%，曲線段上股鋼軌的橫向力差異不大，下股鋼軌的橫向力降低，最大降幅為26%。

圖10 橫向輪軌力時(shí)程曲線

垂向輪軌力時(shí)程曲線如圖11所示。車輪進(jìn)入曲線后：上股鋼軌垂向力快速增大，3種工況的鋼軌垂向力最大值為174、171、169 kN；下股鋼軌垂向力快速降低，3種工況垂向力最小值為64、66、69 kN。隨著軌底坡增大：曲線段上股鋼軌垂向力降低，下股鋼軌的垂向力增大，變化幅度都不明顯。

圖11 垂向輪軌力時(shí)程曲線

4 道岔軌底坡設(shè)置與鋼軌傷損

對重載道岔軌底坡設(shè)置的研究，主要為減少導(dǎo)曲線鋼軌肥邊、魚鱗紋、剝離掉塊等傷損，提高鋼軌使用壽命，減少現(xiàn)場磨修鋼軌工作量[9]。軌底坡大小影響輪軌走行光帶位置，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，大秦線道岔導(dǎo)曲線光帶多數(shù)都靠近鋼軌軌距角處，常見軌距角的魚鱗紋，是由于輪軌接觸時(shí)接觸應(yīng)力、切向力(特別是自旋蠕滑)引起材料塑性變形，發(fā)生棘輪效應(yīng)，最后超過材料安定極限而產(chǎn)生的，接觸應(yīng)力是魚鱗紋產(chǎn)生和發(fā)展的主要因素之一，接觸應(yīng)力大小與輪軌法向力和接觸斑面積有關(guān)，在輪軌法向力一定時(shí)，增大輪軌接觸面積可降低接觸應(yīng)力，接觸斑大小與鋼軌斷面有關(guān)，60 kg/m鋼軌頂面圓弧分別為300、80、13 mm，靠近軌距角處圓弧最小，輪軌走行光帶越靠近軌頂中心附近，鋼軌斷面半徑越大，接觸斑越大，從現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了采用1∶20軌底坡后，導(dǎo)曲線鋼軌光帶居中，理論分析結(jié)果也表明，隨著軌底坡增大，輪軌接觸接觸應(yīng)力降低。

此外，增大道岔軌底坡，輪軌走行光帶遠(yuǎn)離軌距角，減少了重載列車碾壓導(dǎo)曲線鋼軌產(chǎn)生的塑性變形，降低了軌距角肥邊的發(fā)生概率。

5 結(jié)語

繼高速道岔后，國內(nèi)開始對重載道岔進(jìn)行系統(tǒng)的研究[10]，目前山西中南部鐵路通道工程已建成通車，系我國第一條30 t軸重重載鐵路，60 kg/m鋼軌12號(hào)、18號(hào)重載道岔也在中南部通道工程擴(kuò)大試用，試驗(yàn)道岔采用了1∶20軌底坡，根據(jù)既有線和新線的試驗(yàn)結(jié)果，道岔導(dǎo)曲線鋼軌光帶居中，使用情況良好。在調(diào)研國內(nèi)重載線路道岔使用情況后，通過對重載道岔無坡，1∶40、1∶20軌底坡工況下車輛軌道耦合動(dòng)力分析，給出了脫軌系數(shù)、輪重減載率、磨耗功、輪軌接觸應(yīng)力、輪軌力等分布規(guī)律，其要點(diǎn)歸納如下。

(1)隨著軌底坡的增大：直線段脫軌系數(shù)降低，最大降幅30%，曲線上股鋼軌脫軌系數(shù)增大不明顯；曲線下股鋼軌脫軌系數(shù)最大降幅22%；曲線處輪重減載率降低，最大降幅9%；直線段磨耗功增大，最大增幅388%，由于直線段磨耗功遠(yuǎn)小于曲線段，道岔直股鋼軌的磨耗不是道岔使用壽命的控制因素之一，曲線上股鋼軌磨耗功降低，最大降幅15%，曲線下股鋼軌磨耗功變化不大。

直線段接觸應(yīng)力降低，最大降幅52%；曲線上股鋼軌接觸應(yīng)力降低，最大降幅33%；曲線下股鋼軌接觸應(yīng)力，1∶40軌底坡工況最小，無坡工況最大。

直線段橫向輪軌力降低，最大降幅為28%，曲線段上股鋼軌的橫向力差異不大，下股鋼軌的橫向力降低，最大降幅為26%。

曲線段上股鋼軌垂向力降低，下股鋼軌的垂向力增大，變化幅度都不明顯。

(2)軌底坡增加，道岔直線段和曲線段橫向輪軌力、接觸應(yīng)力和安全指標(biāo)都有不同程度的降低；由于現(xiàn)場曲線上股鋼軌容易磨損，且更換頻繁，該處鋼軌磨耗功降低，對于延長鋼軌使用壽命是有利的。

(3)從重載道岔試驗(yàn)和長期觀測結(jié)果可知，采用1∶20軌底坡的試驗(yàn)道岔導(dǎo)曲線光帶居中，尚未發(fā)現(xiàn)魚鱗紋、剝離掉塊、肥邊現(xiàn)象。

(4)對于重載道岔軌底坡的研究，僅從理論和試驗(yàn)角度進(jìn)行了分析，數(shù)據(jù)有限，還需要結(jié)合更多的工程實(shí)際和不斷的優(yōu)化道岔結(jié)構(gòu)，從多個(gè)角度進(jìn)行驗(yàn)證。

[1] 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.30 t軸重重載道岔技術(shù)研究設(shè)計(jì)報(bào)告[R].北京：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2011.

[2] 蔣昕.大秦鐵路用75 kg/m鋼軌18號(hào)翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(10):27-30.

[3] 司道林，王繼軍，孟宏.鋼軌軌底坡對重載鐵路輪軌關(guān)系影響的研究[J].鐵道建筑，2010(5):108-110.

[4] 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.60 kg/m鋼軌12、18號(hào)重載道岔及轉(zhuǎn)換設(shè)備長期觀測報(bào)告[R].北京：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2012.

[5] 翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)[M].3版.北京:科學(xué)出版社，2007.

[6] 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.30 t軸重重載道岔技術(shù)研究理論分析報(bào)告[R].北京：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2011.

[7] 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社，1998.

[8] 劉學(xué)毅.鋼軌波形磨耗成因研究[D].成都：西南交通大學(xué)，1996.

[9] 鄧建輝，陳朝陽，鄧勇，等.軌底坡和軌頭廓面對鋼軌接觸疲勞傷損的影響研究[J].鐵道建筑，2011(8):109-111.

[10]張東風(fēng).山西中南部鐵路30 t軸重75 kg/m鋼軌重載道岔設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(6):17-22.

Research on Rail Cant of Heavy Load Turnout

HE Xue-feng1， GAO Liang2， XU You-quan1， XIN Tao2

(1.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China;2.Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)

Rail cant affects rail life directly as an important design parameter of turnout and rail cant is studied systematically to meet research need of heavy turnout of 30 t axle load. Dynamic responses of 25t axle load freight car passing turnouts with different rail cants are analyzed with vehicle-track coupling dynamics theory in perspective of fine corner crack， fall-block， fat edge and other defects. The research results show that lateral wheel-rail force， contact stress， safety indicators and wear power for outside guiding curve rail decrease with the increase of rail cant. The long-term observation indicates that the test turnout with 1∶20 rail cant has its light band in the middle of upper surface of the guiding curve rail without damage.

Heavy haul railway; 30 t axle load; Heavy haul turnout; Rail cant

2015-03-25；

2015-04-15

中國鐵路總公司科技研究資助項(xiàng)目(2011G028-A)

何雪峰(1979—)，男，高級(jí)工程師，2006年畢業(yè)于北京交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:xfhe06@126.com。

1004-2954(2015)11-0010-04

U213.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.003