道岔尖軌磨耗對(duì)列車運(yùn)行安全的影響

張文仁

(廣州鐵路(集團(tuán))公司工務(wù)處，廣東廣州510088)

道岔尖軌磨耗對(duì)列車運(yùn)行安全的影響

張文仁

(廣州鐵路(集團(tuán))公司工務(wù)處，廣東廣州510088)

道岔作為線路結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，其鋼軌磨耗直接影響道岔使用壽命以及列車的運(yùn)行安全。本文基于UM動(dòng)力學(xué)軟件，應(yīng)用車輛-道岔系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)分析客運(yùn)專線18號(hào)無(wú)砟軌道道岔曲尖軌側(cè)面磨耗在不同階段對(duì)列車運(yùn)行安全的影響。計(jì)算結(jié)果表明:隨著曲尖軌側(cè)面磨耗量增大，轉(zhuǎn)轍區(qū)輪軌相互作用力、脫軌系數(shù)及輪重減載率均增大，曲尖軌磨耗量達(dá)到4.19 mm時(shí)，輪軌作用力及安全系數(shù)未超過(guò)安全限值。

道岔;尖軌側(cè)面磨耗;脫軌系數(shù);車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)

疲勞磨耗以及塑性變形是道岔常見(jiàn)的磨耗機(jī)制。道岔尖軌磨耗嚴(yán)重時(shí)，輪緣有可能爬過(guò)尖軌引起脫軌事故?？紤]到道岔區(qū)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，尖軌的磨耗會(huì)影響列車動(dòng)力學(xué)性能，進(jìn)而對(duì)列車安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。在諸多機(jī)車車輛脫軌事故中，有相當(dāng)一部分發(fā)生在機(jī)車車輛對(duì)向進(jìn)入道岔時(shí)。隨著高速鐵路的發(fā)展，輪軌磨耗問(wèn)題日益突出，正逐漸成為影響鐵路運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的首要問(wèn)題。輪軌磨耗后的匹配狀態(tài)不佳，尤其是尖軌磨耗必然造成列車動(dòng)力學(xué)性能惡化，甚至引發(fā)列車脫軌。所以，輪軌磨耗狀態(tài)下重載列車運(yùn)行安全是鐵路運(yùn)輸工程亟待研究解決的難題之一，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。

本文主要基于UM動(dòng)力學(xué)軟件，以速度250 km/h (側(cè)向80 km/h)客運(yùn)專線18號(hào)無(wú)砟軌道道岔為研究對(duì)象，分析輪軌安全性指標(biāo)，研究尖軌磨耗程度對(duì)列車安全運(yùn)行的影響。

圖1　頂寬20 mm斷面磨耗情況

1　尖軌側(cè)面磨耗分析

由于道岔功能的特殊性，道岔導(dǎo)曲線半徑較小且不設(shè)置超高，使得列車側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)車輛無(wú)法平衡瞬間產(chǎn)生的較大的離心力和離心加速度。此外，道岔區(qū)作為制、啟動(dòng)頻繁區(qū)段，制、啟動(dòng)過(guò)程中車輪的滾動(dòng)摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，摩擦系數(shù)較高，引起嚴(yán)重的側(cè)面磨耗。車輛側(cè)逆向進(jìn)入道岔時(shí)會(huì)對(duì)尖軌尖端造成巨大沖擊，輪軌相互作用相較于順向通過(guò)道岔更為劇烈，因此本文以CRH380列車80 km/h的速度側(cè)逆向通過(guò)18號(hào)無(wú)砟軌道道岔為例分析曲尖軌的側(cè)面磨耗。

曲尖軌磨耗可分為4個(gè)階段，圖1為頂寬20 mm斷面磨耗情況。其中圖1(b)為4個(gè)磨耗階段與初始廓形的對(duì)比圖，圖1(c)為各階段磨耗量的分布。可見(jiàn)，側(cè)面磨耗主要引起尖軌尖部磨耗，使得尖軌廓形與輪緣更為貼合，改變了原有的輪軌接觸關(guān)系，降低了輪軌平順性。此外，側(cè)面磨耗使荷載由基本軌過(guò)渡到尖軌的位置推后，引起輪岔系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊振動(dòng)。側(cè)面磨耗還會(huì)引起微觀金屬相變以及材質(zhì)流動(dòng)，易使列車運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生爬軌進(jìn)而引發(fā)脫軌事故。表1為不同斷面各階段磨耗量最大值。

表1　磨耗量最大值mm

2　曲尖軌側(cè)面磨耗影響分析

應(yīng)用車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)理論分析曲尖軌側(cè)面磨耗對(duì)列車運(yùn)行安全的影響，主要從輪軌相互作用力和車輛運(yùn)行安全性指標(biāo)2方面加以分析。下面基于UM動(dòng)力學(xué)軟件模擬列車以80 km/h的速度側(cè)逆向通過(guò)18號(hào)道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)時(shí)4個(gè)磨耗階段的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

1)輪軌相互作用力

以車輛前轉(zhuǎn)向架第1輪對(duì)為例分析不同磨耗程度左右2側(cè)所受到的輪軌垂向力以及輪軌橫向力。第1輪對(duì)輪軌垂向力、橫向力縱向分布分別見(jiàn)圖2、圖3。在列車側(cè)向通過(guò)道岔轍叉區(qū)時(shí)，由于側(cè)向存在導(dǎo)曲線且導(dǎo)曲線半徑較小，車輪在曲線離心力和輪軌橫向力作用下輪軌相對(duì)鋼軌不斷橫向移動(dòng)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)轍區(qū)磨耗較多。尖軌作為導(dǎo)向部件引導(dǎo)車輪從基本軌過(guò)渡到尖軌，或者從尖軌過(guò)渡到基本軌，并與基本軌緊密貼合，因此將尖軌設(shè)計(jì)為藏尖結(jié)構(gòu)。列車側(cè)逆向通過(guò)道岔過(guò)程中，尖軌需要經(jīng)歷3個(gè)階段:①基本軌單獨(dú)承受輪軌力，此時(shí)尖軌頂面低于基本軌頂面;②尖軌與基本軌同時(shí)受力，這一階段鋼軌磨耗易引起輪軌接觸幾何參數(shù)發(fā)生突變;③尖軌單獨(dú)承受輪軌力。整個(gè)過(guò)程輪軌振動(dòng)響應(yīng)較為復(fù)雜。

圖2　第1輪對(duì)輪軌垂向力縱向分布

圖3　第1輪對(duì)輪軌橫向力縱向分布

從圖2、圖3可知:由于存在導(dǎo)曲線，加之道岔左側(cè)不設(shè)置超高，左側(cè)鋼軌承受的垂向力以及橫向力比右側(cè)鋼軌大;左側(cè)車輪增載，右側(cè)車輪減載，在左側(cè)車輪行至尖軌變截面外時(shí)左側(cè)輪軌振動(dòng)響應(yīng)更為劇烈。由標(biāo)準(zhǔn)廓形到階段4的磨耗過(guò)程中，左側(cè)輪軌垂向力最大值分別為94.82，95.04，95.60，101.92，102.84 kN，右側(cè)輪軌垂向力最小值分別為67.58，66.69，65.93，64.36，63.81 kN，左側(cè)輪軌垂向力隨著尖軌磨耗量的增大而增大，右側(cè)輪軌垂向力隨著曲尖軌磨耗量的增大而減小。但是隨著磨耗量增大，左側(cè)輪軌垂向力由94.82 kN增大到102.84 kN，增大了8.46%，右側(cè)輪軌垂向力由67.58 kN減小到63.81 kN，減小了5.57%，左側(cè)輪軌力變化幅度較大。在最大磨耗情形下，階段4頂寬20 mm斷面磨耗量為4.19 mm (參見(jiàn)表1)，側(cè)磨量為3.34 mm，左右輪軌垂向力均在安全限值內(nèi)。

從圖3可知:列車經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)轍區(qū)時(shí)橫向波動(dòng)劇烈，這是由于道岔導(dǎo)曲線半徑較小且未設(shè)置超高。這使得列車側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)，車輛無(wú)法平衡由此產(chǎn)生的瞬間較大的離心力和離心加速度;此外列車進(jìn)入道岔時(shí)沖擊尖軌，所以第1輪對(duì)左右側(cè)輪軌橫向力相對(duì)較大;由標(biāo)準(zhǔn)廓形到階段4的磨耗過(guò)程中，左側(cè)輪軌橫向力最大值分別為41.5，42.38，42.91，44.67，45.12 kN，右側(cè)輪軌橫向力最大值分別為23.15，23.5，23.76，23.83，24.06 kN，左側(cè)輪軌橫向力隨著曲尖軌磨耗量的增大而增大，橫向力最大值由41.5 kN增大到45.12 kN，增大了8.72%;右側(cè)輪軌橫向力隨著尖軌磨耗量的增大而增大，但是增長(zhǎng)緩慢，只增大了3.9%。此外左右兩側(cè)橫向輪軌力大小不等，但方向相反，會(huì)引起軌排橫移、線路失穩(wěn)等現(xiàn)象。最大輪軌橫向力均未超過(guò)安全限值。

2)安全性指標(biāo)

車輛運(yùn)行的安全性指標(biāo)主要有脫軌系數(shù)和輪重減載率。以第1輪對(duì)為例分析曲尖軌側(cè)面磨耗對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響。第1輪對(duì)脫軌系數(shù)縱向分布見(jiàn)圖4。

圖4　第1輪對(duì)脫軌系數(shù)縱向分布

從圖4可知:列車進(jìn)入道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)后，輪對(duì)脫軌系數(shù)迅速達(dá)到最大值，尖軌完全承重后脫軌系數(shù)小了很多。這是由于列車進(jìn)入道岔后，外側(cè)輪緣根部緊貼尖軌。在不斷磨耗的過(guò)程中，脫軌系數(shù)也隨著磨耗量的增大而不斷增大，不同磨耗階段左側(cè)脫軌系數(shù)最大值分別為0.480 7，0.488 9，0.491 1，0.495 8，0.524 3，右側(cè)脫軌系數(shù)最大值分別為0.322 5，0.324 9，0.329 8，0.332 2，0.334 7。由標(biāo)準(zhǔn)廓形到階段4的磨耗過(guò)程中，左側(cè)脫軌系數(shù)從0.480 7增大到0.524 3，增大了8.31%;右側(cè)脫軌系數(shù)由0.322 5增大到0.334 7，增大了3.7%，但均未超過(guò)安全限值。列車在未進(jìn)入道岔時(shí)脫軌系數(shù)接近0，到達(dá)轉(zhuǎn)轍區(qū)后迅速增大，而隨著尖軌磨耗量的增大，脫軌系數(shù)增大位置不斷后移，說(shuō)明隨著尖軌磨耗，尖軌與基本軌共同承載位置不斷后移。

第1輪對(duì)左輪輪重減載率縱向分布見(jiàn)圖5?？芍髠?cè)車輪輪重減載率分布規(guī)律與左側(cè)車輪輪軌垂向力類似，在尖軌尖端有一個(gè)頻率較高的波動(dòng)。不同磨耗階段輪重減載率分別為0.157 1，0.168 8，0.171 2，0.198 4，0.215 6，可以看出隨著尖軌磨耗量的增大，輪重減載率小幅度增大，但都在安全限值范圍內(nèi)。

圖5　第1輪對(duì)左輪輪重減載率縱向分布

3　結(jié)論

基于UM動(dòng)力學(xué)仿真軟件，應(yīng)用車輛-道岔系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)分析客運(yùn)專線18號(hào)無(wú)砟軌道道岔鋼軌磨耗在不同階段的特點(diǎn)及其對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響，得到以下結(jié)論:

曲尖軌側(cè)面磨耗對(duì)列車運(yùn)行影響較大，隨著磨耗量增大，轉(zhuǎn)轍區(qū)輪軌相互作用力、脫軌系數(shù)以及輪重減載率均發(fā)生一定程度的增大，但即使曲尖軌磨耗量達(dá)到4.19 mm時(shí)，輪軌作用力以及安全系數(shù)并未超過(guò)安全限值。

［1］李成輝．軌道［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［2］趙國(guó)堂．高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2006．

［3］王樹(shù)國(guó)，王猛，司道林，等．曲線尖軌線型對(duì)其磨耗特性影響的研究［J］．鐵道建筑，2015(1):87-92．

［4］何華武．無(wú)碴軌道技術(shù)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［5］KNOTHE K，RIPKE B．The Effects of Parameters of Wheelset，Track and Running Conditions on the Grow th Rate of Rail Corrugation［C］//11 th IAVSD Symposium，Canada，1989．

［6］聶宇．高速列車-道岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與耦合作用分析［D］．蘭州:蘭州交通大學(xué)，2014．

(責(zé)任審編 李付軍)

Influence of Switch Rail Wear in Turnout on Train Running Safety

ZHANG Wenren
(Permanent Way Department，Guangzhou Railway(Group)Co．，Ltd．，Guangzhou Guangdong 510088，China)

As a weak link of the railway line structure，the rail wear of turnout directly affects the turnout service life and train operation safety．Based on dynamics software UM(Universal Mechanism)，the influence of side wear of No．18 ballastless track turnout switch rail in the passenger dedicated line at different stages on train operation safety was analyzed by using vehicle-turnout system coup ling dynamics．The results show that wheel rail interaction force in switch area，derailment coefficient and the rate of wheel load reduction increase with the side wear of switch rail increasing，the wheel rail force and safety factor don't exceed the safety limits when the side wear capacity of switch rail is 4.19 mm．

Turnout;The side wear of switch rail;Derailment coefficient;Vehicle-turnout coupling dynamics

U213．6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．31

1003-1995(2016)11-0117-04

2016-04-21;

2016-06-19

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃(Z2015-G002)

張文仁(1975—)，男，高級(jí)工程師。