防脫護(hù)軌在城市軌道交通連續(xù)長(zhǎng)大單坡地段的應(yīng)用研究

孫 成，李大東，喬建國(guó)

（1. 中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070；2. 成都鐵科利安軌道科技有限公司，四川成都 610037；3. 烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

1 烏魯木齊市軌道交通 1 號(hào)線(xiàn)概況

烏魯木齊市軌道交通 1 號(hào)線(xiàn)是烏魯木齊南北向骨干線(xiàn)路，南起南郊客運(yùn)站門(mén)前的三屯碑站，北至國(guó)際機(jī)場(chǎng)站，正線(xiàn)全部為地下線(xiàn)，長(zhǎng)度 27.615km，共設(shè)車(chē)站 21座，設(shè)車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)各 1 座。采用 A 型車(chē) 6 節(jié)編組，架空接觸網(wǎng)供電制式，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為 80km/h。由于受沿線(xiàn)地形地貌等的影響，1 號(hào)線(xiàn)起終點(diǎn)落差達(dá) 280m，并存在 17 處坡度大于 20‰ 的坡道地段，除2 處坡度為25‰ 外，其余均為 28‰。3 處長(zhǎng)大連續(xù)單坡分別為：三屯碑—北門(mén)，DK0+650～DK4+950，長(zhǎng)度4.3km，落差66m；中營(yíng)工—體育中心，DK13+500～DK17+150，長(zhǎng)度 3.65km，落差 53m；體育中心—終點(diǎn)，DK17+400～DK22+500，長(zhǎng)度 5.1km，落差 76m。

2 列車(chē)脫軌性分析

在長(zhǎng)大下坡道上，由于列車(chē)重力在運(yùn)動(dòng)方向上的分力，會(huì)附加給列車(chē)一個(gè)沿坡道向下的加速度，致使列車(chē)有可能速度超限，制動(dòng)頻繁，列車(chē)將發(fā)生前堵后擁的現(xiàn)象，造成列車(chē)中部拱起，表現(xiàn)在車(chē)輪上會(huì)使車(chē)輪發(fā)生懸浮情況，若緊急制動(dòng)車(chē)輪懸浮高度會(huì)更大。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至下坡道末端，由于存在變坡點(diǎn)的原因，發(fā)生懸浮工況時(shí)，車(chē)輪懸浮高度將比前述下坡道上急劇增加，加劇列車(chē)的脫軌風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)列車(chē)發(fā)生懸浮時(shí)車(chē)輪輪緣懸浮高度一般不大于 31mm，安裝新型護(hù)軌后車(chē)輪輪緣有效高度將達(dá)到 35mm。試驗(yàn)表明，即使在變坡點(diǎn)發(fā)生懸浮工況的同時(shí)列車(chē)發(fā)生強(qiáng)烈橫向振動(dòng)，護(hù)軌也能有效地拉住車(chē)輪，防止列車(chē)因車(chē)輪發(fā)生輪緣爬軌（或跳軌）引起脫軌事故。

2.1 未安裝防脫護(hù)軌時(shí)脫軌性分析

根據(jù)車(chē)輛在曲線(xiàn)軌道上運(yùn)行時(shí)軌道承受的橫向水平力計(jì)算模型可知，軌道承受的橫向水平力與車(chē)體重量、輪重、輪軌間摩擦系數(shù)、輪對(duì)寬度、轉(zhuǎn)向架長(zhǎng)度、鋼軌中心間距、速度、曲線(xiàn)半徑、超高值等有關(guān)。烏魯木齊市軌道交通 1 號(hào)線(xiàn)采用 A 型車(chē)，轉(zhuǎn)向架軸距 2.5m，輪重 80 kN，輪對(duì)寬 1500mm，新車(chē)情況下游間及軌距加寬 18mm。輪軌間的摩擦系數(shù)μ一般為 0.2～0.3，而列車(chē)脫軌通常是在不利的工況情況下發(fā)生，因此摩擦系數(shù)μ取最大值 0.3。該線(xiàn)最大設(shè)計(jì)速度V= 80km/h。

表1、圖1給出了列車(chē)以不同速度通過(guò)曲線(xiàn)半徑R= 400m 和R= 250m 時(shí)的輪軌橫向力、脫軌系數(shù)。

根據(jù)有關(guān)規(guī)定，脫軌系數(shù)的限值α= 1.0 為允許限值，α= 1.2 為危險(xiǎn)限值。由表1 和圖1 可知，當(dāng)列車(chē)分別以速度V= 50km/h 和V= 80km/h 通過(guò)曲線(xiàn)R= 400m 曲線(xiàn)軌道時(shí)，前軸外輪橫向力由 58.06 kN 增大到 71.48 kN，橫向力增加了 13.42 kN，脫軌系數(shù)α從 0.73 增大到0.89；當(dāng)列車(chē)分別以速度V= 30km/h和V= 60km/h 通過(guò)曲線(xiàn)R= 250m 曲線(xiàn)軌道時(shí)，前軸外輪橫向力由 38.02 kN 增大到 78.51 kN，橫向力增加了 40.49 kN，脫軌系數(shù)α從 0.48 增大到 0.98；當(dāng)列車(chē)以V= 60km/h 分別通過(guò)R= 400m 和R= 250m 曲線(xiàn)軌道時(shí)，前軸外側(cè)輪緣受到的橫向力分別為61.95 kN 和 78.51 kN，后者比前者增大 26.7%，脫軌系數(shù)α也由0.77 增加到 0.98，脫軌系數(shù)趨近其限值。

表1 無(wú)防脫護(hù)軌時(shí)的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)

圖1 無(wú)防脫護(hù)軌時(shí)不同速度對(duì)應(yīng)的脫軌系數(shù)

由此可知，當(dāng)列車(chē)以不同速度通過(guò)相同曲線(xiàn)半徑軌道時(shí)，隨著速度的增加，前軸外側(cè)輪緣受到的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)呈增大趨勢(shì)；列車(chē)以相同速度通過(guò)不同曲線(xiàn)半徑軌道時(shí)，曲線(xiàn)半徑越小，前軸外側(cè)輪緣受到的橫向力越大，脫軌系數(shù)越高。

2.2 安裝防脫護(hù)軌時(shí)脫軌性分析

安裝防脫護(hù)軌后與安裝前相比較，對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的受力大小沒(méi)有發(fā)生改變。列車(chē)在曲線(xiàn)軌道上脫軌，主要是轉(zhuǎn)向架前軸外側(cè)輪緣爬上鋼軌，因此，計(jì)算輪軌受力時(shí)，只分析前軸一個(gè)輪對(duì)的受力情況。表2、圖 2 給出了輪緣槽寬度K= 67mm、66mm、65mm、64mm，列車(chē)通過(guò)曲線(xiàn)半徑R= 400m 及R= 250m 軌道時(shí)的輪軌橫向力及脫軌系數(shù)。

（1）當(dāng)輪緣槽寬度K= 68mm時(shí)，護(hù)軌受力后的變形量為 0，即輪軌參數(shù)達(dá)到維修規(guī)程的臨界值，輪緣背與護(hù)軌剛接觸，而護(hù)軌還未受力，也未發(fā)生橫向彈性變形，防脫護(hù)軌對(duì)橫向力Y′1及脫軌系數(shù)α無(wú)影響。

（2）若其他參數(shù)一定，相同速度下通過(guò)R= 400m曲線(xiàn)軌道時(shí)，隨著輪緣槽寬度K值減小，前軸外輪作用于外軌的橫向力Y′1越小，脫軌系數(shù)α越小，防脫護(hù)軌分擔(dān)的橫向力越大，脫軌安全性越高；輪緣槽寬度K值相同時(shí)，列車(chē)速度越大，前軸外輪作用于外軌的橫向力Y′1越大。由此可見(jiàn)，鋪設(shè)防脫護(hù)軌后，內(nèi)側(cè)輪緣背會(huì)與護(hù)軌工作邊接觸，從而防脫護(hù)軌分擔(dān)了一部分外輪輪緣力，減少了外輪輪緣作用于外軌頭橫向力，起到降低脫軌系數(shù)α的效果。

表2 不同護(hù)軌輪緣槽寬度對(duì)應(yīng)的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)

（3）安裝防脫護(hù)軌后，前軸外輪橫向力和脫軌系數(shù)α都有所減小。理論上脫軌系數(shù)越小越好，但是防脫護(hù)軌承受過(guò)大的橫向力會(huì)加劇防脫護(hù)軌的磨耗，縮短防脫護(hù)軌使用壽命，根據(jù)研究結(jié)果，防脫護(hù)軌正常承受橫向力以 20～30 kN 為宜。試驗(yàn)研究表明，當(dāng)設(shè)置K= 65mm時(shí)，防脫護(hù)軌剛好分擔(dān)約 24.2 kN 的橫向力，此時(shí)防脫護(hù)軌既能很好地起到保護(hù)列車(chē)安全行駛的作用，同時(shí)防脫護(hù)軌工作邊擦痕也較少。

圖2 不同護(hù)軌輪緣槽寬度對(duì)應(yīng)的輪軌橫向力及脫軌系數(shù)

3 防脫護(hù)軌設(shè)置范圍

針對(duì)烏魯木齊 1 號(hào)線(xiàn)軌道特點(diǎn)和以上脫軌性分析，軌道線(xiàn)路的主要薄弱地段集中在長(zhǎng)大坡度地段的變破點(diǎn)附近和長(zhǎng)大坡度與小半徑曲線(xiàn)重合地段。因此，有必要在以下地段鋪設(shè)防脫護(hù)軌以提高這些地段的脫軌安全性，具體設(shè)置范圍如下。

3.1 正線(xiàn)

（1）大于 25‰（或接近于 25‰）坡度地段，在變坡點(diǎn)前后各 25m 范圍內(nèi) 2 股鋼軌鋪設(shè)。

（2）25‰（或接近于 25‰）坡度大坡道與平面曲線(xiàn)（R≤450m）重疊地段：①在曲線(xiàn)下股鋼軌內(nèi)側(cè)鋪設(shè)；②若同時(shí)有 2 條及以上同向曲線(xiàn)，且?jiàn)A直線(xiàn)長(zhǎng)度≤50m 時(shí)，在曲線(xiàn)與夾直線(xiàn)全長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)置，并安裝于曲線(xiàn)下股鋼軌內(nèi)側(cè)；③若同時(shí)有 2 條及以上反向曲線(xiàn)，且?jiàn)A直線(xiàn)長(zhǎng)度≤50m 時(shí)，在每條曲線(xiàn)下股鋼軌內(nèi)側(cè)及夾直線(xiàn) 2 股鋼軌內(nèi)側(cè)范圍內(nèi)設(shè)置。

3.2 出入場(chǎng)線(xiàn)

（1）曲線(xiàn)半徑R≤300m 地段，宜在線(xiàn)路全長(zhǎng)范圍內(nèi)下股鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置防脫護(hù)軌。

（2）30‰（或接近于 30‰）坡度大坡道與平面曲線(xiàn)（R≤300m）重疊地段：①在曲線(xiàn)下股鋼軌內(nèi)側(cè)鋪設(shè)；②若同時(shí)有 2 條及以上同向曲線(xiàn)，且?jiàn)A直線(xiàn)長(zhǎng)度≤50m 時(shí)，在曲線(xiàn)與夾直線(xiàn)全長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)置，并安裝于曲線(xiàn)下股鋼軌內(nèi)側(cè)。

4 結(jié)論及建議

（1）安裝防脫護(hù)軌對(duì)減少曲線(xiàn)軌道外股鋼軌的沖擊破壞效應(yīng)有很好的效果，同時(shí)能增強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)的橫向剛度，對(duì)保持軌距和增強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性有很好的作用。

（2）烏魯木齊市軌道交通 1 號(hào)線(xiàn)的長(zhǎng)大坡道較多，列車(chē)在困難線(xiàn)路條件下運(yùn)行。隨著列車(chē)的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，鋼軌與扣件墊板之間的摩擦系數(shù)降低，扣件的扣壓力會(huì)減小，鋼軌易發(fā)生爬行。因此，在 1 號(hào)線(xiàn)軌道線(xiàn)路長(zhǎng)大坡度變破點(diǎn)附近和長(zhǎng)大坡度與小半徑曲線(xiàn)重合等薄弱地段應(yīng)設(shè)置防脫護(hù)軌。

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