軌道不平順的探索與復(fù)合不平順的研究

孫艷英

(河北軌道運輸職業(yè)技術(shù)學院 城市軌道交通系，河北 石家莊 052165)

軌道結(jié)構(gòu)的平順性影響著車輪、鋼軌之間的關(guān)系，軌道結(jié)構(gòu)平順與否決定著軌道的質(zhì)量狀態(tài)，平順性與否是表明軌道載荷水平和整體水平的指標，是維修部門落實維保計劃的依據(jù)。為了確保列車運行的舒適性、安全性和平穩(wěn)性，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)保證能提供較高平順性的基礎(chǔ)。

由于軌道結(jié)構(gòu)是由多種設(shè)備組合的以及軌道結(jié)構(gòu)承受載荷是不確定的且具有反復(fù)性，導(dǎo)致線路產(chǎn)生各種病害，軌道幾何形位發(fā)生改變，導(dǎo)致了軌道不平順現(xiàn)象的發(fā)生。

1 軌道不平順

軌道不平順是鋼軌的實時位置與設(shè)計位置之間形成了偏移量，側(cè)面反映出其他零部件的狀態(tài)發(fā)生了變化。軌道不平順將加劇車輪和鋼軌之間的磨耗，列車振動頻繁，環(huán)境噪聲加劇，設(shè)備使用壽命降低，維修費用及成本增加，嚴重時將發(fā)生行車事故，所以，高平順性是線路應(yīng)該具備的基本特征。

1.1 軌道不平順種類

軌道不平順的種類多種多樣，可按照四種情況對其進行分類，如圖1所示。

圖1 軌道不平順類型

(1)按對列車的激擾方向分

按對列車的激擾方向有橫向、豎向和復(fù)合軌道不平順。其中橫向不平順主要有軌向、軌距不平順；豎向軌道不平順有短波、中波和長波不平順。軌面不平順是軌頭面小幅度的變化，常見的是由軌面裂紋、軌縫高低、軌縫不均勻及軌面不均勻磨耗等帶來的。水平不平順是由左右兩根鋼軌載荷有差別或軌道結(jié)構(gòu)強度不一致導(dǎo)致的。高低中波不平順是由線路結(jié)構(gòu)上下起伏、橫向位移、軌枕間隔不均勻、線路豎向剛度有差異、線路施工過程中的高程偏差、線路的暗坑、吊板等帶來的。

(2)按軌道不平順波長進行分類

軌道不平順的波長由1 cm以上不同范圍組成，按照長度的不同，軌道不平順有短波、中波和長波不平順三種，通常由1～150 m的波長范圍組成，每種都有波長范圍及幅值范圍之分，如表1所示。短波不平順會對經(jīng)濟、動作用力及環(huán)境產(chǎn)生影響，影響行車安全性、平穩(wěn)性的短波不平順主要集中在30～1 000 mm的波長范圍內(nèi)；中波不平順是由于在制作鋼軌時產(chǎn)生的周期波，鋼軌使用后產(chǎn)生的不均勻變形，道床的殘余變形，鋼軌接頭位置的周期波等原因形成的，它對經(jīng)濟、動作用力、環(huán)境、舒適度、安全都有影響；長波不平順一般由線路沉降起伏，線路鋪設(shè)有誤差引起的，對舒適度有一定的影響。

表1 按波長劃分的軌道不平順

(3)按形狀特征

分為余弦形、正弦形、指數(shù)衰減形、臺階形、三角形、S彎形和諧振波形，如表2。其中，A為不平順幅值，C為不平順波長，C1、C2為系數(shù)。

表2 按形狀特征分不平順類型及公式

(4)按照軌道是否承受載荷

有靜態(tài)、動態(tài)不平順兩種。

靜態(tài)不平順是在無輪載情況下，由人工測量(使用軌距尺、弦線)或使用輕型儀器(軌檢儀)檢測得到的，軌檢儀操作簡單、使用方便，是常用的一種靜態(tài)檢查設(shè)備，隨著檢查儀在鋼軌上移動，測量結(jié)果能實時的記錄并顯示。

動態(tài)不平順是在有載荷情況下，軌道沿長度方向上呈現(xiàn)不均勻的彈性下沉，對行車安全有威脅、產(chǎn)生車輛振動，一般通過軌檢車進行檢測。由于鋼軌存在剛度，短距離內(nèi)不能隨著道床的不均勻變形而發(fā)生形變，靜態(tài)不平順檢測準確性、真實性較差，所以對不平順的養(yǎng)護維修管理辦法通常都是動態(tài)檢測。

使用軌檢車進行檢測，可以準確掌握車輛在載荷作用下幾何形位的變化及軌道質(zhì)量指標，實時分析檢測結(jié)果，若有指標嚴重不符合標準值時，及時進行養(yǎng)護維修工作，及時掌握輪軌作用力、行車安全和車輛振動情況，及時消除影響行車安全的隱患。新型軌檢車除了對幾何形位進行檢測外，還可以對鋼軌裂紋、鋼軌內(nèi)部折斷、軌底坡、鋼軌表明磨損、線路斷面及線路狀態(tài)等進行監(jiān)視。通過對這些參數(shù)的分析可以清晰地掌握到線路的實時狀態(tài)，對線路維修保養(yǎng)工作起到一定的借鑒與指導(dǎo)意義。

經(jīng)驗表明，動靜態(tài)不平順的幅值不符合函數(shù)關(guān)系，同一區(qū)段靜態(tài)不平順與動態(tài)不平順測定的結(jié)果有一定的偏差，該偏差與很多因素有關(guān)：與路基、道床的搗固有關(guān)，與設(shè)備的狀態(tài)有關(guān)；偏差和動態(tài)不平順的幅值成正比；軌道結(jié)構(gòu)不同，軌道不平順類型不同；整體道床地段的動靜態(tài)不平順偏差較??；病害整治作業(yè)的質(zhì)量與偏差成反比；新建成的線路或剛剛經(jīng)過大修作業(yè)的線路，偏差較小；存在吊板的軌道，偏差較為明顯。

1.2 軌道不平順形成原因及影響

(1)軌距不平順

軌距檢測點是在鋼軌軌頭下16 mm處測得的兩根鋼軌作用邊間長度，如圖2所示。我國線路直線標準軌距是1 435 mm。

軌距不平順是左右兩根鋼軌的軌距沿縱向相對于標準值的偏差，即軌距過大或過小。由于列車長期不間斷的運行，導(dǎo)致軌道出現(xiàn)各種病害，如鋼軌作用邊磨損超限、內(nèi)部裂縫等將使軌距值變大，如軌道維修過程不當將使軌距值變小。

表3 軌道不平順的主要影響

圖2 軌距測量

影響軌距不平順的主要原因有：列車運行在小半徑曲線地段時慣性增加，軌距可能增大；道岔地段以及連接零件處要經(jīng)常涂抹潤滑油，油垢與污垢相混合后導(dǎo)致此地段軌距變??；當一根鋼軌下路基有沉降，動作用力造成軌距增加；扣件失效、軌枕連續(xù)失效、軌枕擋板有誤等都會導(dǎo)致軌距變大。

軌距太大將使車輪偏離一側(cè)鋼軌，擠壓另一側(cè)鋼軌，導(dǎo)致輪軌間橫向作用力增大，降低列車在運行過程中的平穩(wěn)性，嚴重影響設(shè)備的使用壽命，嚴重時可能脫軌。如圖3所示，左右兩個鋼軌最小距離d

圖3 軌距不平順

(2)軌向不平順

軌向檢測是測量與線路中心線方向垂直的軌距點相對于軌距中心點的偏差，分別對左股和右股進行檢測，如圖4所示。在定弦長檢測時，每10 m或5 m為一個測量點，定弦長20 m或10 m，測量弦的垂線與曲線段圓弧的交點到垂線垂足之間的最大距離稱為最大矢距。在線路維護時，直線段要求10 m弦最大矢距在5 mm內(nèi)，曲線段要求20 m弦最大矢距在5 mm內(nèi)。

圖4 軌向檢測

軌向不平順指的是鋼軌作用邊在縱向的橫向彎曲現(xiàn)象，有左股、右股軌向不平順兩種，如圖5。

圖5 軌向不平順

軌向不平順形成的主要原因：軌頭側(cè)面磨耗不均勻，鋪設(shè)線路過程中有一定彎曲度和實際使用過程中彎曲變形，工務(wù)段在維護時病害的整治工作不到位，扣件扣壓力不足，軌道結(jié)構(gòu)的剛度、強度不均勻，曲線半徑變化，線路橫向縱向變形嚴重，線路中心線產(chǎn)生偏移等。

軌向不平順將加劇車輪的橫向運動，加快列車左右擺動，可能發(fā)生側(cè)翻事故，即在水平方向上造成列車車體振動加速度的突然改變，對列車平穩(wěn)度和舒適度產(chǎn)生較大影響，加速線路結(jié)構(gòu)變形。

(3)高低不平順

高低不平順指的是一股鋼軌頂面豎向凹凸不平的現(xiàn)象，其值為在垂直方向?qū)崪y值與設(shè)計值之間的差值。由于左股鋼軌和右股鋼軌形變有可能不一致，所以有左股、右股高低不平順之分。

高低不平順的形成原因有鋼軌頂面凹凸不平、軌枕與道床間有間隙、中間連接零件的扣壓力不足、中間連接零件與軌枕間有間隙、線路結(jié)構(gòu)的殘余變形、減振墊層彈性不均勻等。

高低不平順能引起列車豎向振動、上下起伏劇烈，列車運行中的穩(wěn)定性能，使列車出現(xiàn)點頭、波動沉浮等現(xiàn)象，在豎直方向上造成列車車體振動加速度的突然改變，輪軌間產(chǎn)生極大的豎向作用力，對道床的阻力有影響，可能導(dǎo)致無縫線路脹軌跑道，鋼軌的受力不均勻，可能導(dǎo)致脫軌事故，加劇了列車對軌道設(shè)備的沖擊和磨損，從而加劇軌道設(shè)備的破損和壽命降低。

(4)水平不平順

水平檢測是直線地段測量左右兩根鋼軌軌頭面的高度差，超高檢測是曲線地段外側(cè)鋼軌與內(nèi)側(cè)鋼軌間高度差是否符合標準的測量。

水平不平順是直線地段左右兩根鋼軌軌頭面在其水平面上的高差不平的現(xiàn)象，是由高低不平順派生出來的。

水平不平順的原因有：左右兩股鋼軌的上下起伏不均勻，道床的彈性變形不一致，某股鋼軌軌下基礎(chǔ)有變形，存在吊板等現(xiàn)象所致。水平不平順常發(fā)生在以下地段：軌頭接縫處，曲線地段起終點處，道床地段起終點處，橋梁軌道等，對這些地段工務(wù)部門要重點加強維保。

直線地段水平不平順將使列車產(chǎn)生左右晃動，左右兩股鋼軌的載荷存在差異，嚴重時可能導(dǎo)致脫軌事故的發(fā)生；曲線地段如果外軌超高太小，極易導(dǎo)致外側(cè)車輪脫離軌道，如果太大，極易導(dǎo)致內(nèi)側(cè)車輪脫離軌道。

(5)三角坑不平順

三角坑不平順是左右兩根鋼軌在水平面上的扭曲現(xiàn)象，是軌道一定長度內(nèi)水平不平順的變化量，通過計算兩個斷面水平的代數(shù)差來度量。

三角坑不平順的原因有：軌道結(jié)構(gòu)空吊、暗坑等。

三角坑不平順將出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架上三個車輪與鋼軌產(chǎn)生應(yīng)力，另一個車輪懸浮的現(xiàn)象，脫軌系數(shù)增加，可能導(dǎo)致列車側(cè)翻、脫軌事故的發(fā)生，三角坑不平順將嚴重制約車輪與鋼軌間的動作用力。

2 復(fù)合不平順的影響研究

復(fù)合不平順是在同一斷面處或某一長度范圍內(nèi)，同時出現(xiàn)豎向和橫向兩種不平順的情形。復(fù)合不平順對輪軌動力學關(guān)系的危害、給行車安全帶來的影響比單一不平順要嚴重。某年，某地鐵公司列車在行駛到道岔地段時發(fā)生脫軌事故，后續(xù)調(diào)查表明，該地段單一不平順均符合要求，是復(fù)合不平順導(dǎo)致列車發(fā)生脫軌事故的。

2.1 高低/軌向復(fù)合不平順

(1)高低/軌向復(fù)合不平順模擬

由于曲線地段各種不利因素的影響，所以在仿真模擬時只討論直線線路的高低/軌向復(fù)合不平順。

因為在軌道幾何不平順的靜態(tài)和動態(tài)檢測時，通常使用一定距離內(nèi)的幾何偏差來衡量，所以，高低/軌向復(fù)合不平順采取單一諧波來表示。

高低和軌向單一不平順可用公式(1)模擬

Z=a(1-cosωt)/2

(1)

式中:a為不平順幅值；t為車輛運行時間；ω= 2πv/L，其中，v為行車速度；L為不平順波長，本文分析范圍為5～80 m。

(2)波長的影響

分析高低/軌向復(fù)合不平順幅值為8 mm，波長為5 m、10 m、40 m、80 m，不同的波長對列車輪軌動力作用效果不同。若波長由5 m變到10 m，動力學指標值均變大，變化率最明顯的是輪重減載率，其值為62.3%，最小為脫軌系數(shù)2.6%；若波長由10 m變到40 m時，動力學指標值均變小，變化率最為顯著的是垂向、橫向加速度，其下降率分別為94%、79%；若波長由40 m變化到80 m，輪重減載率變化較為明顯。從以上分析結(jié)果得出，高低/軌向復(fù)合不平順在幅值固定的條件時，波長≤10 m時動力學指標與波長成正比，波長>10 m時與波長成反比，所以波長在10 m時動力學指標值最大。

(3)幅值影響

根據(jù)對波長的影響分析，最不利波長為10 m，高低/軌向復(fù)合不平順幅值在0～16 mm之間選取，可以得出幅值與動作用力間的關(guān)系。假使軌向和高低不平順幅值在0、8 mm、12 mm、16 mm之間任意取值，可以得出列車動力學指標最大值間表4。

高低/軌向復(fù)合不平順的幅值對動力學指標的影響存在部分差異，高低不平順幅值變化對輪重減載率等的制約較強，而軌向不平順幅值變化對脫軌系數(shù)、橫向力等指標的制約較強。

表4 動力學指標最大值

2.2 軌向/水平逆向位復(fù)合不平順

車體垂向、水平加速度是評價列車運行安全的主要元素，這2個指標達到極限值時，垂向加速度將使列車在運行中上下顛簸，水平加速度將使列車左右搖擺。相關(guān)研究技術(shù)指出，水平加速度不符合標準的原因主要有車輛自身因素和軌向/水平復(fù)合不平順。部分軌道公司工務(wù)部門在維修標準中明確了兩個加速度值的極限，然而沒有詳細列明與其對應(yīng)的軌道不平順項目及控制參數(shù)。

根據(jù)軌道維保經(jīng)驗以及相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，軌向、水平單項不平順符合標準，但是軌向/水平逆向位復(fù)合不平順現(xiàn)象比較常見，但是超限值不大，水平加速度大多數(shù)都符合標準。因此，軌向/水平逆向位復(fù)合不平順對低速運行的列車影響極小，但是對于高速運行的列車及其相應(yīng)路段，要格外引起重視，注意及時整治。這也說明，軌向/水平逆向位復(fù)合不平順是允許的，但是必須適當?shù)目刂?。所以，?wù)必要規(guī)定標準范圍，明確與水平、垂直加速度相對應(yīng)的動態(tài)軌向/水平逆向位復(fù)合不平順允許值，這樣也能對線路維修保養(yǎng)起到借鑒性作用，這樣也便于將靜態(tài)與動態(tài)幾何尺寸限值完美地結(jié)合起來。

總之，軌向/水平逆向位復(fù)合不平順將給行車帶來一定的影響，影響車輪及線路設(shè)備的使用壽命，在平時維保作業(yè)中要格外重視，及時消除病害。檢查線路時，工人要養(yǎng)成隨身攜帶弦線的習慣，在測量幾何形位尺寸時，要采取正確方法，不斷提高檢測水平，將檢測誤差降到最低。

3 總 結(jié)

軌道結(jié)構(gòu)的不平順將使車輪、鋼軌之間產(chǎn)生激擾源，將增加振動和動作用力，增加軌道結(jié)構(gòu)的振動，降低列車運行的平穩(wěn)性、舒適性，增加噪聲的影響，縮短設(shè)備的使用壽命，嚴重時將影響列車運行安全，對乘客安全有威脅。

對軌道不平順的種類、形成原因及影響進行了探索。重點對復(fù)合不平順的情況進行研究，包括高低/軌向復(fù)合不平順模擬、幅值影響及波長的影響，對高低/軌向不平順和軌向/水平逆向位復(fù)合不平順的影響進行了研究。研究表明，某一地段若存在多種不同類型的不平順時，車輪與鋼軌之間的作用力劇變，行車安全性瞬間下降到極值。所以，線路復(fù)合不平順的研究具有現(xiàn)實意義與深遠意義。