李文博

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006)

1 概述

在鐵路貨運(yùn)站場中，易發(fā)生脫軌的50 kg/m鋼軌6號對稱道岔一般鋪設(shè)于編組站駝峰峰頂下咽喉處，往往和小半徑曲線及較短的夾直線相連，線路條件較差，且該處車輛溜放速度在站場中是最高的，針對國內(nèi)對稱道岔存在的脫線問題，目前主要有以下措施緩解脫軌現(xiàn)象:

1)加強(qiáng)現(xiàn)場的養(yǎng)護(hù)、打磨。2)尖軌涂抹潤滑脂、減小摩擦系數(shù)、降低脫軌系數(shù)。3)降低轉(zhuǎn)轍器部分橫向剛度，增大車輪過岔時軌距擴(kuò)張，可降低脫軌風(fēng)險。

上述第1，2條措施主要針對現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)而言，第3條措施是從道岔結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，以緩解車輛脫軌現(xiàn)象。在保證岔枕不變、可互換的前提下，對既有的60 kg/m鋼軌6號對稱道岔軌撐滑床板結(jié)構(gòu)(如圖1所示)進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)有滑床板滑床臺板采用剛性扣壓基本軌，基本軌外側(cè)采用軌撐支撐，其橫向剛度較大，車輛通過時尖軌基本軌橫向擴(kuò)張較小，車輪容易爬上尖軌。優(yōu)化后滑床板在保證扣壓基本軌的情況下，提高橫向變形，60 kg/m鋼軌提速道岔用的彈片銷釘式滑床板結(jié)構(gòu)，在提速道岔上已大量使用，結(jié)構(gòu)成熟可靠，本次改進(jìn)借鑒該結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后滑床板結(jié)構(gòu)型式見圖2，基本軌內(nèi)側(cè)采用彈片扣壓，外側(cè)取消軌撐，采用彈條扣壓。

針對50 kg/m鋼軌6號對稱道岔出現(xiàn)的車輛脫軌掉道問題，從道岔結(jié)構(gòu)自身出發(fā)，計(jì)算車輛通過轉(zhuǎn)轍器前端時的脫軌系數(shù)及基本軌的軌距擴(kuò)張量。

圖1 軌撐滑床板結(jié)構(gòu)

圖2 彈片銷釘式滑床板結(jié)構(gòu)

2 脫軌系數(shù)計(jì)算

脫軌系數(shù)是指某一時刻車輪作用于鋼軌的橫向力與豎向力的比值H/P;我國對于常速鐵路的脫軌系數(shù)規(guī)定是H/P的值等于1.2為危險限度，H/P的值等于1為容許限度［1］。

2.1 車輛通過轉(zhuǎn)轍器時的橫向力計(jì)算

在50 kg/m鋼軌6號對稱道岔中，設(shè)車輛以速度v通過，在車輪由基本軌進(jìn)入尖軌的過程中，車輛速度將發(fā)生如圖3所示的變化。

圖3 車輛進(jìn)入尖軌過程中速度的變化

如圖3所示，尖軌前端直線段與基本軌的夾角β'為尖軌沖擊角，當(dāng)車輪由基本軌轉(zhuǎn)向尖軌時，由于沖擊角的存在，車輪速度的方向被尖軌強(qiáng)制改變，由原來的與基本軌平行的方向變?yōu)榕c尖軌前端平行的方向，在此過程中產(chǎn)生了大小為v sinβ'，方向?yàn)榇怪庇诩廛壪蜍壍乐行牡乃俣葥p失，這一部分速度損失正是由于尖軌強(qiáng)制改變車輪運(yùn)行方向引起的，相反，在此過程中，車輪也會對尖軌產(chǎn)生與速度損失方向相反的沖擊。

分析車輪在尖軌尖端的運(yùn)行軌跡，對于50 kg/m鋼軌6號對稱道岔，車輛運(yùn)行方向的改變是在尖軌尖端到尖軌頂寬20 mm這一段完成，該段長度為0.969 m，道岔設(shè)計(jì)速度為35 km/h?？紤]到該道岔主要用于駝峰編組，計(jì)算時取最大速度為30 km/h。車輪前進(jìn)方向被強(qiáng)制改變的時間約為0.116 s，設(shè)一個車軸所分擔(dān)的車體質(zhì)量為m，6號對稱道岔的尖軌沖擊角β'的大小為2°04'20″，根據(jù)動量定理:

可計(jì)算出車輪對尖軌沖擊力F的大小為2.58 m。

在車輛通過岔內(nèi)導(dǎo)曲線時，雖然該道岔設(shè)置了6 mm的曲線外軌超高，當(dāng)車輛以30 km/h的速度通過時，依然存在未被平衡的離心加速度。

其中，R為道岔導(dǎo)曲線半徑，180 m;g為重力系數(shù)，9.8 m/s2;S1為兩軌頭中心線距離，在50 kg/m鋼軌6號對稱道岔中為1 520 mm;由此，可計(jì)算出車輛通過曲線時未被平衡離心加速度為0.35 m/s2，因此，車輛通過曲線時的向心力為 0.35 m。

基于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的特性［2］考慮車輪與鋼軌之間的作用，則車輪對鋼軌的橫向力H由車輪速度改變時對尖軌的沖擊力和通過曲線時的離心力兩部分組成，因此某一點(diǎn)車輪對鋼軌的橫向力 H 的大小為 2.58 m+0.35 m=2.93 m。

2.2 車輪豎向力

設(shè)一個車軸所分擔(dān)的車體質(zhì)量為m，則單個車輪的輪載大小為 4.9 m。

2.3 脫軌系數(shù)計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算及脫軌系數(shù)的定義，當(dāng)車輛通過50 kg/m鋼軌6號對稱道岔轉(zhuǎn)轍器前端時，車輛脫軌系數(shù):

通過脫軌系數(shù)的計(jì)算可以看出，在正常情況下車輛通過50 kg/m鋼軌6號對稱道岔時不存在脫軌的風(fēng)險，然而，在車輛的實(shí)際運(yùn)行過程中，引起脫軌的原因有很多，如線路狀態(tài)不好、鋼軌磨損嚴(yán)重等，尤其在編組站駝峰處，當(dāng)空車溜放時，車輪可能會跳起，導(dǎo)致輪載減小，即使此時橫向力不是很大，但脫軌系數(shù)增大［3］，也可能引起脫軌，我國也以輪載減載率作為判別車輛是否存在脫軌風(fēng)險的依據(jù)，認(rèn)為輪載減載率 ΔP/P＞0.6 即存在脫軌的風(fēng)險［1］。

3 道岔結(jié)構(gòu)優(yōu)化后動態(tài)軌距擴(kuò)張的計(jì)算

通過脫軌系數(shù)計(jì)算及脫軌現(xiàn)場分析，認(rèn)為道岔轉(zhuǎn)轍器部分的橫向剛度過大，導(dǎo)致車輛通過時在車輪橫向力作用下，軌道無法產(chǎn)生動態(tài)軌距擴(kuò)張，從而導(dǎo)致車輪爬上尖軌也可能是引起車輛脫軌的原因。針對這種可能，對50 kg/m鋼軌6號對稱道岔轉(zhuǎn)轍器部分的滑床板進(jìn)行了優(yōu)化，將原來的滑床板一側(cè)剛性扣壓改為彈片銷釘扣壓方式，同時取消基本軌外側(cè)的軌撐，這種結(jié)構(gòu)在60 kg/m鋼軌提速道岔上已經(jīng)取得了成熟應(yīng)用，完全可以適應(yīng)50 kg/m鋼軌6號對稱道岔。下面運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立軌道模型，計(jì)算轉(zhuǎn)轍器前端在橫向力作用下軌距的動態(tài)擴(kuò)張量。

3.1 計(jì)算參數(shù)的選取及計(jì)算

50 kg/m鋼軌6號對稱道岔轉(zhuǎn)轍器部分基本軌外側(cè)采用的是 B型彈條扣壓，其節(jié)點(diǎn)扣壓剛度為90 kN/m～120 kN/m，計(jì)算采用100 kN/m。

基本軌內(nèi)側(cè)是采用彈片銷釘式的扣壓，采用圖4的加載方式，利用ANSYS軟件建立模型對彈片的扣壓剛度進(jìn)行計(jì)算確定。

圖4 彈片扣壓剛度計(jì)算示意圖

按照圖2所示的約束及加載方式，建立ANSYS有限元計(jì)算模型，用Solid95單元劃分網(wǎng)格，彈片的彈性模量取2.06E11Pa，泊松比為0.3。分別施加10 kN 和8 kN 的力，計(jì)算得到彈片扣壓鋼軌一端的位移分別為 4.051 mm和3.241 mm，如圖5所示為施加8 kN的力后彈片的變形，最后可以得到彈片的節(jié)點(diǎn)扣壓剛度為2.47 kN/mm。

圖5 施加8 k N的荷載時彈片的變形

50 kg/m鋼軌6號對稱道岔一般為貨車通過，取其軸重23 t，則作用于一根鋼軌上的豎向荷載為115 kN，通過前面脫軌系數(shù)的計(jì)算，作用于鋼軌上的水平荷載大小取為豎向荷載的0.6倍，大小為69 kN。按照圖5所示的加載方式，在ANSYS中建立50 kg/m鋼軌的有限元計(jì)算模型，假設(shè)車輛通過時作用于尖軌上的橫向力全部傳遞到基本軌上，并引起基本軌的橫向位移造成軌距擴(kuò)張，因此計(jì)算模型取基本軌，加載及約束如圖6所示，基本軌軌肢外側(cè)固定約束，兩邊軌肢分別施加彈片和B型彈條的扣壓剛度，軌下支承剛度取35 kN/mm;在水平荷載作用下，鋼軌將會繞非工作邊的軌肢轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生橫向的軌距擴(kuò)張。

圖6 鋼軌加載及約束示意圖

3.2 軌距擴(kuò)張量的計(jì)算

根據(jù)TB 2034《鐵路軌道強(qiáng)度檢算法》提供的關(guān)于軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢算的連續(xù)支承梁模型法，對模型長度取7.2 m，充分消除模型邊界效應(yīng)的影響。采用Solid95單元對鋼軌劃分網(wǎng)格，用Combin39單元模擬彈片、彈條及軌下支承剛度。鋼軌彈性模量取2.1E11Pa，泊松比0.3，計(jì)算得到鋼軌頂部橫向位移如圖7所示。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，在對50 kg/m鋼軌6號對稱道岔轉(zhuǎn)轍器滑床結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，當(dāng)車輛通過轉(zhuǎn)轍器部分時，基本軌由于橫向力作用造成的側(cè)翻會引起3 mm的軌距擴(kuò)張，當(dāng)車輪輪緣側(cè)向擠壓尖軌時，作用于尖軌上的橫向力傳遞到基本軌上后，尖軌基本軌整體會向外側(cè)退讓3 mm，使得車輪輪緣爬上尖軌的趨勢得到緩解，從而減小脫軌風(fēng)險?？紤]到基本軌擠壓軌距塊造成的橫向位移，基本軌的整體橫向位移可達(dá)到3 mm～5 mm，因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后消除了設(shè)置軌撐和剛性扣壓引起的基本軌橫向剛度過大的問題，減小了由于沒有軌距擴(kuò)張而導(dǎo)致車輪爬上鋼軌的風(fēng)險。

圖7 基本軌橫向擴(kuò)張位移計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

1)在線路和道岔狀態(tài)良好的條件下，當(dāng)車輛以30 km/h的速度通過道岔時，車輪的脫軌系數(shù)為0.6，理論上不存在脫軌的風(fēng)險。

2)對50 kg/m鋼軌6號對稱道岔的滑床板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，減小了基本軌的橫向剛度，在車輛通過時會產(chǎn)生不小于3 mm的動態(tài)軌距擴(kuò)大，消除了因?yàn)檐壘酂o法擴(kuò)張而導(dǎo)致車輪擠上鋼軌的風(fēng)險。優(yōu)化后的道岔在昆明東編組場的應(yīng)用中尚未發(fā)生脫軌事故。

3)造成車輛脫軌的原因比較復(fù)雜，除了較大的橫向力外，車輪的輪載減載率也是引起車輪脫軌的重要原因，當(dāng)線路不平順、輪軌磨耗嚴(yán)重，尤其編組站駝峰處空車溜放時，輪軌系統(tǒng)強(qiáng)烈振動，車輪有跳起的趨勢，雖然此時橫向力并沒有增大，但是車輪作用于鋼軌的荷載減小，進(jìn)而導(dǎo)致脫軌系數(shù)增大，產(chǎn)生脫軌的風(fēng)險。因此，不僅要從道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，更要在道岔的養(yǎng)護(hù)維修上重視防范車輛脫軌的風(fēng)險。