司道林 ，王 猛 ，王樹(shù)國(guó) ，王 璞

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所, 北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081）

6號(hào)對(duì)稱道岔是編組站內(nèi)的主型道岔. 近年來(lái)道岔區(qū)脫軌事故時(shí)有發(fā)生，部分站場(chǎng)更換新道岔后短期內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)脫軌事故，嚴(yán)重干擾運(yùn)輸秩序. 為遏制道岔區(qū)脫軌事故的發(fā)生，眾多學(xué)者研究脫軌機(jī)理并提出整治措施. 薛弼一[1]采用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究脫軌機(jī)理，認(rèn)為輪對(duì)脫軌是多因素聯(lián)合作用下的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，較大橫移量、輪軌橫向力和搖頭角是影響脫軌的重要因素. 王健[2]采用型面插值法建立尖軌/基本軌三維輪軌接觸算法模型研究輪對(duì)在道岔轉(zhuǎn)轍器的爬軌機(jī)理，認(rèn)為在尖軌頂寬5～20 mm范圍具有較高的爬軌風(fēng)險(xiǎn). 關(guān)慶華等[3]通過(guò)研究輪對(duì)、摩擦系數(shù)對(duì)摩擦臨界狀態(tài)的影響規(guī)律，對(duì)NADAL脫軌準(zhǔn)則進(jìn)行了修訂，提出了考慮輪對(duì)沖角、摩擦系數(shù)及輪緣角的脫軌系數(shù)和減載率判別公式. 陳果等[4]基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型得出脫軌系數(shù)超限時(shí)間和車輪抬升量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為脫軌系數(shù)達(dá)到1.0以上的持續(xù)時(shí)間超過(guò)0.035 s時(shí)車輛具有較高的脫軌風(fēng)險(xiǎn). 鄭新明等[5]系統(tǒng)總結(jié)車輛脫軌的安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和原則，提出從軌道部件傷損、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、軌道幾何不平順控制、道床支承狀態(tài)和尖軌降低值等方面預(yù)防脫軌. 曾慶元等[6]認(rèn)為列車的脫軌力學(xué)機(jī)理是列車橋梁（軌道）時(shí)變系統(tǒng)的橫向振動(dòng)喪失穩(wěn)定，并提出判別系統(tǒng)橫向振動(dòng)是否穩(wěn)定的準(zhǔn)則.Elkins等[7]在NADAL脫軌機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出考慮沖角和持續(xù)距離的爬判斷準(zhǔn)則. 費(fèi)維周[8]認(rèn)為6號(hào)對(duì)稱道岔脫軌事故與道岔連接線型、緩行器設(shè)置位置、車輛編組方式、軌枕類型、道岔養(yǎng)護(hù)等因素有關(guān)，岔前應(yīng)設(shè)置長(zhǎng)度不小于2 m夾直線、增加尖軌降低值、減小迎輪護(hù)軌輪緣槽寬度等措施可降低脫軌風(fēng)險(xiǎn).李海峰等[9]通過(guò)整治道岔前后幾何尺寸、安裝迎輪護(hù)軌、增設(shè)軌距拉桿、加裝鐵墊板外側(cè)止擋等措施可提高道岔區(qū)安全性. 賈躍軍等[10]分析了尖軌磨耗后型面變化對(duì)道岔區(qū)安全性指標(biāo)的影響規(guī)律，尖軌磨耗后脫軌系數(shù)、減載率安全性指標(biāo)均有所增加. 李章鳳[11]認(rèn)為道岔線型不良、尖軌過(guò)度磨耗是導(dǎo)致脫軌的主要原因，通過(guò)整治曲線正矢、加強(qiáng)軌道狀態(tài)養(yǎng)護(hù)維修預(yù)防道岔脫軌. 目前仍未形成有效措施杜絕脫軌事故的發(fā)生.

司道林等[12]認(rèn)為6號(hào)對(duì)稱道岔內(nèi)的脫軌屬典型爬軌脫軌，根本原因是輪對(duì)進(jìn)入道岔時(shí)輪緣頂部接觸尖軌尖端時(shí)形成的接觸角較小、抗脫軌能力不足.因此，在不改變既有道岔結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，通過(guò)改變輪對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，避免不利接觸狀態(tài)可杜絕脫軌事故的發(fā)生. 借鑒固定型轍叉護(hù)軌導(dǎo)向原理，通過(guò)在轉(zhuǎn)轍器區(qū)設(shè)置特定裝置強(qiáng)制約束輪緣背部改變輪對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到防止脫軌的目的. 安裝在道岔尖軌尖端之前的迎輪護(hù)軌便是實(shí)現(xiàn)此功能的裝置之一. 此外，本文又介紹了一種全新的防脫軌裝置，并建立車輛-道岔動(dòng)力學(xué)模型，分析輪對(duì)在兩種結(jié)構(gòu)約束作用下通過(guò)道岔時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，由此獲得兩種結(jié)構(gòu)的防脫軌作用機(jī)理.

1 迎輪護(hù)軌作用特性分析

1.1 結(jié)構(gòu)特征及工作原理

圖1展示了迎輪護(hù)軌結(jié)構(gòu)及主要尺寸. 迎輪護(hù)軌安裝在道岔前端，護(hù)軌中心與道岔始端軌縫平齊，距尖軌尖端1 420 mm. 為引導(dǎo)輪對(duì)順利通過(guò)護(hù)軌區(qū)，迎輪護(hù)軌開(kāi)口段、緩沖段和平直段輪緣槽寬度分別為94.0、78.0、42.0 mm，各段對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度分別為100、800、940 mm. 迎輪護(hù)軌輪緣槽最小寬度為42.0 mm，若軌道兩側(cè)同時(shí)安裝，軌距1 445 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的護(hù)背距為1 361 mm（1445?42?42=1361），超過(guò)護(hù)背距的要求限值1 348 mm[13]. 因此，僅能在軌道一側(cè)安裝.

圖1 迎輪護(hù)軌Fig. 1 Guardrail in front of switch rail toe

圖1中迎輪護(hù)軌安裝在Ⅰ股側(cè)，Ⅰ股處于開(kāi)通狀態(tài). 當(dāng)車輛逆向進(jìn)岔時(shí)，輪對(duì)首先經(jīng)迎輪護(hù)軌的開(kāi)口段進(jìn)入緩沖段，在緩沖段迎輪護(hù)軌與輪緣背部接觸，逐漸約束輪對(duì)橫移，改變其運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)入輪緣槽寬度42.0 mm的平直段后，輪對(duì)將被迎輪護(hù)軌強(qiáng)制偏離軌道中心，向Ⅰ股側(cè)的偏移量可由軌距1445 mm、輪緣內(nèi)側(cè)距1353 mm計(jì)算得到，偏移量為4.0 mm（1445/2?1353/2?42），如圖1（b）所示. 輪對(duì)駛出平直段后，隨著輪緣槽寬度增加，輪對(duì)逐漸脫離迎輪護(hù)軌約束，在輪軌蠕滑自導(dǎo)向狀態(tài)下進(jìn)入道岔區(qū).

由于輪對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡受到迎輪護(hù)軌約束，改變輪對(duì)進(jìn)入道岔時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài). 這就使得輪對(duì)通過(guò)道岔區(qū)的橫移量變化規(guī)律以及輪緣何時(shí)貼靠Ⅱ股尖軌成為未知. 為此，采用文獻(xiàn)[14-15]中的方法建立車輛-道岔動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算在迎輪護(hù)軌作用下車輛通過(guò)道岔區(qū)時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng).

1.2 迎輪護(hù)軌對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)特性影響

圖2展示了輪對(duì)經(jīng)迎輪護(hù)軌進(jìn)入道岔區(qū)過(guò)程中各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的時(shí)程曲線. 圖中橫坐標(biāo)為輪對(duì)走行距離，60 m對(duì)應(yīng)的位置為尖軌尖端. 橫坐標(biāo)小于60 m時(shí)說(shuō)明輪對(duì)位于道岔前，大于60 m意味著輪對(duì)已進(jìn)入道岔.

道岔前端連接半徑200 m的曲線，進(jìn)入道岔前輪對(duì)貼靠上股運(yùn)行，輪對(duì)橫移量達(dá)到13.5 mm，如圖2（a）所示. 在距尖軌尖端2.300 m（圖2（a）中點(diǎn) ①）的緩沖段輪緣背部開(kāi)始接觸迎輪護(hù)軌，輪對(duì)在迎輪護(hù)軌約束作用下逐漸向軌道中心橫移，進(jìn)入平直段后輪緣槽寬度最小，輪對(duì)被約束至軌道中心另一側(cè)，向下股偏移3.0 mm（圖2（a）中點(diǎn) ②），小于上節(jié)靜態(tài)計(jì)算值4.0 mm，這是由于軌道結(jié)構(gòu)變形所致，此過(guò)程護(hù)軌承擔(dān)的荷載達(dá)到峰值47 kN （如圖2（b）所示）；在距尖軌尖端1.000 m處（圖2（a）中點(diǎn) ③），輪緣背部逐漸脫離迎輪護(hù)軌約束，輪對(duì)重新向曲線上股橫移，運(yùn)行至尖軌尖端（圖2（a）中點(diǎn) ④）時(shí)輪對(duì)橫移為3.0 mm. 進(jìn)入道岔后在轉(zhuǎn)轍角作用下橫移速率增加；在距尖軌尖端接近0.500 m（圖2（a）中點(diǎn) ⑤）處輪緣根部撞擊尖軌，尖軌與基本軌開(kāi)始共同承載，輪對(duì)橫移達(dá)到最大值. 輪載轉(zhuǎn)換過(guò)程中輪軌橫向力和脫軌系數(shù)均達(dá)到峰值(分別為31 kN和0.98)，如圖2（c）、（d）所示. 圖中負(fù)值意味著鋼軌受到的橫向力指向線路外側(cè)；圖中正值意味著鋼軌受到的荷載指向線路內(nèi)側(cè).

圖2 迎輪護(hù)軌作用下的動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果Fig. 2 Simulation results under the action of guardrail in front of switch rail toe

可見(jiàn)，在迎輪護(hù)軌約束下輪對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，避免了持續(xù)貼靠軌道上股運(yùn)行，使輪對(duì)在橫移量為3.0 mm狀態(tài)下進(jìn)入道岔，從而推遲輪緣與尖軌貼靠的位置，避免輪緣與尖軌尖端接觸、形成不利的輪軌接觸狀態(tài).

如前所述，由于迎輪護(hù)軌安裝尺寸無(wú)法滿足護(hù)背距的尺寸要求，導(dǎo)致其無(wú)法在軌道兩側(cè)同時(shí)安裝，意味著僅能對(duì)道岔的其中一股行車起到防護(hù)作用.倘若在軌道兩側(cè)同時(shí)安裝迎輪護(hù)軌，最小輪緣槽寬度可根據(jù)軌距1445、軌距偏差6 mm和護(hù)背距1348 mm計(jì)算得到，最小輪緣槽寬度為51.5 mm （(1445+6)/2?1 348/2）.

圖3展示了輪緣槽增至51.5 mm后的輪對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)入道岔時(shí)的輪對(duì)橫移量為9.0 mm，在距尖軌尖端0.320 m處輪緣即貼靠尖軌，此時(shí)的接觸角為67°. 根據(jù)NADAL脫軌準(zhǔn)則，摩擦系數(shù)為0.4時(shí)的脫軌系數(shù)臨界值為1.0，滿足第二限度要求，但不滿足第一限度值1.2的要求.

圖3 雙側(cè)安裝迎輪護(hù)軌時(shí)的輪對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 3 Wheelset lateral shift with double guardrails

綜上分析，當(dāng)最小輪緣槽寬度為42.0 mm時(shí)既有迎輪護(hù)軌可顯著改變輪對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，改善輪軌接觸關(guān)系，對(duì)保證單側(cè)行車安全起到積極作用. 但若兩側(cè)同時(shí)安裝迎輪護(hù)軌，對(duì)輪對(duì)的約束效果有限，難以有效改善輪軌接觸幾何關(guān)系.

2 新型防脫裝置作用特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)特征及工作原理

既有迎輪護(hù)軌是通過(guò)在道岔前約束輪對(duì)位移的方式改變輪對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，其工作原理存在一定不足，無(wú)法在軌道兩側(cè)同時(shí)安裝，難以杜絕脫軌事故的發(fā)生. 本文介紹一種全新的防脫軌裝置（以下簡(jiǎn)稱防脫器）. 圖4（a）展示了防脫器結(jié)構(gòu)的總體布置圖，防脫器對(duì)稱布置于軌道兩側(cè)，全長(zhǎng)為L(zhǎng)，以道岔尖軌尖端為界劃分道岔內(nèi)、外兩部分，道岔外的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，道岔內(nèi)的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2. 與迎輪護(hù)軌相比，防脫器設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，在保證護(hù)背距滿足要求的前提下，既要起到約束輪對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用，又要保證尖軌的正常轉(zhuǎn)換功能.

圖4中防脫器A側(cè)的尖軌與基本軌處密貼狀態(tài)（如圖4（b）所示），防脫器B側(cè)的尖軌與基本軌處斥離狀態(tài)（最大開(kāi)口量167 mm），防脫器下底面高出尖軌頂面一定距離，使尖軌藏于防脫器下方. 圖中防脫器A處于非工作狀態(tài)，由防脫器B處約束其輪對(duì)運(yùn)動(dòng). 輪對(duì)逆向進(jìn)岔時(shí)向防脫器A側(cè)偏移，防脫器B與輪緣背部接觸，約束輪對(duì)橫移，從而防止輪緣在尖軌尖端接觸尖軌，避免幅值較小的輪緣接觸角的出現(xiàn). 同理，當(dāng)防脫器B側(cè)的尖軌與基本軌密貼時(shí)，由防脫器A限制其輪對(duì)運(yùn)動(dòng)（圖中虛線尖軌所在位置）.

圖4 防脫器Fig. 4 Anti-derailment equipment

輪緣槽寬度變化與迎輪護(hù)軌類似，中間為平直段（位于尖軌尖端），輪緣槽寬度為52.0 mm，兩端分別設(shè)置緩沖段和開(kāi)口段，以便引導(dǎo)車輪順利進(jìn)入道岔.

2.2 防脫器對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)特性影響

采用與上節(jié)相同的方法建立可模擬防脫器的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算輪對(duì)在道岔區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡. 防脫器動(dòng)力學(xué)指標(biāo)時(shí)程曲線如圖5所示.

道岔前端連接半徑200 m的曲線，進(jìn)入道岔前輪對(duì)橫移已達(dá)到13.5 mm. 由圖5可見(jiàn)：在尖軌尖端前0.700 m （圖5（a）中點(diǎn)1）處輪緣背部與防脫器接觸，輪對(duì)橫移快速減小，在尖軌尖端（圖5（a）中點(diǎn)2）處輪對(duì)橫移量減至3.8 mm，此過(guò)程中防脫器承擔(dān)的荷載最大值為43 kN （如圖5（b）所示）. 通過(guò)尖軌尖端后，輪背逐漸脫離防脫器的約束，輪對(duì)重新向上股偏移，在距尖軌尖端0.705 m （圖5（a）中點(diǎn)3）處，輪緣根部與尖軌接觸，尖軌與基本軌共同承載，輪對(duì)橫移達(dá)到最大值. 輪載轉(zhuǎn)換過(guò)程中輪軌橫向力和脫軌系數(shù)均達(dá)到峰值，最大值分別29 kN和0.98，如圖5（c）、（d）所示.

圖5 防脫器動(dòng)力學(xué)指標(biāo)時(shí)程曲線Fig. 5 Time-history curves of dynamic indexes of anti-derailment equipment

綜上分析可見(jiàn)，防脫器不僅防護(hù)效果更優(yōu)，且克服了既有迎輪護(hù)軌的缺陷，實(shí)現(xiàn)在軌道兩側(cè)同時(shí)安裝，使對(duì)稱道岔雙方向行車時(shí)均可得到防護(hù). 不僅如此，由于防脫器延伸至道岔區(qū)以內(nèi)，即使車輛在不確定外荷載（如車鉤力橫向分量、減速器制動(dòng)力）作用下輪對(duì)產(chǎn)生大幅橫移爬上鋼軌，仍可使輪對(duì)復(fù)位.

防脫器使用過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生磨損，使輪緣槽寬不斷增加，從而影響對(duì)輪對(duì)的約束效果. 為提出合理的槽寬維修限值，通過(guò)理論計(jì)算得到槽寬在52.0～58.0 mm范圍變化時(shí)輪對(duì)橫移變化，以及輪緣初始接觸尖軌時(shí)距尖軌尖端的距離.

圖6（a）描述了各種輪緣槽寬情況下輪對(duì)橫移的時(shí)程曲線，隨著輪緣寬度的增加，尖軌尖端處的輪對(duì)橫移量不斷增加，輪緣趨于上股防脫器對(duì)輪對(duì)約束效果不斷減弱

圖6（b）展示了輪緣接觸尖軌時(shí)距尖軌尖端的距離隨輪緣槽寬度的變化規(guī)律，隨著輪緣槽寬度的增加，輪緣接觸尖軌的位置不斷接近尖軌尖端，對(duì)應(yīng)的尖軌降低值不斷增加，導(dǎo)致輪軌間的抗脫軌能力也隨之降低. 當(dāng)輪緣槽寬度小于56.0 mm時(shí)，變化趨勢(shì)明顯增加. 因此，建議輪緣槽寬度上限值取56.0 mm，大于此值后應(yīng)及時(shí)調(diào)整防脫器位置.

圖6 輪緣槽尺寸對(duì)防脫器力學(xué)性能的影響規(guī)律Fig. 6 Influence of flangeway width on dynamic performances of anti-derailment equipment

3 結(jié) 論

本文總結(jié)分析了6號(hào)對(duì)稱道岔區(qū)的防脫軌研究成果，建立車輛-道岔動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算迎輪護(hù)軌作用下道岔區(qū)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并介紹了一種全新的防脫軌裝置，通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證防脫軌裝置的力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：

1） 安裝在道岔外的既有迎輪護(hù)軌結(jié)構(gòu)可明顯改變輪對(duì)進(jìn)入道岔前的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)預(yù)防對(duì)稱道岔單側(cè)防脫軌具有積極意義，但由于護(hù)背距無(wú)法滿足要求，不能兩側(cè)同時(shí)安裝. 當(dāng)同時(shí)安裝時(shí)，輪緣槽寬度增加，對(duì)輪對(duì)約束能力大幅減弱，難以杜絕脫軌事故發(fā)生.

2） 防脫軌裝置作為一種全新的結(jié)構(gòu)形式，突破既有迎輪護(hù)軌的道岔外起作用的原理. 實(shí)現(xiàn)道岔兩側(cè)同時(shí)安裝，可改變輪對(duì)在道岔區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，防止輪緣與尖軌尖端接觸，避免不利輪軌接觸狀態(tài)的出現(xiàn)，大幅提高道岔安全性能. 可對(duì)稱安裝在軌道兩側(cè)，使對(duì)稱道岔雙方向行車的安全均可得到有效保證. 此外，防脫器避免了尖軌尖端磨耗和傷損的產(chǎn)生，將有效延長(zhǎng)尖軌壽命.