9号木枕复交道岔机车车辆脱轨研究与预防

韩清强 上海铁路局阜阳工务段

近几年，9号木枕复交道岔机车车辆脱轨现象呈多发态势，对编组站的安全畅通构成了威胁。复交道岔出现脱轨，既干扰了运输，又造成了损失，还困扰着现场。因此，开展复交道岔机车车辆脱轨问题研究，进而制订出符合实际的预防措施，对于消除运输安全隐患，确保编组安全畅通十分重要。

1 复交道岔机车车辆脱轨的基本类型

车辆在线路上的脱轨形式通常有爬轨、跳轨、滑轨以及车轮因轨距过大掉入轨道内侧脱轨等。爬轨通常发生于低速通过小半径曲线时；跳轨多数发生在高速运行时；掉入轨道脱轨发生在轮对安全搭载不足时。通过统计，复交道岔上的脱轨多发生在侧向，主要是因轮对爬轨而引起的爬上钢轨脱轨、爬上尖轨脱轨和爬轨后因轮对安全搭载量不足掉入轨道内侧脱轨等三种类型。

2 复交道岔机车车辆脱轨分析

2.1 爬轨过程及其分类

车体在侧向通过复交道岔时，由于发生转向，轮对将承受车体传来的侧向力。在侧向力作用下，前轮对的外侧车轮轮缘紧靠钢轨，并在导向力作用下，引导着前轮对连同整个转向架沿着曲尖轨方向运行，形成轮缘根部的圆弧与轨头侧面的圆弧部分接触，出现爬轨趋势。如果侧向力大到一定程度，车轮踏面逐渐抬起，爬轨趋势越来越大，轮缘将沿着钢轨侧面滚动。此时存在以下三种情况：

（1）爬钢轨脱轨。如果此时轮重还不够大，则在侧向力作用下，车轮在转动的同时继续往上爬，如果轮缘与轨头接触点达到轮缘圆弧面上拐点，就出现了临界状态。超过临界状态后，轮缘顶部的圆弧部分和轨头顶面接触，直至车轮爬上钢轨，并使车轮落出轨外，形成轮缘在轨枕上滚切的脱轨现象。

（2）爬尖轨脱轨。对于尖轨顶宽50 mm断面前，由于尖轨低于基本轨，如果此时轮缘顶部超过尖轨顶面中部，此时，轮对已经不能回复正常状态，随着车轮转动，轮缘将可能沿着尖轨顶面移动，导致爬上尖轨，形成挤岔脱轨。

（3）掉入轨道脱轨。车轮在爬升的过程中，轮缘厚度逐渐变薄，同时，若钢轨出现侧磨，轨头的厚度也变薄，轮对安全搭载量将大幅减小，若超过允许限度，此时，即使轮对未爬上钢轨（尖轨），也会因安全搭载量不足而导致非爬轨侧车轮掉入轨道内侧，形成脱轨事故。

2.2 脱轨条件及影响因素

影响机车车辆脱轨的因素分为两大类：一类是使轮轨之间的侧向力加大；一类是使轮重减小的。分别用脱轨系数和轮重减载率来衡量。

2.2.1 脱轨系数与轮对脱轨条件

“脱轨系数”由Nadal给出计算公式：

式中：

Q--作用在车轮上的侧向力；

P--作用在车轮上的垂向力；

μ--轮缘处的摩擦系数；

a--轮缘接触角。

可知：①摩擦系数越大，爬轨系数越大，反之则小；②轮缘角越小，爬轨系数越大，控制轮缘角可降低爬轨系数；③侧向力越大，爬轨系数越大。侧向力的大小与车体状态、轨道状态有关。

2.2.2 轮对侧向力分析

图1为车轮侧向进入复交道岔的示意图。

图1 车轮侧向过岔示意图

由图中可以看出：

①侧向力与速度V和冲击角β正弦值成正比，控制速度和减小冲击角有利于降低侧向力，对减小爬轨可能性有利。

②尖轨基本轨的侧磨范围为：以尖轨尖端A为中心，距离为δ/sinβ的范围，为基本轨和尖轨的侧磨范围。对于9号复交道岔，这一范围约为199.2 mm-706.3 mm。这一范围恰是尖轨最薄弱、车轮最易爬上尖轨的部分。

③β为广义冲击角。包括辙叉构造角、尖轨尖端附近δ/sinβ范围内因基本轨横移而产生的动态附加角与轨距方向不顺增加的静态附加角。

2.2.3 轮重减载率与轮对脱轨条件

车辆侧向进入复交道岔时，若爬轨侧车轮的轮重减载过多时，即使侧向力很小，也有可能脱轨。对于复交道岔，对轮重减载量有直接影响的主要是线路扭曲率i‰。以P60棚车在空车状态、对角旁承游间之和为0的不利条件下来考查轮重减载率与线路扭曲率关系，其为：

具体见图2。

图2 轮重减载率与线路扭曲率关系

从图中可以看出，扭曲率越大，减载率越高，出现脱轨的可能性越大。以ΔP/P分别为0.6、0.65来考察，在基长2.4 m范围内，三角坑分别7.6 mm、8.2 mm，超过经常保养标准，但都未达到临时补修标准。因此要严格控制尖轨尖端前后的空吊和三角坑，达到7 mm均按临时补修标准进行管理。

2.3 掉入轨道脱轨分析

轮对侧向过岔时，外侧车轮轮缘紧靠外轨，轮对内侧踏面在内轨上应保证有足够宽度，以防轮对掉入轨道内导致脱轨。内侧车轮踏面在内轨上的这个必要宽度，叫作安全搭载量λ。车轮侧向通过复交道岔时难免会出现爬轨现象，若钢轨存在侧磨，λ将会快速减小。对于标准轮缘角，车辆轮对最不利条件下，车轮侧向通过复交道岔时，λ与爬轨高度h、钢轨侧磨量b的关系为：

一般情况下λ不小于5 mm，否则将会引起一侧轮对掉入轨道内侧而脱轨，则在临界状态时，h与b的关系为：

则h与b的关系见图3。

图3 车轮爬轨高度与钢轨侧磨量关系

从图中可以看出，在λ一定的情况下，爬轨高度与钢轨侧磨量成反比，侧磨量越大，允许的爬轨高度就越小。如对于P50轨而言，当侧磨量12 mm、轨距为1 450 mm时，允许的爬轨高度约为16.6 mm，超过这一高度，既使工务各项技术指标都不超过规定标准，但因λ不足5 mm，可能导致脱轨；当侧磨量6 mm时，爬轨高度不超过25 mm，轨距为允许最大轨距1 456 mm时，λ都在安全范围。因此对于复交道岔侧向导曲轨，侧磨量要从严控制，允许值不超过6 mm为宜。

2.4 爬上尖轨脱轨分析

在尖轨顶面低于基本轨段，取尖轨顶面宽度为d1，轮缘厚度为d，当轮缘侧面与钢轨（或尖轨）侧面接触而未爬轨时，轮缘顶面中线与尖轨顶面中线的水平距离用X表示。当轮对爬轨时，X与h、b的关系为：

因此，判断轮缘是否爬上尖轨可用X来表示，若X≤0，则可认为轮缘爬上尖轨。X=0时，尖轨顶面宽度d1为临界状态。

轮缘厚度为22 mm时，不同轮缘角下，轮对爬升高度h与侧磨量b、尖轨顶面宽度d1的关系见图4：

图4 最不利轮对爬轨高度与钢轨侧磨、尖轨顶面宽度关系

从公式及图中可知：尖轨顶面宽20 mm以前是车轮最易爬上尖轨的地方。当该段无侧磨、轮缘角合理时，车轮不易爬上尖轨，但一旦有侧磨，轮对在该段易出现爬上尖轨的情况。因此要控制轮缘爬上尖轨，除要控制轮缘爬轨外，还要对该段钢轨和尖轨的侧磨量从严管理，当达到4 mm时必须及时更换。

3 控制措施

从以上分析可知，要控制机车车辆轮对爬轨，避免可能出现的风险，对于木枕复交道岔，要从“一改二涂三查四修五换”入手来补强。

3.1 改造既有护轨和垫板、轨距杆

在现有强化项目基础上，将护轮轨长度由3.6 m增加到4.8 m。护轨改造后，一方面可以减小侧向力。若护轨缓冲角为β'，则轮对侧向通过时的冲击角为β-β'，轮轨冲击角相应减小；另一方面对尖轨基本轨侧磨起到防护作用，减小磨耗速率，延长设备寿命；第三起到防止爬上尖轨作用。护轨改造后，车轮对尖轨的冲击位置将距尖轨尖端更远，减少轮缘在尖轨顶面宽度20 mm前爬上尖轨的可能。将尖轨尖端第18、17、16位枕木上（直股3块曲股3块，对称总共12块）垫板改为通常垫板；将第2、3位枕木上（直曲各2块，对称总共8块）垫板改为通常支距垫板。将转辙及连接部位曲股每3～4根岔枕增设不少于1根轨距杆，其中接头两侧应各设一根，辙叉中部各安装1根拉杆，尖轨前尖端前加装2根绝缘轨距杆（第18孔位置），在14孔、13孔、12孔、11孔各安装一根轨距拉杆。通过垫板和轨距杆，使轨道上下股成为一体，增加轨道稳定性，防止动态轨道横移，防止动态轨距扩大。

3.2 定期涂油

对复交道岔曲尖轨及其基本轨和导曲轨作用面进行涂油，降低摩擦系数，一可减缓钢轨尖轨侧磨，延长设备寿命，二可减小爬轨系数，减小爬轨几率。

3.3 加强日常检查

每周对复交道岔进行检查，及时掌握设备状态。一查强化设备，确保齐全良好有效；二查结构状态，及时掌握钢轨尖轨侧磨、掉块、肥边等情况，及时掌握岔枕、联结零件状态，确保结构健康有效；三查几何尺寸，控制大轨距、控制轨距变化率、控制水平扭曲，确保几何尺寸不超标。

3.4 及时进行修理

调整超标几何尺寸，尖轨尖端三角坑临修标准按7 mm从严控制，修理不良结构和钢轨尖轨问题，经常保持设备均衡良好。

3.5 及时更换超标设备

对于侧磨达到4 mm的曲尖轨及其基本轨和侧磨达到6 mm的道曲轨及时组织更换，对于失效岔枕、失效强化设备、失效零配件及时组织更换，确保设备结构健康。

4 取得的效果

按照以上措施,对既有的83组复交道岔进行了补强,经过一年多使用,取得了很好效果.

4.1 道岔的“五防”功能得到提高

改造后，道岔整体稳定性和横向刚度显著增强，提高了复交道岔在防几何尺寸超标、防横移、防磨耗（含掉块）、防扭曲、防爬轨方面的能力，实现了对风险的防范（如图5）。

图5 复交道岔强化效果图

4.2 道岔设备质量提高

自改造后，复交道岔的几何尺寸超标数量大幅下降，改造前83组木枕复交道岔每月超标数量为200处，改造后每月为81处，主要是轨距项目，以偏小居多，减少60%。

4.3 道岔轨件寿命得到延长

自改造后，复交道岔尖轨、基本轨、导曲轨的磨耗速率下降，设备寿命得到延长，节约了维修成本。以阜阳北站为例，45组复交道岔，改造前每月更换尖轨、基本轨、导曲轨平均11根，改造后降为5根，下降55%。

4.4 防止了惯性脱轨事故

自强化改造后，及时更换侧磨4 mm及以上的钢轨尖轨，有效预防了可能出现的爬轨事故，管内83组9号木枕复交道岔至今未出现任何故障和脱轨事故。