重载道岔轨底坡设置研究

何雪峰，高 亮，许有全，辛 涛

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055；2.北京交通大学，北京 100044)

重载道岔轨底坡设置研究

何雪峰1，高 亮2，许有全1，辛 涛2

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055；2.北京交通大学，北京 100044)

轨底坡作为道岔的主要参数，直接影响钢轨使用寿命，结合30 t轴重重载道岔研究需要，对轨底坡进行系统研究。针对重载线路道岔鱼鳞纹、掉块、肥边等病害，运用车辆轨道耦合动力学理论，对25 t轴重货车通过不同轨底坡道岔时的动力响应进行分析。结果表明：轨底坡增加，横向轮轨力、接触应力和安全指标，导曲线上股钢轨磨耗功都有不同程度的降低，长期观测结果显示，采用1∶20轨道坡的试验道岔，导曲线钢轨光带居中，未见伤损。

重载铁路；30 t轴重；重载道岔；轨底坡

1 概述

重载铁路具有对大宗货物高效运输的优势，在国外得到了快速发展，具有代表性的有南非、澳大利亚和美国等国家，这些国家在重载铁路道岔方面均有较为成熟的技术和产品[1]。

国内目前重载道岔还处于扩大试用阶段，既有大秦线、朔黄线等重载线路的道岔主要采用提速道岔的技术标准，其结构形式与提速道岔基本相同，采用分开式弹性扣件、固定型辙叉和可动心轨辙叉、混凝土岔枕[2]。由于没有针对重载铁路的特点进行专门的研究，道岔的强度低、稳定性差，使用寿命短，现场的养护维修的工作量也较大。

重载道岔轨底坡设置的研究，是提高道岔整体耐磨性、改善轮轨接触关系和延长道岔使用寿命的关键参数之一[3]。国内的道岔设计，长期以来一直不设轨底坡，从提速道岔开始设1∶40轨底坡，而对于既有重载线路如大秦线等采用的道岔沿用的仍是提速道岔的标准，从道岔使用情况来看，目前轨顶面的光带普遍偏向里侧，如图1所示，轮对与轨顶面的轨距角接触，造成钢轨容易出现肥边或压溃，进而出现剥离掉块。

图1 北同蒲线无轨底坡道岔光带

2002年成都局在成渝线重庆附近的小半径曲线上进行了1∶20轨底坡的铺设试验。铺设位置曲线半径分别为286 m和450 m，目前仍在使用，如图2所示。从现场的使用情况来看，采用1∶20轨底坡后弹条折断的情况大为减少。

图2 成渝线小半径曲线1∶20轨底坡钢轨光带

2012年在太原局的北同蒲线、京包线铺设的4组60 kg/m钢轨12号、18号重载试验道岔，采用了1∶20的轨底坡，其中京包线古店站的18号道岔侧向为货运专线，开行万吨列车，直向为客货混运，道岔使用条件较差，截止到2013年底为止，道岔通过总质量近2亿t，导曲线钢轨使用状态良好，钢轨光带均匀、居中，如图3所示，没有明显的磨耗和伤损[4]。

图3 北同蒲线1∶20轨底坡重载道岔光带

由于国内30 t轴重货车研究尚处于试验阶段，缺乏系统的车辆参数，为了研究不同轨底坡对重载道岔动力响应特性的影响规律，选取既有的25 t轴重货车通过12号道岔时，无轨底坡、1∶40轨底坡、1∶20轨底坡3种工况进行了仿真分析。鉴于道岔转辙器和辙叉处于轮轨力过渡区域，轮轨接触关系除了受轨底坡影响外，转辙器范围内还与尖轨平面线形、降低值有关，辙叉范围内还与翼轨抬高值和抬高位置、心轨降低值有关，道岔设计时翼轨和心轨的轨底坡与道岔轨底坡也会有所不同，这些因素都会影响轮轨接触关系和道岔的受力，需要进行专门的研究，因此本文仿真分析忽略转辙器和辙叉轮轨过渡区域的影响，主要研究车辆曲线通过时轨底坡对道岔的动力响应。

2 分析模型和计算参数

2.1 分析模型

根据车辆-轨道耦合动力学理论建立车辆和轮轨接触关系分析模型，运用迹线法原理进行轮轨接触关系和轮轨弹性压缩量的在线计算，轮轨法向力采用赫兹非线性接触理论求解，轮轨蠕滑力的计算，首先按Kalker线性理论计算，然后采用沈志云-Hedrick-Ekins理论进行非线性修正[5-6]；根据有限元原理[7]建立重载道岔分析模型，忽略转辙器和辙叉轮轨过渡区域的影响，仅考虑道岔导曲线部分分析模型。

采用FORTRAN语言编程，选取Newmark法对系统方程求解。

2.2 计算参数

以60 kg/m钢轨12号重载道岔为例进行计算分析，道岔导曲线半径为400 m，前长为16.592 m，后长为21.208 m，采用无轨底坡，1∶40轨底坡和1∶20轨底坡3种工况，侧向容许通过速度为50 km/h；车辆选取以普通货车和25 t轴重货车为例，车轮踏面为LM型。

以磨耗功Wj[8]作为轮轨踏面之间磨损程度的评价指标

式中Wj——轮轨间磨耗功；

T1j，T2j，M3j——分别为轮轨间纵、横、自旋蠕滑力；

γ1j，γ2j，ω3j——分别为轮轨间纵、横、自旋蠕滑率。

磨耗功值综合反映了轮轨系统中所有动力因素对钢轨磨损的影响，磨耗功大的地方钢轨磨损大，磨耗功小的地方磨损小。

3 不同轨底坡道岔的动力响应分析

以25 t轴重货车侧向通过60 kg/m钢轨12号道岔为例，采用无轨底坡，1∶40轨底坡和1∶20轨底坡3种计算工况，仿真分析包括安全指标、轮轨力、磨耗和接触应力等内容。图4中横坐标原点在道岔转辙器基本轨端头位置，数值选取为第1轮对的计算结果。

3.1 安全指标

脱轨系数时程曲线如图4所示，上股钢轨的脱轨系数为正，下股钢轨的为负。在直线段，无坡、1∶40、1∶20轨底坡3种工况(以下顺序同)的脱轨系数最大值0.103、0.097、0.073，随着轨底坡增大，脱轨系数降低，相比无坡工况最大降幅30%。

图4 脱轨系数时程曲线

第1位轮对进入曲线后，下股钢轨的脱轨系数在车轮进、出曲线附近波动较大、中部平缓，在曲线中部达到最大值，此时3种工况脱轨系数最大值0.207、0.172、0.161；上股钢轨脱轨系数波动较大，3种工况的脱轨系数波动范围和幅值基本相同，对应最大值0.38、0.386、0.405。随着轨底坡增大，下股钢轨脱轨系数降低，相比无坡工况最大降幅22%；上股钢轨脱轨系数局部略增6%，增幅不明显。

轮重减载率时程曲线如图5所示。直线段轮重减载率为0。第1位轮对进入曲线后轮重减载率出现两个波动峰值，3种工况的轮重减载率最大值0.46、0.44、0.42，随着轨底坡增大，轮重减载率降低，相比无坡工况最大降幅9%。

图5 轮重减载率时程曲线

3.2 磨耗功

曲线上股钢轨磨耗功时程曲线如图6所示。直线段3种工况钢轨磨耗功最大值为0.57、0.63、2.78 N·m/m。第1位轮对进入曲线后，钢轨磨耗功时程曲线出现两个波动峰值，1∶20轨底坡时程曲线在车轮进、出曲线有两个瞬时峰值，3种工况的钢轨磨耗功最大值240、217、205 N·m/m。

曲线下股钢轨磨耗功时程曲线如图7所示。3种工况的钢轨磨耗功波动不大，在车轮进入曲线附近出现最大值，3种工况的钢轨磨耗功最大值178、172、188 N·m/m。

图6 曲线上股钢轨磨耗功时程曲线

图7 曲线下股钢轨磨耗功时程曲线

随着轨底坡增大：直线段钢轨磨耗功增大，相比无坡工况最大增幅388%，由于直线段钢轨磨耗功远小于曲线段，直股钢轨的磨耗不是道岔使用寿命的控制因素之一。曲线上股钢轨磨耗功降低，相比无坡工况最大降幅15%；曲线下股钢轨磨耗功变化不大，相比1∶40轨底坡工况局部最大增幅9%。

3.3 轮轨力

曲线上股钢轨接触应力时程曲线如图8所示。在直线段，3种工况的接触应力最大值为1 340、1 342、642 MPa；在车轮进、出曲线附近，接触应力出现两个波动峰值，曲线中部接触应力与直线段数值接近，3种工况的轮轨接触应力最大值为3 667、3 348、2 455 MPa。

图8 曲线上股钢轨接触应力时程曲线

曲线下股钢轨接触应力时程曲线如图9所示。无坡和1∶40轨底坡工况在车轮进入曲线后，接触应力有所下降，1∶20轨底坡工况呈增大趋势，最大值分别为1 228、593、1 120 MPa。

图9 曲线下股钢轨接触应力时程曲线

随着轨底坡增大：直线段接触应力降低，相比无坡工况最大降幅52%；曲线上股钢轨接触应力降低，相比无坡工况最大降幅33%；曲线下股钢轨接触应力，1∶40轨底坡工况最小，无坡工况最大。

横向轮轨力时程曲线如图10所示。在直线段，3种工况的横向轮轨力最大值为11.9、11.3、8.6 kN。车轮进入曲线后：上股钢轨横向力急剧增大，但3种工况的横向力差异不大，下股钢轨在曲线两端波动较大，3种工况的下股钢轨横向力最大值为20.1、19.8、14.9 kN。随着轨底坡增大：直线段横向轮轨力降低，最大降幅为28%，曲线段上股钢轨的横向力差异不大，下股钢轨的横向力降低，最大降幅为26%。

图10 横向轮轨力时程曲线

垂向轮轨力时程曲线如图11所示。车轮进入曲线后：上股钢轨垂向力快速增大，3种工况的钢轨垂向力最大值为174、171、169 kN；下股钢轨垂向力快速降低，3种工况垂向力最小值为64、66、69 kN。随着轨底坡增大：曲线段上股钢轨垂向力降低，下股钢轨的垂向力增大，变化幅度都不明显。

图11 垂向轮轨力时程曲线

4 道岔轨底坡设置与钢轨伤损

对重载道岔轨底坡设置的研究，主要为减少导曲线钢轨肥边、鱼鳞纹、剥离掉块等伤损，提高钢轨使用寿命，减少现场磨修钢轨工作量[9]。轨底坡大小影响轮轨走行光带位置，根据现场调查，大秦线道岔导曲线光带多数都靠近钢轨轨距角处，常见轨距角的鱼鳞纹，是由于轮轨接触时接触应力、切向力(特别是自旋蠕滑)引起材料塑性变形，发生棘轮效应，最后超过材料安定极限而产生的，接触应力是鱼鳞纹产生和发展的主要因素之一，接触应力大小与轮轨法向力和接触斑面积有关，在轮轨法向力一定时，增大轮轨接触面积可降低接触应力，接触斑大小与钢轨断面有关，60 kg/m钢轨顶面圆弧分别为300、80、13 mm，靠近轨距角处圆弧最小，轮轨走行光带越靠近轨顶中心附近，钢轨断面半径越大，接触斑越大，从现场试验结果也验证了采用1∶20轨底坡后，导曲线钢轨光带居中，理论分析结果也表明，随着轨底坡增大，轮轨接触接触应力降低。

此外，增大道岔轨底坡，轮轨走行光带远离轨距角，减少了重载列车碾压导曲线钢轨产生的塑性变形，降低了轨距角肥边的发生概率。

5 结语

继高速道岔后，国内开始对重载道岔进行系统的研究[10]，目前山西中南部铁路通道工程已建成通车，系我国第一条30 t轴重重载铁路，60 kg/m钢轨12号、18号重载道岔也在中南部通道工程扩大试用，试验道岔采用了1∶20轨底坡，根据既有线和新线的试验结果，道岔导曲线钢轨光带居中，使用情况良好。在调研国内重载线路道岔使用情况后，通过对重载道岔无坡，1∶40、1∶20轨底坡工况下车辆轨道耦合动力分析，给出了脱轨系数、轮重减载率、磨耗功、轮轨接触应力、轮轨力等分布规律，其要点归纳如下。

(1)随着轨底坡的增大：直线段脱轨系数降低，最大降幅30%，曲线上股钢轨脱轨系数增大不明显；曲线下股钢轨脱轨系数最大降幅22%；曲线处轮重减载率降低，最大降幅9%；直线段磨耗功增大，最大增幅388%，由于直线段磨耗功远小于曲线段，道岔直股钢轨的磨耗不是道岔使用寿命的控制因素之一，曲线上股钢轨磨耗功降低，最大降幅15%，曲线下股钢轨磨耗功变化不大。

直线段接触应力降低，最大降幅52%；曲线上股钢轨接触应力降低，最大降幅33%；曲线下股钢轨接触应力，1∶40轨底坡工况最小，无坡工况最大。

直线段横向轮轨力降低，最大降幅为28%，曲线段上股钢轨的横向力差异不大，下股钢轨的横向力降低，最大降幅为26%。

曲线段上股钢轨垂向力降低，下股钢轨的垂向力增大，变化幅度都不明显。

(2)轨底坡增加，道岔直线段和曲线段横向轮轨力、接触应力和安全指标都有不同程度的降低；由于现场曲线上股钢轨容易磨损，且更换频繁，该处钢轨磨耗功降低，对于延长钢轨使用寿命是有利的。

(3)从重载道岔试验和长期观测结果可知，采用1∶20轨底坡的试验道岔导曲线光带居中，尚未发现鱼鳞纹、剥离掉块、肥边现象。

(4)对于重载道岔轨底坡的研究，仅从理论和试验角度进行了分析，数据有限，还需要结合更多的工程实际和不断的优化道岔结构，从多个角度进行验证。

[1] 中铁工程设计咨询集团有限公司.30 t轴重重载道岔技术研究设计报告[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2011.

[2] 蒋昕.大秦铁路用75 kg/m钢轨18号翼轨镶嵌式合金钢辙叉的结构设计和使用[J].铁道标准设计，2013(10):27-30.

[3] 司道林，王继军，孟宏.钢轨轨底坡对重载铁路轮轨关系影响的研究[J].铁道建筑，2010(5):108-110.

[4] 中铁工程设计咨询集团有限公司.60 kg/m钢轨12、18号重载道岔及转换设备长期观测报告[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2012.

[5] 翟婉明.车辆-轨道耦合动力学[M].3版.北京:科学出版社，2007.

[6] 中铁工程设计咨询集团有限公司.30 t轴重重载道岔技术研究理论分析报告[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2011.

[7] 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社，1998.

[8] 刘学毅.钢轨波形磨耗成因研究[D].成都：西南交通大学，1996.

[9] 邓建辉，陈朝阳，邓勇，等.轨底坡和轨头廓面对钢轨接触疲劳伤损的影响研究[J].铁道建筑，2011(8):109-111.

[10]张东风.山西中南部铁路30 t轴重75 kg/m钢轨重载道岔设计研究[J].铁道标准设计，2014(6):17-22.

Research on Rail Cant of Heavy Load Turnout

HE Xue-feng1， GAO Liang2， XU You-quan1， XIN Tao2

(1.China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 100055， China;2.Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China)

Rail cant affects rail life directly as an important design parameter of turnout and rail cant is studied systematically to meet research need of heavy turnout of 30 t axle load. Dynamic responses of 25t axle load freight car passing turnouts with different rail cants are analyzed with vehicle-track coupling dynamics theory in perspective of fine corner crack， fall-block， fat edge and other defects. The research results show that lateral wheel-rail force， contact stress， safety indicators and wear power for outside guiding curve rail decrease with the increase of rail cant. The long-term observation indicates that the test turnout with 1∶20 rail cant has its light band in the middle of upper surface of the guiding curve rail without damage.

Heavy haul railway; 30 t axle load; Heavy haul turnout; Rail cant

2015-03-25；

2015-04-15

中国铁路总公司科技研究资助项目(2011G028-A)

何雪峰(1979—)，男，高级工程师，2006年毕业于北京交通大学铁道工程专业，工学硕士，E-mail:xfhe06@126.com。

1004-2954(2015)11-0010-04

U213.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.003