道岔尖轨磨耗对列车运行安全的影响

张文仁

(广州铁路(集团)公司工务处，广东广州510088)

道岔尖轨磨耗对列车运行安全的影响

张文仁

(广州铁路(集团)公司工务处，广东广州510088)

道岔作为线路结构的薄弱环节，其钢轨磨耗直接影响道岔使用寿命以及列车的运行安全。本文基于UM动力学软件，应用车辆-道岔系统耦合动力学分析客运专线18号无砟轨道道岔曲尖轨侧面磨耗在不同阶段对列车运行安全的影响。计算结果表明:随着曲尖轨侧面磨耗量增大，转辙区轮轨相互作用力、脱轨系数及轮重减载率均增大，曲尖轨磨耗量达到4.19 mm时，轮轨作用力及安全系数未超过安全限值。

道岔;尖轨侧面磨耗;脱轨系数;车辆-道岔耦合动力学

疲劳磨耗以及塑性变形是道岔常见的磨耗机制。道岔尖轨磨耗严重时，轮缘有可能爬过尖轨引起脱轨事故。考虑到道岔区的复杂结构，尖轨的磨耗会影响列车动力学性能，进而对列车安全运行产生影响。在诸多机车车辆脱轨事故中，有相当一部分发生在机车车辆对向进入道岔时。随着高速铁路的发展，轮轨磨耗问题日益突出，正逐渐成为影响铁路运输经济性的首要问题。轮轨磨耗后的匹配状态不佳，尤其是尖轨磨耗必然造成列车动力学性能恶化，甚至引发列车脱轨。所以，轮轨磨耗状态下重载列车运行安全是铁路运输工程亟待研究解决的难题之一，应当引起足够重视。

本文主要基于UM动力学软件，以速度250 km/h (侧向80 km/h)客运专线18号无砟轨道道岔为研究对象，分析轮轨安全性指标，研究尖轨磨耗程度对列车安全运行的影响。

图1　顶宽20 mm断面磨耗情况

1　尖轨侧面磨耗分析

由于道岔功能的特殊性，道岔导曲线半径较小且不设置超高，使得列车侧向通过道岔时车辆无法平衡瞬间产生的较大的离心力和离心加速度。此外，道岔区作为制、启动频繁区段，制、启动过程中车轮的滚动摩擦变为滑动摩擦，摩擦系数较高，引起严重的侧面磨耗。车辆侧逆向进入道岔时会对尖轨尖端造成巨大冲击，轮轨相互作用相较于顺向通过道岔更为剧烈，因此本文以CRH380列车80 km/h的速度侧逆向通过18号无砟轨道道岔为例分析曲尖轨的侧面磨耗。

曲尖轨磨耗可分为4个阶段，图1为顶宽20 mm断面磨耗情况。其中图1(b)为4个磨耗阶段与初始廓形的对比图，图1(c)为各阶段磨耗量的分布。可见，侧面磨耗主要引起尖轨尖部磨耗，使得尖轨廓形与轮缘更为贴合，改变了原有的轮轨接触关系，降低了轮轨平顺性。此外，侧面磨耗使荷载由基本轨过渡到尖轨的位置推后，引起轮岔系统产生较大的冲击振动。侧面磨耗还会引起微观金属相变以及材质流动，易使列车运行过程中发生爬轨进而引发脱轨事故。表1为不同断面各阶段磨耗量最大值。

表1　磨耗量最大值mm

2　曲尖轨侧面磨耗影响分析

应用车辆-道岔耦合动力学理论分析曲尖轨侧面磨耗对列车运行安全的影响，主要从轮轨相互作用力和车辆运行安全性指标2方面加以分析。下面基于UM动力学软件模拟列车以80 km/h的速度侧逆向通过18号道岔转辙区时4个磨耗阶段的动力学响应。

1)轮轨相互作用力

以车辆前转向架第1轮对为例分析不同磨耗程度左右2侧所受到的轮轨垂向力以及轮轨横向力。第1轮对轮轨垂向力、横向力纵向分布分别见图2、图3。在列车侧向通过道岔辙叉区时，由于侧向存在导曲线且导曲线半径较小，车轮在曲线离心力和轮轨横向力作用下轮轨相对钢轨不断横向移动，从而导致转辙区磨耗较多。尖轨作为导向部件引导车轮从基本轨过渡到尖轨，或者从尖轨过渡到基本轨，并与基本轨紧密贴合，因此将尖轨设计为藏尖结构。列车侧逆向通过道岔过程中，尖轨需要经历3个阶段:①基本轨单独承受轮轨力，此时尖轨顶面低于基本轨顶面;②尖轨与基本轨同时受力，这一阶段钢轨磨耗易引起轮轨接触几何参数发生突变;③尖轨单独承受轮轨力。整个过程轮轨振动响应较为复杂。

图2　第1轮对轮轨垂向力纵向分布

图3　第1轮对轮轨横向力纵向分布

从图2、图3可知:由于存在导曲线，加之道岔左侧不设置超高，左侧钢轨承受的垂向力以及横向力比右侧钢轨大;左侧车轮增载，右侧车轮减载，在左侧车轮行至尖轨变截面外时左侧轮轨振动响应更为剧烈。由标准廓形到阶段4的磨耗过程中，左侧轮轨垂向力最大值分别为94.82，95.04，95.60，101.92，102.84 kN，右侧轮轨垂向力最小值分别为67.58，66.69，65.93，64.36，63.81 kN，左侧轮轨垂向力随着尖轨磨耗量的增大而增大，右侧轮轨垂向力随着曲尖轨磨耗量的增大而减小。但是随着磨耗量增大，左侧轮轨垂向力由94.82 kN增大到102.84 kN，增大了8.46%，右侧轮轨垂向力由67.58 kN减小到63.81 kN，减小了5.57%，左侧轮轨力变化幅度较大。在最大磨耗情形下，阶段4顶宽20 mm断面磨耗量为4.19 mm (参见表1)，侧磨量为3.34 mm，左右轮轨垂向力均在安全限值内。

从图3可知:列车经过转辙区时横向波动剧烈，这是由于道岔导曲线半径较小且未设置超高。这使得列车侧向通过道岔时，车辆无法平衡由此产生的瞬间较大的离心力和离心加速度;此外列车进入道岔时冲击尖轨，所以第1轮对左右侧轮轨横向力相对较大;由标准廓形到阶段4的磨耗过程中，左侧轮轨横向力最大值分别为41.5，42.38，42.91，44.67，45.12 kN，右侧轮轨横向力最大值分别为23.15，23.5，23.76，23.83，24.06 kN，左侧轮轨横向力随着曲尖轨磨耗量的增大而增大，横向力最大值由41.5 kN增大到45.12 kN，增大了8.72%;右侧轮轨横向力随着尖轨磨耗量的增大而增大，但是增长缓慢，只增大了3.9%。此外左右两侧横向轮轨力大小不等，但方向相反，会引起轨排横移、线路失稳等现象。最大轮轨横向力均未超过安全限值。

2)安全性指标

车辆运行的安全性指标主要有脱轨系数和轮重减载率。以第1轮对为例分析曲尖轨侧面磨耗对列车运行安全性的影响。第1轮对脱轨系数纵向分布见图4。

图4　第1轮对脱轨系数纵向分布

从图4可知:列车进入道岔转辙区后，轮对脱轨系数迅速达到最大值，尖轨完全承重后脱轨系数小了很多。这是由于列车进入道岔后，外侧轮缘根部紧贴尖轨。在不断磨耗的过程中，脱轨系数也随着磨耗量的增大而不断增大，不同磨耗阶段左侧脱轨系数最大值分别为0.480 7，0.488 9，0.491 1，0.495 8，0.524 3，右侧脱轨系数最大值分别为0.322 5，0.324 9，0.329 8，0.332 2，0.334 7。由标准廓形到阶段4的磨耗过程中，左侧脱轨系数从0.480 7增大到0.524 3，增大了8.31%;右侧脱轨系数由0.322 5增大到0.334 7，增大了3.7%，但均未超过安全限值。列车在未进入道岔时脱轨系数接近0，到达转辙区后迅速增大，而随着尖轨磨耗量的增大，脱轨系数增大位置不断后移，说明随着尖轨磨耗，尖轨与基本轨共同承载位置不断后移。

第1轮对左轮轮重减载率纵向分布见图5。可知，左侧车轮轮重减载率分布规律与左侧车轮轮轨垂向力类似，在尖轨尖端有一个频率较高的波动。不同磨耗阶段轮重减载率分别为0.157 1，0.168 8，0.171 2，0.198 4，0.215 6，可以看出随着尖轨磨耗量的增大，轮重减载率小幅度增大，但都在安全限值范围内。

图5　第1轮对左轮轮重减载率纵向分布

3　结论

基于UM动力学仿真软件，应用车辆-道岔系统耦合动力学分析客运专线18号无砟轨道道岔钢轨磨耗在不同阶段的特点及其对列车运行安全性的影响，得到以下结论:

曲尖轨侧面磨耗对列车运行影响较大，随着磨耗量增大，转辙区轮轨相互作用力、脱轨系数以及轮重减载率均发生一定程度的增大，但即使曲尖轨磨耗量达到4.19 mm时，轮轨作用力以及安全系数并未超过安全限值。

［1］李成辉．轨道［M］．北京:中国铁道出版社，2005．

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［6］聂宇．高速列车-道岔系统动力学建模与耦合作用分析［D］．兰州:兰州交通大学，2014．

(责任审编 李付军)

Influence of Switch Rail Wear in Turnout on Train Running Safety

ZHANG Wenren
(Permanent Way Department，Guangzhou Railway(Group)Co．，Ltd．，Guangzhou Guangdong 510088，China)

As a weak link of the railway line structure，the rail wear of turnout directly affects the turnout service life and train operation safety．Based on dynamics software UM(Universal Mechanism)，the influence of side wear of No．18 ballastless track turnout switch rail in the passenger dedicated line at different stages on train operation safety was analyzed by using vehicle-turnout system coup ling dynamics．The results show that wheel rail interaction force in switch area，derailment coefficient and the rate of wheel load reduction increase with the side wear of switch rail increasing，the wheel rail force and safety factor don't exceed the safety limits when the side wear capacity of switch rail is 4.19 mm．

Turnout;The side wear of switch rail;Derailment coefficient;Vehicle-turnout coupling dynamics

U213．6

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．31

1003-1995(2016)11-0117-04

2016-04-21;

2016-06-19

中国铁路总公司科技研究开发计划(Z2015-G002)

张文仁(1975—)，男，高级工程师。