我国主型12号道岔动力学特性分析

李 伟，司道林，王树国，杨东升

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京 100081)

道岔通常被认为是铁路工务设备中的3大薄弱环节之一，也是列车转线或跨线运行的必需设备。最新统计结果表明，全国共铺设约20万组道岔。其中，12号道岔是我国普速铁路正线最常用道岔之一，约占总数的37.9%[1]。为适应不同运营环境的需要，研制了多种类型的12号道岔，大致可分为两种，一种适用于速度低于120 km/h的客货共线普速铁路；另一种适用于轴重大于23 t、年运量大于2亿t的重载铁路。重载道岔[2]主要应用于货运专线，以大秦、朔黄铁路为典型代表，车辆类型有限，空、重车分线运营，运营速度、运输组织模式相对单一，运营环境相对稳定。因此，道岔状态及动力学特性的演变规律较为稳定，道岔养护维修和更换具有规律可循。与重载铁路不同，客货共线铁路车辆类型较多，往往普速客车与万吨货车共线运输，各类型列车轴重、运营速度不同，运输组织模式灵活多变，复杂多变的运营环境使得道岔状态演变规律不固定，道岔区部件伤损类型多样，伤损程度不统一。

各种类型车辆由于悬挂参数和状态的差异，通过道岔区时产生迥异的轮轨动态相互作用，这使得道岔区动力学性能在较大范围内波动，具有明显离散性和不确定性。近期调研发现，空车通过客货共线铁路12号道岔侧向时，脱轨系数处于较高水平，甚至出现个别车辆超限现象，给道岔区行车安全带来较大隐患。

本文以客货共线铁路主型12号单开道岔为研究对象，选取典型客货共线线路开展系统性试验和理论研究，结合试验数据掌握道岔动力学性能现状，通过理论研究分析道岔区轮轨相互作用特征，探索提高12号道岔动力学性能的技术措施，对改善我国超过10万km 普速铁路的运营环境具有重要意义。

1 道岔结构特征

客货共线主型12号道岔的主要结构特征见图1。道岔长度为37.8 m；尖轨线型由早期的直线型发展为切向和半切向线，尖轨前端多设置一定程度的直线段。导曲线通常采用半径350 m的单曲线(不设缓和曲线)，起点距尖轨尖端4～5 m，止于辙叉趾端。辙叉角为4°45′49″，辙叉以直线固定型为主，两侧设置不等长护轨，结构形式可分为锰钢整铸辙叉、锻制合金钢心轨组合辙叉、合金钢钢轨组合辙叉、镶嵌翼轨式合金钢组合辙叉以及焊接式翼轨加强型合金钢组合辙叉。道岔区通常未采取轨距加宽，道岔区内轨距为 1 435 mm。

图1 道岔平面主要尺寸(单位：mm)

道岔区基本轨采用60 kg/m钢轨，尖轨采用矮型特种断面钢轨60AT制造。道岔区采用与区间线路一致的1∶40轨底坡或轨顶坡，基本轨为轨底坡，由铁垫板结构实现;尖轨机加工段为轨顶坡，由仿形铣刀加工实现;尖轨跟端通过锻压扭转1∶40角度与基本轨焊接。道岔区扣件刚度与区间线路一致，刚度取值范围为80～150 kN/mm。转辙区由2个转辙机完成尖轨转换，第1个转辙机安装于尖轨尖端，第2个转辙机安装于尖轨机加工起点附近。

2 动力学特性分析

为获得道岔区动力学特征，在道岔区安装传感器，测试所有车辆通过道岔侧向时的轮轨动力响应。列车通过道岔侧向时脱轨系数和减载率的分布规律见图2。可见，测试数据不仅具有明显的离散性，且与车辆载重状态密切相关。空车脱轨系数在0.19～1.08，平均值为0.62，最大值超过第二限度值1.0。重车脱轨系数在0.16～0.72，平均值为0.50，未出现指标超限现象。空车减载率在-0.12～0.42，平均值为0.15;重车减载率在0.06～0.32，平均值为0.12;空、重车减载率均远小于安全限值0.65。因此，评估道岔侧向安全性时应以脱轨系数为主要评价指标，并着重考核空车的动力学性能。

图2 空、重车脱轨系数和减载率的测试数据分布规律

3 原因分析

为探索脱轨系数超限的原因，调研了道岔区轨道几何状态、轨道部件及基础状态。分析发现，轨道部件及轨下基础状态良好，均未发现异常病害，道岔区几何状态均满足维修规范的要求。型面测试发现钢轨磨耗显著，见图3。下股钢轨的最大磨耗区域集中在轨顶，见图3(a) 中d1，使轨顶圆弧难以保持，呈明显扁平状，上股钢轨最大磨耗区域出现在轨肩，见图3(b)中d2。

图3 钢轨磨耗型面变化

钢轨型面的变化必然改变轮轨接触特征。轮对与理论钢轨型面接触时，下股侧接触点位于轨顶中心区域，上股侧接触点位于轨肩处，在踏面锥度作用下两侧车轮形成明显的滚动圆半径差，利于轮对处于径向位置，见图4。轮对与实测钢轨型面接触时，下股侧接触点向轮缘根部转移，上股侧接触点向踏面外侧转移，并形成两点接触，分别位于轨顶和轨侧，见图5。轮轨接触点位置的变化将减小上股侧滚动圆半径、增加下股侧的滚动圆半径，从而减小车辆通过导曲线区时所需的轮径差。

图4 理论钢轨型面接触特征

图5 实测钢轨型面接触特征

图6 轮径差随轮对横移量的变化曲线

理论钢轨型面和实测钢轨型面与车轮型面接触时，轮径差随轮对横移量的变化规律见图6。相同轮对横移幅值下，实测钢轨型面产生的轮径差明显小于理论钢轨型面，轮缘贴靠轨侧时理论钢轨型面对应的轮径差为4.6 mm，而实测钢轨型面对应的轮径差仅为2.5 mm。实测钢轨型面不仅降低轮径差，且在上股形成两点接触，两点间的纵向蠕滑力方向相反，这将降低导向力矩[3]，由此必然导致轮对冲角和轮轨横向力的增加，降低道岔侧向通过性能，这是导致脱轨系数超限的主要原因。

图7 不同钢轨型面下道岔区动力学性能的时程曲线

基于上述模型，分别仿真计算车辆通过上述2种钢轨型面道岔区的动力学性能。空车以速度45 km/h通过道岔侧向时轮轨力、轮对冲角和脱轨系数的时程曲线见图7。可见，在转辙角作用下，轮对进入道岔区后轮对冲角出现突变，轮轨横向力和脱轨系数随即出现瞬时峰值。由于尖轨前端为一定长度的直线段，在轮对自导向作用下，轮对逐渐对中，各项动力学指标大幅减小，进入半径为350 m导曲线区段后，各项动力学指标再次增加并逐渐趋于稳定。

本文主要研究钢轨型面对道岔区动力学性能的影响，道岔结构不平顺并非本文焦点，因此着重分析导曲线区动力学指标。实测钢轨型面对应的轮对冲角、轮轨横向力、脱轨系数分别为5.8 mrad，21.46 kN，0.77，脱轨系数与实测值相当，验证了模型的有效性。理论钢轨型面对应的轮对冲角、轮轨横向力、脱轨系数分别为4.2 mrad，10.67 kN，0.38，分别较实测钢轨型面减小27.5%，50.2%，50.6%。由此可见，由于实测钢轨型面的变化改变了轮轨接触特征，形成不利的轮轨接触参数，严重影响了道岔侧向通过性能，有效验证了钢轨型面是影响道岔区动力学性能的主要原因。

4 改善措施

基于上述分析可知，通过轮轨型面的合理匹配，可优化轮轨接触参数，从而改善道岔侧向通过动力学性能。高速铁路的区间线路可通过钢轨打磨的方式改变钢轨廓形，实现预期的轮轨接触目标，达到轮轨型面的合理匹配，提高平稳性[7-9]。文献[10-12]对高速道岔区的打磨进行了探讨，认为通过钢轨打磨可改善高速铁路道岔区的动力学性能。

图8 钢轨打磨方案(单位：mm)

结合12号道岔实际运营状态，本文提出道岔区上下股钢轨差异化的钢轨打磨方案。道岔下股钢轨打磨区域覆盖全部轨顶面，重点打磨两侧轨肩，打磨深度约为1.6 mm，非工作边侧轨肩打磨以防止凹形车轮的假轮缘接触，轨距侧轨肩打磨以防止轮缘根部接触，避免不利轮径差的出现；同时对轨顶区域进行打磨，打磨深度约为0.25 mm，去除金属表面的疲劳层，见图8(a)。上股钢轨轨肩已产生明显磨耗，形成两点接触，打磨区域集中在轨顶，轨顶中心区域打磨深度约0.5 mm，打磨区域向轨距边侧延伸12 mm，打磨量逐渐减小，非工作边侧打磨区域延伸至轨肩处，最大打磨深度约为0.8 mm，见图8(b)。通过对轨顶特定区域进行打磨，使得轨顶接触点向轮缘根部转移，减小轨顶与轨侧两接触点间的滚动圆半径差，减小反向蠕滑率和蠕滑力，提高导向力矩，从而提高道岔侧向通过性能。

利用3节所建模型，采用同样的方法对提出的钢轨打磨廓形进行动力学分析，轮对冲角、轮轨横向力和脱轨系数对应的时程曲线见图9。导曲线区打磨廓形对应的轮对冲角、轮轨横向力、脱轨系数分别为5.12 mrad，16.79 kN，0.57，分别较实测钢轨型面减小11.9%，21.76%，25.97%。可见，钢轨打磨廓形能有效改善道岔区侧向通过动力学性能。

图9 钢轨打磨方案下道岔区动力学性能的时程曲线

但与理论钢轨型面相比，钢轨打磨廓形的动力学性能仍有一定差距。这是因为上股钢轨型面轨肩磨耗严重，纵然增加打磨量，也难以实现理论钢轨型面的轮轨接触特征。因此，改善道岔区动力学性能，应以道岔区实际状态为出发点，制定合理可行的钢轨打磨方案。

5 结论

本文总结了我国主型12号道岔的应用现状，对道岔区实测动力学数据进行分析，得出道岔区动力学典型特征，通过对轮轨接触特征分析，探索其形成原因。建立动力学模型并对道岔区动力学特性进行理论研究，提出应对措施。得出以下结论：

1)实测数据表明，空车通过道岔侧向时产生较大轮轨横向力，导致部分车辆的脱轨系数超过第二限度1.0。评价道岔区侧向行车安全性时应以脱轨系数为主要评价指标，并着重考核空车的动力学性能。

2)实际运营过程中，实测钢轨型面产生明显变化，上股轨肩磨耗严重，下股轨顶呈扁平状。道岔区轮轨接触特征改变是导致道岔区侧向通过性能大幅降低的主要原因。

3)结合道岔区钢轨实际运营状态，提出针对性的钢轨打磨方案，下股钢轨采用两侧轨肩打磨深度大、轨顶打磨深度小的全断面打磨方案，上股钢轨打磨区域集中在轨顶区域，且打磨量由轨距侧向非工作边侧逐渐增加，从而增加轮径差和导向力矩。动力学计算结果表明，打磨方案可有效改善道岔区动力学性能。

今后将进一步开展道岔区钢轨打磨，并进行动力学试验，验证和完善本文提出的打磨措施。