鋼軌動力學減載率分析及現場養護的探討

郭亮亮 上海鐵路局上海工務段

鐵路軌道結構是連續的長大工程結構物，它直接承受列車的各種荷載、輪、軌之間構成一個十分復雜的龐大系統，列車的荷載對軌道結構的工作狀態有決定性的影響，而軌道結構又直接影響列車的運行品質，進而使軌道承受的荷載變化，經過輪軌之間的交替式影響的研究，形成一門新的學科，即輪軌動力學，進一步深入研究輪軌相互動力作用規律，尋求降低輪軌相互作用的途徑，對于保證軌道強度和穩定，減少維修工作量，延長設備使用壽命都具有十分重要的意義。

高速與重載鐵路是鐵路發展的兩大方向，而行車安全、舒適則是高速與重載鐵路的共同要求。多年的運營實踐表明，列車脫軌是危及行車安全的重要險患，也是危害較大、經濟損失較重的行車事故之一。事實表明，列車脫軌是各種影響脫軌的不利因數綜合作用的結果。絕大多數列車脫軌事故均由車輛脫軌引起。因此，在進行列車脫軌分析時，將集中研究車輛的受力狀態、脫軌原因和機理以及應采取的預防措施。

從輪軌的相互關系來講，無論是曲線還是直線脫軌，過去多半認為是由于輪軌之間的橫向力增大的結果，但在實際運行中發現，有時側向力不大的情況下，而輪重嚴重減載時，也會出現脫軌現象，也就是說，當左右輪的輪重偏載過大時，即便輪對橫向力很小，也有可能脫軌。而在部10#綜檢車的檢查中，減載率超限出現多次，尤其曲線地段，可見提速干線輪重減載率超限減少，則車輪減載脫軌的危險性就越小。

1 輪重減載率脫軌的基本原理

1.1 軌道力學分析

軌道承受著非常復雜的力，而且有強烈的隨機性和重復性。大體上可分為垂直于軌面的豎向力即垂直荷載，垂直于鋼軌橫向的水平力即橫向荷載，平行于鋼軌軸向的縱向水平力即縱向荷載。垂直荷載與列車速度有很大因數，既高速列車的動力加系數，各國都有不同的計算軌道承受的動輪重的方法，我國設計軌道結構時采用2倍的靜荷載作為動荷載，客貨混運提速線路科采用3倍靜荷載設計軌道。

軌道承受的橫向荷載包括在直線軌道上，因車輛蛇形運動，車輪輪緣接觸鋼軌而產生的往復周期性的橫向力，軌道方向不平順處，車輪沖擊鋼軌的橫向力；在曲線軌道上主要因轉向架轉向，車輪輪緣作用于鋼軌側面上的導向力，還有未被平衡的離心力等。橫向荷載分為兩類：一類為用來進行軌道設計、檢算及評估列車脫軌危險的橫向集中作用力，另一類為評估軌道橫向移動的2m長軌道范圍內的位移阻力S。其中各國根據各自的運營狀況，規定了不同的橫向荷載的計算方法。

1.2 曲線車輪減載脫軌

車輛通過曲線時，輪對將承受著車體傳來的橫向力，在橫向力的作用下，前輪對的外側輪緣緊靠鋼軌，并在導向力作用下，引導著前輪對連同整個轉向架沿曲線方向運行。這時，導向輪在橫向力作用下，可能由于某種因數使車輪浮起離開軌面，形成輪緣的跟部與軌頭側面的圓弧部分接觸，出現爬軌趨勢，通過力學計算得輪對不脫軌的安全條件公式如下：

式中：Q1、、Q2-曲線外軌、里軌承受的垂直輪重；

μ1、μ2-輪對外、內軌的輪軌摩擦系數

β1-外輪軌緣傾角

假設里外軌的輪軌摩擦系數相同，則上式變為：

若輪對作用于外軌的橫向力H=0，則：

這就意味著，即使沒有橫向力作用，若輪對里外輪軌相差太大，也有脫軌危險。里外輪重之比Q2/Q1若滿足上式的條件，車輪不會脫軌，否則就有脫軌危險。

設里外輪平均軸重為Q，里外輪增減荷載量為△Q，則Q2=Q+△Q，Q1=Q-△Q，代入上式并整理后得：

這就意味著，只要輪重減載率△Q/Q不超過K1值，通常車輪就不會脫軌，否則就有減載率脫軌的危險。同理，對輪重減載脫軌問題也應按上式綜合考慮各種因數，全面進行評價。K1也是輪緣角β和輪軌摩擦系數μ的函數，不同的β值和μ值時K1值如表1。

表1 不同的β值和μ值時K1值

1.3 直線車輪減載脫軌

車輛在直線上運行時，由于車輪踏面為錐形和輪緣與鋼軌間存在間隙，當輪對中心在行進中偶而偏離直線軌道中心時，兩輪便以不同直徑的滾動圓在鋼軌上滾動，使輪對在行進中一面做橫向擺動，一面圍繞經其中心的垂軸來回搖頭，形成"蛇形運動"的波形運動。劇烈的蛇形運動不僅破壞列車運行的平穩性，而且還破壞線路，甚至引起脫軌事故。

若車輪或轉向架蛇形運動的頻率與車輛相應的固有頻率相一致，則將發生共振，使車輛的橫向振動加劇，車輪撞擊鋼軌，部分車輪在劇烈的擺動下瞬時浮起，使脫軌系數與車輪減載率急劇增大，若減載率的限值下降的不利局面也同時出現，則會導致車輛在直線脫軌。

2 減載率檢測與病害分析

2.1 綜檢車對減載率的檢測

2007年4月18日，全國鐵路實施第六次大面積提速以來，京哈、京滬、京廣、隴海、浙贛、膠濟、武九、廣深等鐵路干線，將實施200 km速度級的提速，有的線路列車運行時速將達250 km，而且很多干線開行大量動車組，這對輪軌運輸系統提出更高、更新的要求，使得綜檢車的出現。在綜檢車的檢查中有輪軌力檢測系統。

輪軌力檢測系統在綜合檢測車5號車一位端轉向架的一位軸和四位軸的軸頭各安裝一個測力輪對，設備安裝情況如圖1所示。

圖1 測力輪對設備安裝情況

輪軌力主要是反映車輛運行的動力學響應，作為車輛運行安全性評價的主要指標，其基本檢測

項目有垂直力、橫向力和縱向力。

輪軸橫向力為左、右車輪橫向水平力代數差：

式中：H-輪軸橫向力

H1、H2-分別為左右側輪軌間的橫向力

脫軌系數為輪軌橫向力與輪載的比值：

式中：Q/P H-脫軌系數

P1、P-分別為左右輪載

減載率為輪重減載量與平均輪重的比值：

式中：△P-減載側的輪重減載量

P1、P-分別為左右輪載

技術參數為：

測量范圍：垂向力0～400 kN輸出范圍可選擇；橫向力±160 kN；縱向力±160 kN。

相對精度：±4%。

測力輪對工作壽命：10年。

最高測量速度：300 km/h。

數據處理軟件能實時連續輸出輪軌間的垂直力、水平力、輪重減載率、脫軌系數等數據波形，數據處理軟件能夠再現各種原始數據，并具有數據檢索查詢和統計分析的功能。

2.2 減載率病害分析

通常，減載率超限不是由單一因素，而是由多種因素的不利組合造成的，從工務軌道狀態方面來講，主要有以下幾方面：

(1)外軌超高設置不當，未被平衡的超高導致車輪輪重減載率超標。

（2）軌道順坡、三角坑、不均勻支承等會使車體產生扭曲，從而引起各車輪輪重的增減率和加劇橫向搖擺。

（3）軌道橫向不平順、小半徑曲線、道岔以及軌縫等局部不平順等。

通過現場檢查提速后綜檢車檢測出來的減載率超限處所病害來看，產生超限的原因也是綜合的，如2008年5月23日京滬線下行線1241.663檢測出一處動力學減載率超限（現場波形見圖2）。

圖2 檢測出動力學減載率超限波型圖

從上面波形圖可以看出，該超限處所（道岔區段），前后有兩處橫向加速度超限，即京滬下1241.652水加0.08、京滬下1242.718水加0.12，另外有小高低，從現場檢查情況來看，為軌面高3 mm處，空吊2 mm頭，可見此處減載率超限主要是由于線路地段有小高低，使車體產生擺動，從而引起各車輪輪重的增減率。

3 現場養護要點

通過分析，導致減載率超標的主要原因是軌面高低短波不平順，直接原因主要表現為接頭平順性不良、扣件缺陷或軌下支撐剛度突變等，應根據檢測情況，及時到現場檢查確認后妥善處理。

3.1 現場檢查方法對比

現場常使用的鋼軌檢查方法對比情況見下表2。

表2 鋼軌檢查方法對比情況

從對比情況來看，對于短波不平順，傳統的道尺和弦線相結合的方法，具有使用方便、快捷、受環境影響小的特點。而對于長波不平順，傳統的方法就無法起到很好的效果，必須用軌檢小車進行測量。因此，在實際運用中，必須采用傳統檢測和儀器檢測相結合的辦法。調整前，帶班人應根據計劃調整情況，采用道尺、弦線進行必要的核對檢查，確認計算調整量是否與現場情況相符；調整后，帶班人應及時根據經驗對已調整區段采用道尺、弦線進行復核，并目視檢查軌道平順性。

3．2 針對減載率超標，現場養護應注意的問題

（1）提高焊縫打磨精度。鋼軌焊接前，對軌時要控制好接頭的上拱度和鋼軌內側作用邊的平直度，接頭不能低塌，但也不能過高；鋼軌焊接后，應及時對焊縫進行打磨，打磨精度必須滿足規定要求。無縫線路鎖定后，應對所有焊縫進行全面檢查，不合格接頭必須重新打磨或切割重焊。

（2）加強對扣件的全過程管理。

①無砟軌道施工期間要加強對扣件的保護，避免污染、損壞；

②鋪軌之前，必須對扣件進行全面、徹底清理，經監理檢查驗收后，方可進行鋪軌施工；

③無縫線路放散、鎖定后，應將扣件作為主要項目嚴格按照規定標準進行驗收；

④軌道靜態調整之前，應對鋼軌、扣件狀態進行全面檢查確認后方可進行測量和調整，否則，測量的數據是不真實的，據此調整的精度是不可靠的。

⑤軌道調整后，還必須對扣件狀態進行復查。

⑥聯調期間應安排計劃全面檢查。

⑦線路運營后，車間、工區要加強對扣件的檢查力度，制定檢查計劃并嚴格執行，及時補缺、緊松，更換失效扣件。

（3）軌下支撐的剛度突變也極易引起減載率超標，因此，在調整線路的高低、水平時，一定要根據測量數據進行提前計算，算出要墊墊片的型號，要嚴格控制軌下調高墊板的數量，橡膠墊片要放置正確、不歪斜，以免發生剛度突變，導致減載率超標。

（4）要高度重視軌道測量工作，要確保測量數據真實可靠。同時，要重視對測量數據的分析工作，應安排專業人員對動態檢測情況（軌檢車資料、動力學檢測報告）和靜態測量數據進行綜合對比分析，制定有針對性的調整方案，力爭用最小調整量達到最佳調整效果。

4 結束語

為防止出現輪重減載率超限，更為了杜絕減載率脫軌的出現，工務部門在平時的線路養護中應保持線路的良好狀態。因為線路方向不良和高低不平順會使列車嚴重搖擺，上下浮沉，造成車輪減載；另要正確設置緩和曲線的超高順坡，對于小半徑曲線上若機車不涂油，工務部門要組織人力進行涂油，以減少輪軌間的摩擦系數。