駝峰下小號碼道岔防脫軌研究

吳建輝 周榮祥 上海鐵路局安全監察室

編組（區段）站駝峰下，車輛在小號碼（6#對稱）道岔處脫軌是常見、易發的慣性事故。在上海局就有過260 天時間內，在駝峰下同一組對稱道岔區發生4 起慣性脫軌事故。統計數據表明，上海局歷史上，一年時間內，有4 個編組區段站，在駝峰下對稱道岔區域發生過9 起車輛脫軌事故。因此防止駝峰解體車輛在峰下6 號道岔和小半徑曲線處脫軌，減少6#道岔尖軌側磨，壓縮工務養護維修工作量，最大限度的節約成本支出，是編組（區段）站駝峰作業常見且亟待解決的問題。

1 駝峰下小號碼道岔的現狀

在駝峰下對稱道岔及前后線路的軌距、水平、高低，道岔的支距，岔前曲線的正矢進行了認真細致的檢查得到結論：道岔的幾何狀態良好，沒有嚴重超限，符合《維規》技術規范要求。但對各站線路的方向測量表明，雖然道岔結構健康，但道岔及前后線路都有不同程度的和單側偏移，尤其在尖軌尖部位側磨和偏移量都比較大。

設計規范規定：道岔連接曲線R=200 m，道岔轉轍部位及導曲線R=180 m，兩曲線間設6 m 夾直線，地形困難地段可不設。這就造成車輛在通過小號碼道岔時，車輛轉向架處不在同一平面上，直接影響車輛過岔的平穩性，并導致道岔結構和前后線路整體單側偏移和側磨。

2 車輛在峰下小曲線半徑的小號碼道岔脫軌的原因分析

2.1 國外對車輛在道岔處脫軌的理論研究

鋼軌嚴重側磨加大了脫軌的趨勢。法國人M.J.NADAL 對輪軌橫向和垂向作用力進行分析后，根據車輪爬軌接觸點處的摩擦飽和和得出力的平衡關系，得出了下式即著名的的NADAL 公式:

式中：Q/P：橫向力Q與垂直力P的比值，即實際脫軌系數；B：輪緣接觸角，即輪軌接觸面與軌平面的夾角；F：為輪軌間摩擦系數；K：脫軌系數限值。

K值與車輪、軌頭形狀(B)及摩擦系數(F)直接有關。

美國在對脫軌事故調查中發現，動態車輪爬軌與小半徑曲線有關。在這些地段往往產生很大的輪軌橫向力，與道岔有關的脫軌事故占總爬軌事故的40%強。曲線外股軌軌距面角是車輪爬軌的諸多因素的一種，這個角度經常在有軌距面磨耗曲線外側鋼軌上發現。磨耗會造成在該軌距面和垂直線之間形成一個角度Ф (見圖1)，當角度增加時，車輪在鋼軌軌距面上爬軌可能性增加。

圖1 輪軌作用力與接觸力圖

當與鋼軌軌距面平行的橫向力、垂直力的"向上"合力大于由于法向力N(見圖2)產生阻力(即N·F)時，就會產生這種爬軌現象。

圖2 輪軌作用力簡化圖

國外研究表明，車輛通過道岔時產生的橫向力和尖軌側磨量，是造成車輛在道岔處爬軌脫軌最主要的兩個方面。另外在摩擦系數F 不變的情況下，車輛通過小號碼道岔時產生的橫向力又增加了軌距面角容許值（側磨量）；而側磨量的增加，又使車輪爬軌所需的K 值減小，車輛脫軌的危險增加。因此，減少車輛通過道岔時產生的橫向力，是防止車輛在道岔處最關鍵的因素。

2.2 現場調研分析

容易使輪緣爬上尖軌，導致脫軌的主要原因：

(1)設備狀態存在的問題:尖軌尖端向尖軌跟方向內側磨掉塊；S 曲線間無夾直線或夾直線太短；道岔平面位置移動；軌面幾何狀態超限。

(2)作業面存在問題主要是：溜放速度偏高；調速方法不當。

(3)貨物裝載方面問題主要是：偏載。

3 對防止車輛在峰下小曲線半徑的小號碼道岔脫軌的研究

根據國外對車輛在道岔處脫軌研究所理論及現場現狀設備狀況和作業分析后得出結論是：曲線半徑小，車輛過岔時產生的橫向慣性力及對上股鋼軌和尖軌沖擊力大，在尖軌側磨量過大和橫向力的作用下，車輛極容易爬軌而產生脫軌。

采取在尖軌尖前面位置加裝導向護軌，減少車輛通過道岔的橫向力，保證車輛過岔時平穩性，克服橫向力產生的懸浮爬軌，減緩輪對對尖軌尖的撞擊，降低尖軌的側磨量，從而有效防止車輛脫軌事故。同時尖軌側磨量減小，延長了尖軌的使用壽命，實現安全和效益雙贏的目標(如圖3)。

圖3 尖軌前護輪軌安裝圖

4 實施

在調研各站對駝峰采取各類有效強化措施的基礎上，統一標準，實施整治。

4.1 線路整治

主要是縱斷面調整、平面調整和結構強化（在道岔框架部位加裝中間絕緣軌距拉桿；在道岔轉轍部位、滑床板外側加裝防橫移擋板；將道岔前后線路原道釘聯結的普通墊板改為扣板式的分開式扣件；整組對稱道岔安裝人字型防爬木撐）。

4.2 防磨護軌安裝及改進措施

(1)在曲線R≤350 逆（對）向道岔岔前安裝長度2.7m、P43 護軌；在護軌切斷處，保持≥10mm 的軌縫，防止影響信號；安裝緩沖大膠墊，減小風動道岔對道岔結構的沖擊力；安裝防爬設備，防止線路單方向爬行；安裝加強阻釘板，形成整體結構。

(2)根據現場條件，可加寬道床寬度，增加橫向磨擦力；在路基上埋設固定豎立的小短軌，軌距拉桿將小短軌與轉轍部位外股鋼軌聯結，控制轉轍部位框架尺寸；平行道岔轉轍部位之間用木支撐、小拉桿連結，提高道岔整體阻力。

5 實施效果

整治措施實施后，與整治前相比較，整治效果明顯。

(1)道碴結構更加健康穩定，防止了車輛過岔時道岔的橫移和縱爬。

(2)道岔幾何尺寸更加穩定，整治后的幾何尺寸比整治前變化慢（見圖4）。

圖4 整治前后尖軌磨耗對比圖

(3)尖軌磨耗減緩及尖軌側磨點內移，尖軌的磨耗速率大大降低。

(4)整治至今，未再發生類似的脫軌事故。

(5)尖軌使用壽命延長（見表1）。

(6)道岔的幾何狀態變化幅度減少，材料消耗及養修勞力降低，節約了運營成本。按換一根尖軌的材料及人工費7000元計算，表1 所列道岔一年減少開支7 000×44=30.8 萬元。

表1 部分車站易脫軌道岔整治前后尖軌使用壽命比較表

6 計算分析結果

6.1 測試結果

(1)加固前后鋼軌橫向水平力

表2 是速度為17.0～18.3 km/h 時通過北股線路時實測的鋼軌橫向水平力平均值和最大值。表3 是速度為9.7～18.2 km/h時通過南股線路時實測的鋼軌橫向水平力平均值和最大值。

表2 北股線路鋼軌橫向水平力平均值和最大值

表3 南股線路鋼軌橫向水平力平均值和最大值

(2)加固前后脫軌系數

表4 是速度為17.0～18.3 km/h 時通過北股線路時實測的脫軌系數平均值和最大值。表5 是速度為9.7～18.2 km/h 時通過南股線路時實測的脫軌系數平均值和最大值。

表4 北股線路通過脫軌系數平均值和最大值

表5 南股線路脫軌系數平均值和最大值

6.2 結論

(1)測試的數據和列車溜放速度沒有明顯的相關性；

(2)采取整治措施后，軌距拉桿最大受力為13.0 kN，軌撐水平受力最大值為25.7 kN，故設置軌距拉桿和軌撐對保持軌道幾何尺寸的穩定性是有明顯效果的；

(3)整治后各項技術指標均得到了不同程度的改善與提高，因此整治效果明顯；

(4)整治后脫軌系數均未超過0.8，與進行整治后至今再未發生事故的事實相吻合。