防脫護軌在城市軌道交通連續長大單坡地段的應用研究

孫 成，李大東，喬建國

（1. 中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070；2. 成都鐵科利安軌道科技有限公司，四川成都 610037；3. 烏魯木齊城市軌道集團有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

1 烏魯木齊市軌道交通 1 號線概況

烏魯木齊市軌道交通 1 號線是烏魯木齊南北向骨干線路，南起南郊客運站門前的三屯碑站，北至國際機場站，正線全部為地下線，長度 27.615km，共設車站 21座，設車輛段和停車場各 1 座。采用 A 型車 6 節編組，架空接觸網供電制式，設計最高運行速度為 80km/h。由于受沿線地形地貌等的影響，1 號線起終點落差達 280m，并存在 17 處坡度大于 20‰ 的坡道地段，除2 處坡度為25‰ 外，其余均為 28‰。3 處長大連續單坡分別為：三屯碑—北門，DK0+650～DK4+950，長度4.3km，落差66m；中營工—體育中心，DK13+500～DK17+150，長度 3.65km，落差 53m；體育中心—終點，DK17+400～DK22+500，長度 5.1km，落差 76m。

2 列車脫軌性分析

在長大下坡道上，由于列車重力在運動方向上的分力，會附加給列車一個沿坡道向下的加速度，致使列車有可能速度超限，制動頻繁，列車將發生前堵后擁的現象，造成列車中部拱起，表現在車輪上會使車輪發生懸浮情況，若緊急制動車輪懸浮高度會更大。當列車運行至下坡道末端，由于存在變坡點的原因，發生懸浮工況時，車輪懸浮高度將比前述下坡道上急劇增加，加劇列車的脫軌風險。當列車發生懸浮時車輪輪緣懸浮高度一般不大于 31mm，安裝新型護軌后車輪輪緣有效高度將達到 35mm。試驗表明，即使在變坡點發生懸浮工況的同時列車發生強烈橫向振動，護軌也能有效地拉住車輪，防止列車因車輪發生輪緣爬軌（或跳軌）引起脫軌事故。

2.1 未安裝防脫護軌時脫軌性分析

根據車輛在曲線軌道上運行時軌道承受的橫向水平力計算模型可知，軌道承受的橫向水平力與車體重量、輪重、輪軌間摩擦系數、輪對寬度、轉向架長度、鋼軌中心間距、速度、曲線半徑、超高值等有關。烏魯木齊市軌道交通 1 號線采用 A 型車，轉向架軸距 2.5m，輪重 80 kN，輪對寬 1500mm，新車情況下游間及軌距加寬 18mm。輪軌間的摩擦系數μ一般為 0.2～0.3，而列車脫軌通常是在不利的工況情況下發生，因此摩擦系數μ取最大值 0.3。該線最大設計速度V= 80km/h。

表1、圖1給出了列車以不同速度通過曲線半徑R= 400m 和R= 250m 時的輪軌橫向力、脫軌系數。

根據有關規定，脫軌系數的限值α= 1.0 為允許限值，α= 1.2 為危險限值。由表1 和圖1 可知，當列車分別以速度V= 50km/h 和V= 80km/h 通過曲線R= 400m 曲線軌道時，前軸外輪橫向力由 58.06 kN 增大到 71.48 kN，橫向力增加了 13.42 kN，脫軌系數α從 0.73 增大到0.89；當列車分別以速度V= 30km/h和V= 60km/h 通過曲線R= 250m 曲線軌道時，前軸外輪橫向力由 38.02 kN 增大到 78.51 kN，橫向力增加了 40.49 kN，脫軌系數α從 0.48 增大到 0.98；當列車以V= 60km/h 分別通過R= 400m 和R= 250m 曲線軌道時，前軸外側輪緣受到的橫向力分別為61.95 kN 和 78.51 kN，后者比前者增大 26.7%，脫軌系數α也由0.77 增加到 0.98，脫軌系數趨近其限值。

表1 無防脫護軌時的輪軌橫向力和脫軌系數

圖1 無防脫護軌時不同速度對應的脫軌系數

由此可知，當列車以不同速度通過相同曲線半徑軌道時，隨著速度的增加，前軸外側輪緣受到的輪軌橫向力和脫軌系數呈增大趨勢；列車以相同速度通過不同曲線半徑軌道時，曲線半徑越小，前軸外側輪緣受到的橫向力越大，脫軌系數越高。

2.2 安裝防脫護軌時脫軌性分析

安裝防脫護軌后與安裝前相比較，對整個轉向架系統的受力大小沒有發生改變。列車在曲線軌道上脫軌，主要是轉向架前軸外側輪緣爬上鋼軌，因此，計算輪軌受力時，只分析前軸一個輪對的受力情況。表2、圖 2 給出了輪緣槽寬度K= 67mm、66mm、65mm、64mm，列車通過曲線半徑R= 400m 及R= 250m 軌道時的輪軌橫向力及脫軌系數。

（1）當輪緣槽寬度K= 68mm時，護軌受力后的變形量為 0，即輪軌參數達到維修規程的臨界值，輪緣背與護軌剛接觸，而護軌還未受力，也未發生橫向彈性變形，防脫護軌對橫向力Y′1及脫軌系數α無影響。

（2）若其他參數一定，相同速度下通過R= 400m曲線軌道時，隨著輪緣槽寬度K值減小，前軸外輪作用于外軌的橫向力Y′1越小，脫軌系數α越小，防脫護軌分擔的橫向力越大，脫軌安全性越高；輪緣槽寬度K值相同時，列車速度越大，前軸外輪作用于外軌的橫向力Y′1越大。由此可見，鋪設防脫護軌后，內側輪緣背會與護軌工作邊接觸，從而防脫護軌分擔了一部分外輪輪緣力，減少了外輪輪緣作用于外軌頭橫向力，起到降低脫軌系數α的效果。

表2 不同護軌輪緣槽寬度對應的輪軌橫向力和脫軌系數

（3）安裝防脫護軌后，前軸外輪橫向力和脫軌系數α都有所減小。理論上脫軌系數越小越好，但是防脫護軌承受過大的橫向力會加劇防脫護軌的磨耗，縮短防脫護軌使用壽命，根據研究結果，防脫護軌正常承受橫向力以 20～30 kN 為宜。試驗研究表明，當設置K= 65mm時，防脫護軌剛好分擔約 24.2 kN 的橫向力，此時防脫護軌既能很好地起到保護列車安全行駛的作用，同時防脫護軌工作邊擦痕也較少。

圖2 不同護軌輪緣槽寬度對應的輪軌橫向力及脫軌系數

3 防脫護軌設置范圍

針對烏魯木齊 1 號線軌道特點和以上脫軌性分析，軌道線路的主要薄弱地段集中在長大坡度地段的變破點附近和長大坡度與小半徑曲線重合地段。因此，有必要在以下地段鋪設防脫護軌以提高這些地段的脫軌安全性，具體設置范圍如下。

3.1 正線

（1）大于 25‰（或接近于 25‰）坡度地段，在變坡點前后各 25m 范圍內 2 股鋼軌鋪設。

（2）25‰（或接近于 25‰）坡度大坡道與平面曲線（R≤450m）重疊地段：①在曲線下股鋼軌內側鋪設；②若同時有 2 條及以上同向曲線，且夾直線長度≤50m 時，在曲線與夾直線全長范圍內設置，并安裝于曲線下股鋼軌內側；③若同時有 2 條及以上反向曲線，且夾直線長度≤50m 時，在每條曲線下股鋼軌內側及夾直線 2 股鋼軌內側范圍內設置。

3.2 出入場線

（1）曲線半徑R≤300m 地段，宜在線路全長范圍內下股鋼軌內側設置防脫護軌。

（2）30‰（或接近于 30‰）坡度大坡道與平面曲線（R≤300m）重疊地段：①在曲線下股鋼軌內側鋪設；②若同時有 2 條及以上同向曲線，且夾直線長度≤50m 時，在曲線與夾直線全長范圍內設置，并安裝于曲線下股鋼軌內側。

4 結論及建議

（1）安裝防脫護軌對減少曲線軌道外股鋼軌的沖擊破壞效應有很好的效果，同時能增強軌道結構的橫向剛度，對保持軌距和增強軌道結構橫向穩定性有很好的作用。

（2）烏魯木齊市軌道交通 1 號線的長大坡道較多，列車在困難線路條件下運行。隨著列車的長期運營，鋼軌與扣件墊板之間的摩擦系數降低，扣件的扣壓力會減小，鋼軌易發生爬行。因此，在 1 號線軌道線路長大坡度變破點附近和長大坡度與小半徑曲線重合等薄弱地段應設置防脫護軌。

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