我國主型12號道岔動力學特性分析

李 偉，司道林，王樹國，楊東升

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室,北京 100081)

道岔通常被認為是鐵路工務設備中的3大薄弱環節之一，也是列車轉線或跨線運行的必需設備。最新統計結果表明，全國共鋪設約20萬組道岔。其中，12號道岔是我國普速鐵路正線最常用道岔之一，約占總數的37.9%[1]。為適應不同運營環境的需要，研制了多種類型的12號道岔，大致可分為兩種，一種適用于速度低于120 km/h的客貨共線普速鐵路；另一種適用于軸重大于23 t、年運量大于2億t的重載鐵路。重載道岔[2]主要應用于貨運專線，以大秦、朔黃鐵路為典型代表，車輛類型有限，空、重車分線運營，運營速度、運輸組織模式相對單一，運營環境相對穩定。因此，道岔狀態及動力學特性的演變規律較為穩定，道岔養護維修和更換具有規律可循。與重載鐵路不同，客貨共線鐵路車輛類型較多，往往普速客車與萬噸貨車共線運輸，各類型列車軸重、運營速度不同，運輸組織模式靈活多變，復雜多變的運營環境使得道岔狀態演變規律不固定，道岔區部件傷損類型多樣，傷損程度不統一。

各種類型車輛由于懸掛參數和狀態的差異，通過道岔區時產生迥異的輪軌動態相互作用，這使得道岔區動力學性能在較大范圍內波動，具有明顯離散性和不確定性。近期調研發現，空車通過客貨共線鐵路12號道岔側向時，脫軌系數處于較高水平，甚至出現個別車輛超限現象，給道岔區行車安全帶來較大隱患。

本文以客貨共線鐵路主型12號單開道岔為研究對象，選取典型客貨共線線路開展系統性試驗和理論研究，結合試驗數據掌握道岔動力學性能現狀，通過理論研究分析道岔區輪軌相互作用特征，探索提高12號道岔動力學性能的技術措施，對改善我國超過10萬km 普速鐵路的運營環境具有重要意義。

1 道岔結構特征

客貨共線主型12號道岔的主要結構特征見圖1。道岔長度為37.8 m；尖軌線型由早期的直線型發展為切向和半切向線，尖軌前端多設置一定程度的直線段。導曲線通常采用半徑350 m的單曲線(不設緩和曲線)，起點距尖軌尖端4～5 m，止于轍叉趾端。轍叉角為4°45′49″，轍叉以直線固定型為主，兩側設置不等長護軌，結構形式可分為錳鋼整鑄轍叉、鍛制合金鋼心軌組合轍叉、合金鋼鋼軌組合轍叉、鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉以及焊接式翼軌加強型合金鋼組合轍叉。道岔區通常未采取軌距加寬，道岔區內軌距為 1 435 mm。

圖1 道岔平面主要尺寸(單位：mm)

道岔區基本軌采用60 kg/m鋼軌，尖軌采用矮型特種斷面鋼軌60AT制造。道岔區采用與區間線路一致的1∶40軌底坡或軌頂坡，基本軌為軌底坡，由鐵墊板結構實現;尖軌機加工段為軌頂坡，由仿形銑刀加工實現;尖軌跟端通過鍛壓扭轉1∶40角度與基本軌焊接。道岔區扣件剛度與區間線路一致，剛度取值范圍為80～150 kN/mm。轉轍區由2個轉轍機完成尖軌轉換，第1個轉轍機安裝于尖軌尖端，第2個轉轍機安裝于尖軌機加工起點附近。

2 動力學特性分析

為獲得道岔區動力學特征，在道岔區安裝傳感器，測試所有車輛通過道岔側向時的輪軌動力響應。列車通過道岔側向時脫軌系數和減載率的分布規律見圖2。可見，測試數據不僅具有明顯的離散性，且與車輛載重狀態密切相關。空車脫軌系數在0.19～1.08，平均值為0.62，最大值超過第二限度值1.0。重車脫軌系數在0.16～0.72，平均值為0.50，未出現指標超限現象。空車減載率在-0.12～0.42，平均值為0.15;重車減載率在0.06～0.32，平均值為0.12;空、重車減載率均遠小于安全限值0.65。因此，評估道岔側向安全性時應以脫軌系數為主要評價指標，并著重考核空車的動力學性能。

圖2 空、重車脫軌系數和減載率的測試數據分布規律

3 原因分析

為探索脫軌系數超限的原因，調研了道岔區軌道幾何狀態、軌道部件及基礎狀態。分析發現，軌道部件及軌下基礎狀態良好，均未發現異常病害，道岔區幾何狀態均滿足維修規范的要求。型面測試發現鋼軌磨耗顯著，見圖3。下股鋼軌的最大磨耗區域集中在軌頂，見圖3(a) 中d1，使軌頂圓弧難以保持，呈明顯扁平狀，上股鋼軌最大磨耗區域出現在軌肩，見圖3(b)中d2。

圖3 鋼軌磨耗型面變化

鋼軌型面的變化必然改變輪軌接觸特征。輪對與理論鋼軌型面接觸時，下股側接觸點位于軌頂中心區域，上股側接觸點位于軌肩處，在踏面錐度作用下兩側車輪形成明顯的滾動圓半徑差，利于輪對處于徑向位置，見圖4。輪對與實測鋼軌型面接觸時，下股側接觸點向輪緣根部轉移，上股側接觸點向踏面外側轉移，并形成兩點接觸，分別位于軌頂和軌側，見圖5。輪軌接觸點位置的變化將減小上股側滾動圓半徑、增加下股側的滾動圓半徑，從而減小車輛通過導曲線區時所需的輪徑差。

圖4 理論鋼軌型面接觸特征

圖5 實測鋼軌型面接觸特征

圖6 輪徑差隨輪對橫移量的變化曲線

理論鋼軌型面和實測鋼軌型面與車輪型面接觸時，輪徑差隨輪對橫移量的變化規律見圖6。相同輪對橫移幅值下，實測鋼軌型面產生的輪徑差明顯小于理論鋼軌型面，輪緣貼靠軌側時理論鋼軌型面對應的輪徑差為4.6 mm，而實測鋼軌型面對應的輪徑差僅為2.5 mm。實測鋼軌型面不僅降低輪徑差，且在上股形成兩點接觸，兩點間的縱向蠕滑力方向相反，這將降低導向力矩[3]，由此必然導致輪對沖角和輪軌橫向力的增加，降低道岔側向通過性能，這是導致脫軌系數超限的主要原因。

圖7 不同鋼軌型面下道岔區動力學性能的時程曲線

基于上述模型，分別仿真計算車輛通過上述2種鋼軌型面道岔區的動力學性能。空車以速度45 km/h通過道岔側向時輪軌力、輪對沖角和脫軌系數的時程曲線見圖7。可見，在轉轍角作用下，輪對進入道岔區后輪對沖角出現突變，輪軌橫向力和脫軌系數隨即出現瞬時峰值。由于尖軌前端為一定長度的直線段，在輪對自導向作用下，輪對逐漸對中，各項動力學指標大幅減小，進入半徑為350 m導曲線區段后，各項動力學指標再次增加并逐漸趨于穩定。

本文主要研究鋼軌型面對道岔區動力學性能的影響，道岔結構不平順并非本文焦點，因此著重分析導曲線區動力學指標。實測鋼軌型面對應的輪對沖角、輪軌橫向力、脫軌系數分別為5.8 mrad，21.46 kN，0.77，脫軌系數與實測值相當，驗證了模型的有效性。理論鋼軌型面對應的輪對沖角、輪軌橫向力、脫軌系數分別為4.2 mrad，10.67 kN，0.38，分別較實測鋼軌型面減小27.5%，50.2%，50.6%。由此可見，由于實測鋼軌型面的變化改變了輪軌接觸特征，形成不利的輪軌接觸參數，嚴重影響了道岔側向通過性能，有效驗證了鋼軌型面是影響道岔區動力學性能的主要原因。

4 改善措施

基于上述分析可知，通過輪軌型面的合理匹配，可優化輪軌接觸參數，從而改善道岔側向通過動力學性能。高速鐵路的區間線路可通過鋼軌打磨的方式改變鋼軌廓形，實現預期的輪軌接觸目標，達到輪軌型面的合理匹配，提高平穩性[7-9]。文獻[10-12]對高速道岔區的打磨進行了探討，認為通過鋼軌打磨可改善高速鐵路道岔區的動力學性能。

圖8 鋼軌打磨方案(單位：mm)

結合12號道岔實際運營狀態，本文提出道岔區上下股鋼軌差異化的鋼軌打磨方案。道岔下股鋼軌打磨區域覆蓋全部軌頂面，重點打磨兩側軌肩，打磨深度約為1.6 mm，非工作邊側軌肩打磨以防止凹形車輪的假輪緣接觸，軌距側軌肩打磨以防止輪緣根部接觸，避免不利輪徑差的出現；同時對軌頂區域進行打磨，打磨深度約為0.25 mm，去除金屬表面的疲勞層，見圖8(a)。上股鋼軌軌肩已產生明顯磨耗，形成兩點接觸，打磨區域集中在軌頂，軌頂中心區域打磨深度約0.5 mm，打磨區域向軌距邊側延伸12 mm，打磨量逐漸減小，非工作邊側打磨區域延伸至軌肩處，最大打磨深度約為0.8 mm，見圖8(b)。通過對軌頂特定區域進行打磨，使得軌頂接觸點向輪緣根部轉移，減小軌頂與軌側兩接觸點間的滾動圓半徑差，減小反向蠕滑率和蠕滑力，提高導向力矩，從而提高道岔側向通過性能。

利用3節所建模型，采用同樣的方法對提出的鋼軌打磨廓形進行動力學分析，輪對沖角、輪軌橫向力和脫軌系數對應的時程曲線見圖9。導曲線區打磨廓形對應的輪對沖角、輪軌橫向力、脫軌系數分別為5.12 mrad，16.79 kN，0.57，分別較實測鋼軌型面減小11.9%，21.76%，25.97%。可見，鋼軌打磨廓形能有效改善道岔區側向通過動力學性能。

圖9 鋼軌打磨方案下道岔區動力學性能的時程曲線

但與理論鋼軌型面相比，鋼軌打磨廓形的動力學性能仍有一定差距。這是因為上股鋼軌型面軌肩磨耗嚴重，縱然增加打磨量，也難以實現理論鋼軌型面的輪軌接觸特征。因此，改善道岔區動力學性能，應以道岔區實際狀態為出發點，制定合理可行的鋼軌打磨方案。

5 結論

本文總結了我國主型12號道岔的應用現狀，對道岔區實測動力學數據進行分析，得出道岔區動力學典型特征，通過對輪軌接觸特征分析，探索其形成原因。建立動力學模型并對道岔區動力學特性進行理論研究，提出應對措施。得出以下結論：

1)實測數據表明，空車通過道岔側向時產生較大輪軌橫向力，導致部分車輛的脫軌系數超過第二限度1.0。評價道岔區側向行車安全性時應以脫軌系數為主要評價指標，并著重考核空車的動力學性能。

2)實際運營過程中，實測鋼軌型面產生明顯變化，上股軌肩磨耗嚴重，下股軌頂呈扁平狀。道岔區輪軌接觸特征改變是導致道岔區側向通過性能大幅降低的主要原因。

3)結合道岔區鋼軌實際運營狀態，提出針對性的鋼軌打磨方案，下股鋼軌采用兩側軌肩打磨深度大、軌頂打磨深度小的全斷面打磨方案，上股鋼軌打磨區域集中在軌頂區域，且打磨量由軌距側向非工作邊側逐漸增加，從而增加輪徑差和導向力矩。動力學計算結果表明，打磨方案可有效改善道岔區動力學性能。

今后將進一步開展道岔區鋼軌打磨，并進行動力學試驗，驗證和完善本文提出的打磨措施。