高速鐵路道岔鋼軌磨耗發展規律的試驗研究

王 璞

(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)

道岔是實現高速列車轉向和變道的關鍵設備，其結構復雜，零部件眾多，是高速鐵路的三大薄弱環節之一。我國高速鐵路道岔經過多年的運營，總體狀態良好，但也逐漸暴露出一些問題，如岔區動力響應異常、車體異常晃動、輪軌力超限、鋼軌疲勞傷損、尖軌磨耗嚴重等[1]。其中尖軌磨耗(見圖1)問題多地、多次重復出現，成為高速鐵路所面臨的主要共性問題之一。

圖1 高速道岔尖軌磨耗

尖軌磨耗引起軌頭廓形以及尖軌、基本軌相對位置的改變，直接影響列車過岔時的輪軌接觸狀態和輪載過渡情況，進而會對列車運行的安全性、穩定性產生嚴重影響。另外，由于輪軌接觸不良引起的振動沖擊、塑性變形、剝離掉塊等問題也會降低車輪與道岔鋼軌件的使用壽命。針對該問題，研究并掌握岔區鋼軌磨耗的發展過程和特征，對于養護維修具有重要的指導意義，有助于更科學地確定養修區段、時機及措施。

目前針對區間線路以及道岔區的鋼軌磨耗研究多采用仿真計算和理論分析的方法，建立的仿真模型[2-13]中有較多的假設和簡化處理，并且模型中的磨耗系數較難準確取值。通過現場測試的方法研究鋼軌磨耗發展過程具有更高的準確性和可靠性。就道岔區而言，鐵路研究人員針對岔區鋼軌廓形已開展過較多的測試工作，但一般均是為了了解特定狀態下鋼軌的磨耗，所進行的測試工作較為零散，沒有時間上的連續性。

本文對高速道岔鋼軌磨耗發展進行試驗研究，選取滬寧城際高速鐵路道岔作為試驗段，對轉轍器區特征斷面尖軌和基本軌的型面及磨耗情況進行長期跟蹤測試，探究高速道岔鋼軌磨耗的分布和發展規律。

圖2 鎮江站(K237+493)試驗工點

1 試驗工點

選取滬寧城際高速鐵路鎮江站11#道岔(見圖2)作為試驗段進行測試。11#道岔為客運專線系列18號無砟軌道道岔，圖號KZX(07)001[14]，直向通過速度250 km/h，側向通過速度80 km/h，鋼軌采用60D40鋼軌，扣件采用分開式II型彈條扣件，尖軌跟端采用2組限位器限位，軌枕為混凝土無砟岔枕。11#道岔為順向過岔，每天通過高速列車約80列，日通過總重量約4.8×105kN。

2 試驗內容及方法

主要對高速道岔轉轍器區尖軌和基本軌的磨耗、光帶及輪軌接觸幾何狀態進行觀測，并對特征斷面的鋼軌廓形進行測試，同時調研并記錄相應的通過總重情況及養護維修信息。選取的高速道岔轉轍器區特征斷面見表1。

表1 高速道岔轉轍器區特征斷面

每隔3個月左右對岔區各特征斷面的鋼軌廓形進行1次測試并對磨耗情況進行觀測，觀測了近1.5年。試驗采用MiniProf鋼軌廓形測試設備，測試過程快捷，便于攜帶，操作簡單，能夠有效減少測試時間，能在有限的天窗時間內完成測試。現場測試情況見圖3。

圖3 現場試驗

3 道岔鋼軌磨耗規律分析

試驗道岔轉轍器區特征斷面的基本軌和尖軌的磨耗發展情況見圖4。

圖4 轉轍器區鋼軌磨耗測試結果

由圖4可以看出，隨著道岔服役時間的增長，轉轍器區尖軌和基本軌的磨耗均不斷加重。在不同的斷面位置由于鋼軌形狀的差異，輪軌相互作用存在較大不同，相應地，不同斷面位置、不同鋼軌件的磨耗分布和發展規律也存在明顯的區別。

列車直向通過條件下，車輪荷載逐漸由直尖軌過渡到曲基本軌，直尖軌磨耗主要分布于軌頂區域，工作邊側的磨耗略大，并且非工作邊側也存在垂向磨耗。這與基本軌磨耗程度以及基本軌與尖軌的相對位置存在密切的關系。曲基本軌的磨耗在尖軌頂寬3～72 mm 范圍內基本均勻分布于軌頂，而在尖軌尖端及岔前位置更多地分布于工作邊側。

列車曲向通過條件下，曲尖軌在頂寬35～72 mm范圍內側向磨耗不太明顯，磨耗主要分布于軌頂，而從頂寬35 mm開始直至尖軌尖端以及岔前基本軌均存在明顯的側向磨耗，由此可以推斷，列車順向過岔過程中在頂寬35 mm斷面開始貼靠尖軌運行，在駛出道岔以后仍繼續貼靠基本軌。在尖軌頂寬5～72 mm范圍，密貼基本軌的磨耗在軌頂基本呈均勻分布。

為了更形象地觀察和比較轉轍器區鋼軌磨耗的縱向分布情況，根據文獻[15]計算各特征斷面基本軌和尖軌的垂向磨耗和側向磨耗，其分布規律分別見圖5和圖6。

圖5 轉轍器區鋼軌垂向磨耗分布規律

圖6 轉轍器區鋼軌側向磨耗分布發展規律

由圖5、圖6可見，隨著道岔服役時間的增長，轉轍器區鋼軌磨耗的發展呈逐漸收斂的趨勢。曲尖軌在頂寬50 mm斷面的垂向磨耗最嚴重，直尖軌在頂寬20～72 mm范圍的垂向磨耗均較大。直尖軌垂向磨耗情況較曲尖軌更為嚴重。直、曲基本軌在輪載過渡前尖軌頂寬較寬區域垂向磨耗相對較大，在輪載過渡區垂向磨耗相對偏小，輪載過渡完成后在尖軌尖端和岔前位置垂向磨耗也均較大。總體來看，曲基本軌(直向通過)垂向磨耗情況比直基本軌(曲向通過)略大。

直尖軌的側向磨耗情況總體較輕，曲尖軌在輪載過渡之前頂寬較寬區域的側向磨耗較小，在輪載過渡區域側向磨耗較為明顯。曲尖軌側向磨耗明顯大于直尖軌。直、曲基本軌的側向磨耗主要集中在輪載過渡完成以后尖軌頂寬較小位置及岔前區域，直基本軌(曲向通過)的側向磨耗明顯比曲基本軌(直向通過)嚴重。

4 結論

本文針對既有區間線路及道岔鋼軌磨耗研究多采用仿真分析、岔區鋼軌磨耗測試工作缺乏連續性的不足，對高速鐵路道岔鋼軌的磨耗發展情況進行了系統的試驗研究，選取滬寧城際高速鐵路鎮江站11#道岔為試驗段，探究高速道岔轉轍器區尖軌及基本軌的磨耗分布和發展規律。主要結論如下：

1)隨著道岔服役時間的增長，轉轍器區尖軌和基本軌的磨耗發展呈現逐漸收斂的趨勢。

2)曲尖軌在頂寬35～72 mm范圍磨耗主要分布于軌頂，自頂寬35 mm開始直至尖軌尖端以及岔前基本軌均存在明顯的側向磨耗，可知列車順向過岔時在頂寬35 mm 斷面車輪開始貼靠尖軌運行，駛出道岔以后仍繼續貼靠基本軌。

3)基本軌垂向磨耗在輪載過渡前尖軌頂寬較寬區域以及輪載過渡完成后尖軌尖端及岔前位置較大，而在輪載過渡區相對較小。直尖軌-曲基本軌的垂向磨耗比曲尖軌-直基本軌更嚴重。

4)曲尖軌側向磨耗明顯大于直尖軌，在輪載過渡前頂寬較寬區域側向磨耗較小，輪載過渡區側向磨耗明顯。直、曲基本軌側向磨耗主要集中在輪載過渡完成后尖軌頂寬較小位置及岔前區域，直基本軌側向磨耗比曲基本軌更為嚴重。

本文工作可為磨耗仿真研究提供試驗驗證，同時可為高速道岔的養護維修提供科學指導。