6號對稱道岔區防脫軌裝置的作用機理

司道林 ，王 猛 ，王樹國 ，王 璞

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

6號對稱道岔是編組站內的主型道岔. 近年來道岔區脫軌事故時有發生，部分站場更換新道岔后短期內出現連續脫軌事故，嚴重干擾運輸秩序. 為遏制道岔區脫軌事故的發生，眾多學者研究脫軌機理并提出整治措施. 薛弼一[1]采用理論和試驗相結合的方法研究脫軌機理，認為輪對脫軌是多因素聯合作用下的動力學過程，較大橫移量、輪軌橫向力和搖頭角是影響脫軌的重要因素. 王健[2]采用型面插值法建立尖軌/基本軌三維輪軌接觸算法模型研究輪對在道岔轉轍器的爬軌機理，認為在尖軌頂寬5～20 mm范圍具有較高的爬軌風險. 關慶華等[3]通過研究輪對、摩擦系數對摩擦臨界狀態的影響規律，對NADAL脫軌準則進行了修訂，提出了考慮輪對沖角、摩擦系數及輪緣角的脫軌系數和減載率判別公式. 陳果等[4]基于車輛-軌道耦合動力學模型得出脫軌系數超限時間和車輪抬升量間的對應關系，認為脫軌系數達到1.0以上的持續時間超過0.035 s時車輛具有較高的脫軌風險. 鄭新明等[5]系統總結車輛脫軌的安全評判標準和原則，提出從軌道部件傷損、軌道結構參數優化、軌道幾何不平順控制、道床支承狀態和尖軌降低值等方面預防脫軌. 曾慶元等[6]認為列車的脫軌力學機理是列車橋梁（軌道）時變系統的橫向振動喪失穩定，并提出判別系統橫向振動是否穩定的準則.Elkins等[7]在NADAL脫軌機理的基礎上，提出考慮沖角和持續距離的爬判斷準則. 費維周[8]認為6號對稱道岔脫軌事故與道岔連接線型、緩行器設置位置、車輛編組方式、軌枕類型、道岔養護等因素有關，岔前應設置長度不小于2 m夾直線、增加尖軌降低值、減小迎輪護軌輪緣槽寬度等措施可降低脫軌風險.李海峰等[9]通過整治道岔前后幾何尺寸、安裝迎輪護軌、增設軌距拉桿、加裝鐵墊板外側止擋等措施可提高道岔區安全性. 賈躍軍等[10]分析了尖軌磨耗后型面變化對道岔區安全性指標的影響規律，尖軌磨耗后脫軌系數、減載率安全性指標均有所增加. 李章鳳[11]認為道岔線型不良、尖軌過度磨耗是導致脫軌的主要原因，通過整治曲線正矢、加強軌道狀態養護維修預防道岔脫軌. 目前仍未形成有效措施杜絕脫軌事故的發生.

司道林等[12]認為6號對稱道岔內的脫軌屬典型爬軌脫軌，根本原因是輪對進入道岔時輪緣頂部接觸尖軌尖端時形成的接觸角較小、抗脫軌能力不足.因此，在不改變既有道岔結構參數情況下，通過改變輪對運動軌跡，避免不利接觸狀態可杜絕脫軌事故的發生. 借鑒固定型轍叉護軌導向原理，通過在轉轍器區設置特定裝置強制約束輪緣背部改變輪對運動軌跡，達到防止脫軌的目的. 安裝在道岔尖軌尖端之前的迎輪護軌便是實現此功能的裝置之一. 此外，本文又介紹了一種全新的防脫軌裝置，并建立車輛-道岔動力學模型，分析輪對在兩種結構約束作用下通過道岔時的運動軌跡，由此獲得兩種結構的防脫軌作用機理.

1 迎輪護軌作用特性分析

1.1 結構特征及工作原理

圖1展示了迎輪護軌結構及主要尺寸. 迎輪護軌安裝在道岔前端，護軌中心與道岔始端軌縫平齊，距尖軌尖端1 420 mm. 為引導輪對順利通過護軌區，迎輪護軌開口段、緩沖段和平直段輪緣槽寬度分別為94.0、78.0、42.0 mm，各段對應長度分別為100、800、940 mm. 迎輪護軌輪緣槽最小寬度為42.0 mm，若軌道兩側同時安裝，軌距1 445 mm時對應的護背距為1 361 mm（1445?42?42=1361），超過護背距的要求限值1 348 mm[13]. 因此，僅能在軌道一側安裝.

圖1 迎輪護軌Fig. 1 Guardrail in front of switch rail toe

圖1中迎輪護軌安裝在Ⅰ股側，Ⅰ股處于開通狀態. 當車輛逆向進岔時，輪對首先經迎輪護軌的開口段進入緩沖段，在緩沖段迎輪護軌與輪緣背部接觸，逐漸約束輪對橫移，改變其運動軌跡，進入輪緣槽寬度42.0 mm的平直段后，輪對將被迎輪護軌強制偏離軌道中心，向Ⅰ股側的偏移量可由軌距1445 mm、輪緣內側距1353 mm計算得到，偏移量為4.0 mm（1445/2?1353/2?42），如圖1（b）所示. 輪對駛出平直段后，隨著輪緣槽寬度增加，輪對逐漸脫離迎輪護軌約束，在輪軌蠕滑自導向狀態下進入道岔區.

由于輪對運動軌跡受到迎輪護軌約束，改變輪對進入道岔時的運動狀態. 這就使得輪對通過道岔區的橫移量變化規律以及輪緣何時貼靠Ⅱ股尖軌成為未知. 為此，采用文獻[14-15]中的方法建立車輛-道岔動力學模型，計算在迎輪護軌作用下車輛通過道岔區時的動力學響應.

1.2 迎輪護軌對輪軌動力學特性影響

圖2展示了輪對經迎輪護軌進入道岔區過程中各項動力學指標的時程曲線. 圖中橫坐標為輪對走行距離，60 m對應的位置為尖軌尖端. 橫坐標小于60 m時說明輪對位于道岔前，大于60 m意味著輪對已進入道岔.

道岔前端連接半徑200 m的曲線，進入道岔前輪對貼靠上股運行，輪對橫移量達到13.5 mm，如圖2（a）所示. 在距尖軌尖端2.300 m（圖2（a）中點 ①）的緩沖段輪緣背部開始接觸迎輪護軌，輪對在迎輪護軌約束作用下逐漸向軌道中心橫移，進入平直段后輪緣槽寬度最小，輪對被約束至軌道中心另一側，向下股偏移3.0 mm（圖2（a）中點 ②），小于上節靜態計算值4.0 mm，這是由于軌道結構變形所致，此過程護軌承擔的荷載達到峰值47 kN （如圖2（b）所示）；在距尖軌尖端1.000 m處（圖2（a）中點 ③），輪緣背部逐漸脫離迎輪護軌約束，輪對重新向曲線上股橫移，運行至尖軌尖端（圖2（a）中點 ④）時輪對橫移為3.0 mm. 進入道岔后在轉轍角作用下橫移速率增加；在距尖軌尖端接近0.500 m（圖2（a）中點 ⑤）處輪緣根部撞擊尖軌，尖軌與基本軌開始共同承載，輪對橫移達到最大值. 輪載轉換過程中輪軌橫向力和脫軌系數均達到峰值(分別為31 kN和0.98)，如圖2（c）、（d）所示. 圖中負值意味著鋼軌受到的橫向力指向線路外側；圖中正值意味著鋼軌受到的荷載指向線路內側.

圖2 迎輪護軌作用下的動力學仿真計算結果Fig. 2 Simulation results under the action of guardrail in front of switch rail toe

可見，在迎輪護軌約束下輪對運動軌跡發生改變，避免了持續貼靠軌道上股運行，使輪對在橫移量為3.0 mm狀態下進入道岔，從而推遲輪緣與尖軌貼靠的位置，避免輪緣與尖軌尖端接觸、形成不利的輪軌接觸狀態.

如前所述，由于迎輪護軌安裝尺寸無法滿足護背距的尺寸要求，導致其無法在軌道兩側同時安裝，意味著僅能對道岔的其中一股行車起到防護作用.倘若在軌道兩側同時安裝迎輪護軌，最小輪緣槽寬度可根據軌距1445、軌距偏差6 mm和護背距1348 mm計算得到，最小輪緣槽寬度為51.5 mm （(1445+6)/2?1 348/2）.

圖3展示了輪緣槽增至51.5 mm后的輪對運動軌跡，進入道岔時的輪對橫移量為9.0 mm，在距尖軌尖端0.320 m處輪緣即貼靠尖軌，此時的接觸角為67°. 根據NADAL脫軌準則，摩擦系數為0.4時的脫軌系數臨界值為1.0，滿足第二限度要求，但不滿足第一限度值1.2的要求.

圖3 雙側安裝迎輪護軌時的輪對運動軌跡Fig. 3 Wheelset lateral shift with double guardrails

綜上分析，當最小輪緣槽寬度為42.0 mm時既有迎輪護軌可顯著改變輪對運動軌跡，改善輪軌接觸關系，對保證單側行車安全起到積極作用. 但若兩側同時安裝迎輪護軌，對輪對的約束效果有限，難以有效改善輪軌接觸幾何關系.

2 新型防脫裝置作用特性分析

2.1 結構特征及工作原理

既有迎輪護軌是通過在道岔前約束輪對位移的方式改變輪對運動軌跡，其工作原理存在一定不足，無法在軌道兩側同時安裝，難以杜絕脫軌事故的發生. 本文介紹一種全新的防脫軌裝置（以下簡稱防脫器）. 圖4（a）展示了防脫器結構的總體布置圖，防脫器對稱布置于軌道兩側，全長為L，以道岔尖軌尖端為界劃分道岔內、外兩部分，道岔外的長度為L1，道岔內的長度為L2. 與迎輪護軌相比，防脫器設計較為復雜，在保證護背距滿足要求的前提下，既要起到約束輪對運動的作用，又要保證尖軌的正常轉換功能.

圖4中防脫器A側的尖軌與基本軌處密貼狀態（如圖4（b）所示），防脫器B側的尖軌與基本軌處斥離狀態（最大開口量167 mm），防脫器下底面高出尖軌頂面一定距離，使尖軌藏于防脫器下方. 圖中防脫器A處于非工作狀態，由防脫器B處約束其輪對運動. 輪對逆向進岔時向防脫器A側偏移，防脫器B與輪緣背部接觸，約束輪對橫移，從而防止輪緣在尖軌尖端接觸尖軌，避免幅值較小的輪緣接觸角的出現. 同理，當防脫器B側的尖軌與基本軌密貼時，由防脫器A限制其輪對運動（圖中虛線尖軌所在位置）.

圖4 防脫器Fig. 4 Anti-derailment equipment

輪緣槽寬度變化與迎輪護軌類似，中間為平直段（位于尖軌尖端），輪緣槽寬度為52.0 mm，兩端分別設置緩沖段和開口段，以便引導車輪順利進入道岔.

2.2 防脫器對輪軌動力學特性影響

采用與上節相同的方法建立可模擬防脫器的動力學模型，計算輪對在道岔區的運動軌跡. 防脫器動力學指標時程曲線如圖5所示.

道岔前端連接半徑200 m的曲線，進入道岔前輪對橫移已達到13.5 mm. 由圖5可見：在尖軌尖端前0.700 m （圖5（a）中點1）處輪緣背部與防脫器接觸，輪對橫移快速減小，在尖軌尖端（圖5（a）中點2）處輪對橫移量減至3.8 mm，此過程中防脫器承擔的荷載最大值為43 kN （如圖5（b）所示）. 通過尖軌尖端后，輪背逐漸脫離防脫器的約束，輪對重新向上股偏移，在距尖軌尖端0.705 m （圖5（a）中點3）處，輪緣根部與尖軌接觸，尖軌與基本軌共同承載，輪對橫移達到最大值. 輪載轉換過程中輪軌橫向力和脫軌系數均達到峰值，最大值分別29 kN和0.98，如圖5（c）、（d）所示.

圖5 防脫器動力學指標時程曲線Fig. 5 Time-history curves of dynamic indexes of anti-derailment equipment

綜上分析可見，防脫器不僅防護效果更優，且克服了既有迎輪護軌的缺陷，實現在軌道兩側同時安裝，使對稱道岔雙方向行車時均可得到防護. 不僅如此，由于防脫器延伸至道岔區以內，即使車輛在不確定外荷載（如車鉤力橫向分量、減速器制動力）作用下輪對產生大幅橫移爬上鋼軌，仍可使輪對復位.

防脫器使用過程中不可避免地產生磨損，使輪緣槽寬不斷增加，從而影響對輪對的約束效果. 為提出合理的槽寬維修限值，通過理論計算得到槽寬在52.0～58.0 mm范圍變化時輪對橫移變化，以及輪緣初始接觸尖軌時距尖軌尖端的距離.

圖6（a）描述了各種輪緣槽寬情況下輪對橫移的時程曲線，隨著輪緣寬度的增加，尖軌尖端處的輪對橫移量不斷增加，輪緣趨于上股防脫器對輪對約束效果不斷減弱

圖6（b）展示了輪緣接觸尖軌時距尖軌尖端的距離隨輪緣槽寬度的變化規律，隨著輪緣槽寬度的增加，輪緣接觸尖軌的位置不斷接近尖軌尖端，對應的尖軌降低值不斷增加，導致輪軌間的抗脫軌能力也隨之降低. 當輪緣槽寬度小于56.0 mm時，變化趨勢明顯增加. 因此，建議輪緣槽寬度上限值取56.0 mm，大于此值后應及時調整防脫器位置.

圖6 輪緣槽尺寸對防脫器力學性能的影響規律Fig. 6 Influence of flangeway width on dynamic performances of anti-derailment equipment

3 結 論

本文總結分析了6號對稱道岔區的防脫軌研究成果，建立車輛-道岔動力學模型，計算迎輪護軌作用下道岔區動力學響應，并介紹了一種全新的防脫軌裝置，通過理論計算驗證防脫軌裝置的力學性能，得出以下結論：

1） 安裝在道岔外的既有迎輪護軌結構可明顯改變輪對進入道岔前的運動軌跡，對預防對稱道岔單側防脫軌具有積極意義，但由于護背距無法滿足要求，不能兩側同時安裝. 當同時安裝時，輪緣槽寬度增加，對輪對約束能力大幅減弱，難以杜絕脫軌事故發生.

2） 防脫軌裝置作為一種全新的結構形式，突破既有迎輪護軌的道岔外起作用的原理. 實現道岔兩側同時安裝，可改變輪對在道岔區內的運動軌跡，防止輪緣與尖軌尖端接觸，避免不利輪軌接觸狀態的出現，大幅提高道岔安全性能. 可對稱安裝在軌道兩側，使對稱道岔雙方向行車的安全均可得到有效保證. 此外，防脫器避免了尖軌尖端磨耗和傷損的產生，將有效延長尖軌壽命.