钢轨动力学减载率分析及现场养护的探讨

2011-06-19郭亮亮上海铁路局上海工务段

上海铁道增刊 2011年1期

郭亮亮上海铁路局上海工务段

铁路轨道结构是连续的长大工程结构物，它直接承受列车的各种荷载、轮、轨之间构成一个十分复杂的庞大系统，列车的荷载对轨道结构的工作状态有决定性的影响，而轨道结构又直接影响列车的运行品质，进而使轨道承受的荷载变化，经过轮轨之间的交替式影响的研究，形成一门新的学科，即轮轨动力学，进一步深入研究轮轨相互动力作用规律，寻求降低轮轨相互作用的途径，对于保证轨道强度和稳定，减少维修工作量，延长设备使用寿命都具有十分重要的意义。

高速与重载铁路是铁路发展的两大方向，而行车安全、舒适则是高速与重载铁路的共同要求。多年的运营实践表明，列车脱轨是危及行车安全的重要险患，也是危害较大、经济损失较重的行车事故之一。事实表明，列车脱轨是各种影响脱轨的不利因数综合作用的结果。绝大多数列车脱轨事故均由车辆脱轨引起。因此，在进行列车脱轨分析时，将集中研究车辆的受力状态、脱轨原因和机理以及应采取的预防措施。

从轮轨的相互关系来讲，无论是曲线还是直线脱轨，过去多半认为是由于轮轨之间的横向力增大的结果，但在实际运行中发现，有时侧向力不大的情况下，而轮重严重减载时，也会出现脱轨现象，也就是说，当左右轮的轮重偏载过大时，即便轮对横向力很小，也有可能脱轨。而在部10#综检车的检查中，减载率超限出现多次，尤其曲线地段，可见提速干线轮重减载率超限减少，则车轮减载脱轨的危险性就越小。

1 轮重减载率脱轨的基本原理

1.1 轨道力学分析

轨道承受着非常复杂的力，而且有强烈的随机性和重复性。大体上可分为垂直于轨面的竖向力即垂直荷载，垂直于钢轨横向的水平力即横向荷载，平行于钢轨轴向的纵向水平力即纵向荷载。垂直荷载与列车速度有很大因数，既高速列车的动力加系数，各国都有不同的计算轨道承受的动轮重的方法，我国设计轨道结构时采用2倍的静荷载作为动荷载，客货混运提速线路科采用3倍静荷载设计轨道。

轨道承受的横向荷载包括在直线轨道上，因车辆蛇形运动，车轮轮缘接触钢轨而产生的往复周期性的横向力，轨道方向不平顺处，车轮冲击钢轨的横向力；在曲线轨道上主要因转向架转向，车轮轮缘作用于钢轨侧面上的导向力，还有未被平衡的离心力等。横向荷载分为两类：一类为用来进行轨道设计、检算及评估列车脱轨危险的横向集中作用力，另一类为评估轨道横向移动的2m长轨道范围内的位移阻力S。其中各国根据各自的运营状况，规定了不同的横向荷载的计算方法。

1.2 曲线车轮减载脱轨

车辆通过曲线时，轮对将承受着车体传来的横向力，在横向力的作用下，前轮对的外侧轮缘紧靠钢轨，并在导向力作用下，引导着前轮对连同整个转向架沿曲线方向运行。这时，导向轮在横向力作用下，可能由于某种因数使车轮浮起离开轨面，形成轮缘的跟部与轨头侧面的圆弧部分接触，出现爬轨趋势，通过力学计算得轮对不脱轨的安全条件公式如下：

式中：Q1、、Q2-曲线外轨、里轨承受的垂直轮重；

μ1、μ2-轮对外、内轨的轮轨摩擦系数

β1-外轮轨缘倾角

假设里外轨的轮轨摩擦系数相同，则上式变为：

若轮对作用于外轨的横向力H=0，则：

这就意味着，即使没有横向力作用，若轮对里外轮轨相差太大，也有脱轨危险。里外轮重之比Q2/Q1若满足上式的条件，车轮不会脱轨，否则就有脱轨危险。

设里外轮平均轴重为Q，里外轮增减荷载量为△Q，则Q2=Q+△Q，Q1=Q-△Q，代入上式并整理后得：

这就意味着，只要轮重减载率△Q/Q不超过K1值，通常车轮就不会脱轨，否则就有减载率脱轨的危险。同理，对轮重减载脱轨问题也应按上式综合考虑各种因数，全面进行评价。K1也是轮缘角β和轮轨摩擦系数μ的函数，不同的β值和μ值时K1值如表1。

表1 不同的β值和μ值时K1值

1.3 直线车轮减载脱轨

车辆在直线上运行时，由于车轮踏面为锥形和轮缘与钢轨间存在间隙，当轮对中心在行进中偶而偏离直线轨道中心时，两轮便以不同直径的滚动圆在钢轨上滚动，使轮对在行进中一面做横向摆动，一面围绕经其中心的垂轴来回摇头，形成"蛇形运动"的波形运动。剧烈的蛇形运动不仅破坏列车运行的平稳性，而且还破坏线路，甚至引起脱轨事故。

若车轮或转向架蛇形运动的频率与车辆相应的固有频率相一致，则将发生共振，使车辆的横向振动加剧，车轮撞击钢轨，部分车轮在剧烈的摆动下瞬时浮起，使脱轨系数与车轮减载率急剧增大，若减载率的限值下降的不利局面也同时出现，则会导致车辆在直线脱轨。

2 减载率检测与病害分析

2.1 综检车对减载率的检测

2007年4月18日，全国铁路实施第六次大面积提速以来，京哈、京沪、京广、陇海、浙赣、胶济、武九、广深等铁路干线，将实施200 km速度级的提速，有的线路列车运行时速将达250 km，而且很多干线开行大量动车组，这对轮轨运输系统提出更高、更新的要求，使得综检车的出现。在综检车的检查中有轮轨力检测系统。

轮轨力检测系统在综合检测车5号车一位端转向架的一位轴和四位轴的轴头各安装一个测力轮对，设备安装情况如图1所示。

图1 测力轮对设备安装情况

轮轨力主要是反映车辆运行的动力学响应，作为车辆运行安全性评价的主要指标，其基本检测

项目有垂直力、横向力和纵向力。

轮轴横向力为左、右车轮横向水平力代数差：

式中：H-轮轴横向力

H1、H2-分别为左右侧轮轨间的横向力

脱轨系数为轮轨横向力与轮载的比值：

式中：Q/P H-脱轨系数

P1、P-分别为左右轮载

减载率为轮重减载量与平均轮重的比值：

式中：△P-减载侧的轮重减载量

P1、P-分别为左右轮载

技术参数为：

测量范围：垂向力0～400 kN输出范围可选择；横向力±160 kN；纵向力±160 kN。

相对精度：±4%。

测力轮对工作寿命：10年。

最高测量速度：300 km/h。

数据处理软件能实时连续输出轮轨间的垂直力、水平力、轮重减载率、脱轨系数等数据波形，数据处理软件能够再现各种原始数据，并具有数据检索查询和统计分析的功能。

2.2 减载率病害分析

通常，减载率超限不是由单一因素，而是由多种因素的不利组合造成的，从工务轨道状态方面来讲，主要有以下几方面：

(1)外轨超高设置不当，未被平衡的超高导致车轮轮重减载率超标。

（2）轨道顺坡、三角坑、不均匀支承等会使车体产生扭曲，从而引起各车轮轮重的增减率和加剧横向摇摆。

（3）轨道横向不平顺、小半径曲线、道岔以及轨缝等局部不平顺等。

通过现场检查提速后综检车检测出来的减载率超限处所病害来看，产生超限的原因也是综合的，如2008年5月23日京沪线下行线1241.663检测出一处动力学减载率超限（现场波形见图2）。

图2 检测出动力学减载率超限波型图

从上面波形图可以看出，该超限处所（道岔区段），前后有两处横向加速度超限，即京沪下1241.652水加0.08、京沪下1242.718水加0.12，另外有小高低，从现场检查情况来看，为轨面高3 mm处，空吊2 mm头，可见此处减载率超限主要是由于线路地段有小高低，使车体产生摆动，从而引起各车轮轮重的增减率。

3 现场养护要点

通过分析，导致减载率超标的主要原因是轨面高低短波不平顺，直接原因主要表现为接头平顺性不良、扣件缺陷或轨下支撑刚度突变等，应根据检测情况，及时到现场检查确认后妥善处理。

3.1 现场检查方法对比

现场常使用的钢轨检查方法对比情况见下表2。

表2 钢轨检查方法对比情况

从对比情况来看，对于短波不平顺，传统的道尺和弦线相结合的方法，具有使用方便、快捷、受环境影响小的特点。而对于长波不平顺，传统的方法就无法起到很好的效果，必须用轨检小车进行测量。因此，在实际运用中，必须采用传统检测和仪器检测相结合的办法。调整前，带班人应根据计划调整情况，采用道尺、弦线进行必要的核对检查，确认计算调整量是否与现场情况相符；调整后，带班人应及时根据经验对已调整区段采用道尺、弦线进行复核，并目视检查轨道平顺性。