驼峰下小号码道岔防脱轨研究

吴建辉 周荣祥 上海铁路局安全监察室

编组（区段）站驼峰下，车辆在小号码（6#对称）道岔处脱轨是常见、易发的惯性事故。在上海局就有过260 天时间内，在驼峰下同一组对称道岔区发生4 起惯性脱轨事故。统计数据表明，上海局历史上，一年时间内，有4 个编组区段站，在驼峰下对称道岔区域发生过9 起车辆脱轨事故。因此防止驼峰解体车辆在峰下6 号道岔和小半径曲线处脱轨，减少6#道岔尖轨侧磨，压缩工务养护维修工作量，最大限度的节约成本支出，是编组（区段）站驼峰作业常见且亟待解决的问题。

1 驼峰下小号码道岔的现状

在驼峰下对称道岔及前后线路的轨距、水平、高低，道岔的支距，岔前曲线的正矢进行了认真细致的检查得到结论：道岔的几何状态良好，没有严重超限，符合《维规》技术规范要求。但对各站线路的方向测量表明，虽然道岔结构健康，但道岔及前后线路都有不同程度的和单侧偏移，尤其在尖轨尖部位侧磨和偏移量都比较大。

设计规范规定：道岔连接曲线R=200 m，道岔转辙部位及导曲线R=180 m，两曲线间设6 m 夹直线，地形困难地段可不设。这就造成车辆在通过小号码道岔时，车辆转向架处不在同一平面上，直接影响车辆过岔的平稳性，并导致道岔结构和前后线路整体单侧偏移和侧磨。

2 车辆在峰下小曲线半径的小号码道岔脱轨的原因分析

2.1 国外对车辆在道岔处脱轨的理论研究

钢轨严重侧磨加大了脱轨的趋势。法国人M.J.NADAL 对轮轨横向和垂向作用力进行分析后，根据车轮爬轨接触点处的摩擦饱和和得出力的平衡关系，得出了下式即著名的的NADAL 公式:

式中：Q/P：横向力Q与垂直力P的比值，即实际脱轨系数；B：轮缘接触角，即轮轨接触面与轨平面的夹角；F：为轮轨间摩擦系数；K：脱轨系数限值。

K值与车轮、轨头形状(B)及摩擦系数(F)直接有关。

美国在对脱轨事故调查中发现，动态车轮爬轨与小半径曲线有关。在这些地段往往产生很大的轮轨横向力，与道岔有关的脱轨事故占总爬轨事故的40%强。曲线外股轨轨距面角是车轮爬轨的诸多因素的一种，这个角度经常在有轨距面磨耗曲线外侧钢轨上发现。磨耗会造成在该轨距面和垂直线之间形成一个角度Ф (见图1)，当角度增加时，车轮在钢轨轨距面上爬轨可能性增加。

图1 轮轨作用力与接触力图

当与钢轨轨距面平行的横向力、垂直力的"向上"合力大于由于法向力N(见图2)产生阻力(即N·F)时，就会产生这种爬轨现象。

图2 轮轨作用力简化图

国外研究表明，车辆通过道岔时产生的横向力和尖轨侧磨量，是造成车辆在道岔处爬轨脱轨最主要的两个方面。另外在摩擦系数F 不变的情况下，车辆通过小号码道岔时产生的横向力又增加了轨距面角容许值（侧磨量）；而侧磨量的增加，又使车轮爬轨所需的K 值减小，车辆脱轨的危险增加。因此，减少车辆通过道岔时产生的横向力，是防止车辆在道岔处最关键的因素。

2.2 现场调研分析

容易使轮缘爬上尖轨，导致脱轨的主要原因：

(1)设备状态存在的问题:尖轨尖端向尖轨跟方向内侧磨掉块；S 曲线间无夹直线或夹直线太短；道岔平面位置移动；轨面几何状态超限。

(2)作业面存在问题主要是：溜放速度偏高；调速方法不当。

(3)货物装载方面问题主要是：偏载。

3 对防止车辆在峰下小曲线半径的小号码道岔脱轨的研究

根据国外对车辆在道岔处脱轨研究所理论及现场现状设备状况和作业分析后得出结论是：曲线半径小，车辆过岔时产生的横向惯性力及对上股钢轨和尖轨冲击力大，在尖轨侧磨量过大和横向力的作用下，车辆极容易爬轨而产生脱轨。

采取在尖轨尖前面位置加装导向护轨，减少车辆通过道岔的横向力，保证车辆过岔时平稳性，克服横向力产生的悬浮爬轨，减缓轮对对尖轨尖的撞击，降低尖轨的侧磨量，从而有效防止车辆脱轨事故。同时尖轨侧磨量减小，延长了尖轨的使用寿命，实现安全和效益双赢的目标(如图3)。

图3 尖轨前护轮轨安装图

4 实施

在调研各站对驼峰采取各类有效强化措施的基础上，统一标准，实施整治。

4.1 线路整治

主要是纵断面调整、平面调整和结构强化（在道岔框架部位加装中间绝缘轨距拉杆；在道岔转辙部位、滑床板外侧加装防横移挡板；将道岔前后线路原道钉联结的普通垫板改为扣板式的分开式扣件；整组对称道岔安装人字型防爬木撑）。

4.2 防磨护轨安装及改进措施

(1)在曲线R≤350 逆（对）向道岔岔前安装长度2.7m、P43 护轨；在护轨切断处，保持≥10mm 的轨缝，防止影响信号；安装缓冲大胶垫，减小风动道岔对道岔结构的冲击力；安装防爬设备，防止线路单方向爬行；安装加强阻钉板，形成整体结构。

(2)根据现场条件，可加宽道床宽度，增加横向磨擦力；在路基上埋设固定竖立的小短轨，轨距拉杆将小短轨与转辙部位外股钢轨联结，控制转辙部位框架尺寸；平行道岔转辙部位之间用木支撑、小拉杆连结，提高道岔整体阻力。

5 实施效果

整治措施实施后，与整治前相比较，整治效果明显。

(1)道碴结构更加健康稳定，防止了车辆过岔时道岔的横移和纵爬。

(2)道岔几何尺寸更加稳定，整治后的几何尺寸比整治前变化慢（见图4）。

图4 整治前后尖轨磨耗对比图

(3)尖轨磨耗减缓及尖轨侧磨点内移，尖轨的磨耗速率大大降低。

(4)整治至今，未再发生类似的脱轨事故。

(5)尖轨使用寿命延长（见表1）。

(6)道岔的几何状态变化幅度减少，材料消耗及养修劳力降低，节约了运营成本。按换一根尖轨的材料及人工费7000元计算，表1 所列道岔一年减少开支7 000×44=30.8 万元。

表1 部分车站易脱轨道岔整治前后尖轨使用寿命比较表

6 计算分析结果

6.1 测试结果

(1)加固前后钢轨横向水平力

表2 是速度为17.0～18.3 km/h 时通过北股线路时实测的钢轨横向水平力平均值和最大值。表3 是速度为9.7～18.2 km/h时通过南股线路时实测的钢轨横向水平力平均值和最大值。

表2 北股线路钢轨横向水平力平均值和最大值

表3 南股线路钢轨横向水平力平均值和最大值

(2)加固前后脱轨系数

表4 是速度为17.0～18.3 km/h 时通过北股线路时实测的脱轨系数平均值和最大值。表5 是速度为9.7～18.2 km/h 时通过南股线路时实测的脱轨系数平均值和最大值。

表4 北股线路通过脱轨系数平均值和最大值

表5 南股线路脱轨系数平均值和最大值

6.2 结论

(1)测试的数据和列车溜放速度没有明显的相关性；

(2)采取整治措施后，轨距拉杆最大受力为13.0 kN，轨撑水平受力最大值为25.7 kN，故设置轨距拉杆和轨撑对保持轨道几何尺寸的稳定性是有明显效果的；

(3)整治后各项技术指标均得到了不同程度的改善与提高，因此整治效果明显；

(4)整治后脱轨系数均未超过0.8，与进行整治后至今再未发生事故的事实相吻合。