列车曲线脱轨原因分析及防范措施

鄢世林

（成都铁路局重庆职工培训基地，工程师，重庆 400030）

列车脱轨是一项长期困扰铁路行车安全的难题。列车脱轨后因强大的惯性，脱轨车辆被继续拖行或颠覆，致使车辆和线路遭到严重毁坏，事故现场混乱、复杂，加之开通线路是第一要务，救援起复工作争分夺秒，留给事故调查的空间和时间非常有限，因此，对产生事故的真正原因很难得到全面系统的分析。历年来，分析事故多用“排除法”，即对机车是否超速、货物装载是否超载或偏载、车辆旁承是否压死等进行逐项排除。这些原因要么很直观、很简单；要么因为脱轨车辆已遭到破坏，已无法检查出车辆的偏载和旁承的间隙。剩下的只有工务部门了，定责手段就是对脱轨地点前后一定长度范围（2007年7月前为100 m）的线路设备进行检查，在如此宽阔的范围内，只要有一处超过临时补修容许偏差管理值，工务部门就难逃其责。在列车脱轨事故中，工务部门往往显得很无奈。

列车经过很长线路的运行均未脱轨，而恰好在某处线路脱轨，确实说明该处线路可能有问题；但是该处线路通过了许多列车均未发生脱轨事故，唯独该趟列车脱轨，又可能说明该趟列车有问题。事实表明，列车脱轨事故的产生是各种不利因素综合作用的结果。为此，必须对影响脱轨系数的因素进行分析，以便针对性地采取措施。

1 曲线脱轨分析

列车脱轨一般有以下特点：一是在直线上列车脱轨的情况极少，列车脱轨基本上发生在圆曲线和缓和曲线上，其中在小半径曲线（R≤300 m）脱轨占整个脱轨事故的80%以上。二是脱轨车型多为平车、敞车和重心较高抗扭曲刚度较大的车辆，尤其空车居多。为此，首先应重点对曲线脱轨因素进行分析，且分析时应从轮轨之间的相互作用入手。

1.1 曲线脱轨条件与脱轨系数

1.1.1 曲线脱轨条件 当车轮轮缘贴靠曲线钢轨且轮轨一点接触时，车轮处于脱轨的临界状态，此时横向导向力Y 与车轮荷载Q 均作用在此点上。如图1所示。

图1 轮轨作用力分析图

车轮能否脱轨，要根据轮轨间的受力情况而定。通过轮缘与钢轨接触点并沿轮缘倾角线作基准线AB，若车轮在力的作用下沿AB 线上爬，必然使另一侧车轮落下轨面造成车轮曲线脱轨。若车轮在力的作用下沿AB线下滑，由于轨顶的支撑作用及另一侧车轮轮缘的顶推作用，车轮就不会脱轨。因此，进行脱轨分析时，首先应分析各种力在AB线上分力的关系，以确定脱轨条件是否成立。

由图1 可知，在轮轨之间的AB 滑动面上，可把横向力Y 和垂直轮重Q 分别分解成垂于AB 线的正压力和沿AB线的滑动力。根据力的平衡条件，要使车轮不沿AB线爬上钢轨造成脱轨，就必须满足下述条件：

Qsinβ-Ycosβ≥μ（Ysinβ+Qcosβ）

把上式进行适当变换后，车轮不脱轨的条件就成为

式中：Y为曲线轨道承受的横向力；

Q为垂直轮重；

ū为轮轨间的摩擦系数

β为车轮轮缘倾角，我国机车车轮β=70°，车辆车轮β=65°～68°。

1.1.2 脱轨系数及临界值 由式（2）可知，只要脱轨系数Y/Q小于或等于其临界限值K，车辆就不会在曲线脱轨。因此在研究曲线脱轨的原因与机理时，要对影响曲线脱轨的Y、Q、K这3种因素进行分析。

1.2 造成曲线脱轨的因素

1.2.1 横向力Y 横向力Y 与行车速度、曲线半径、转向架结构状态和曲线超高设置有关。

1）曲线半径。曲线半径越小，横向力Y就越大，因此小半径曲线列车脱轨的机率要大于大半径曲线。当曲线不圆顺时，意味着曲线上有的处所半径变大，有的处所半径变小。半径变小的曲线处横向力Y就会增大，必然会增加该处列车脱轨的危险。

2）列车运行超速。当列车运行速度超过机车车辆和线路容许值时，使列车的蛇形运动加剧，横向力Y 值增大。特别是施工慢行地段，当速度超过一定值时，易使轨距发生变化造成脱轨。

3）转向架结构状态。转向架的结构状态不同其横向力Y 也不同。为避免车辆严重侧倾，在车辆两侧车体与转向架上装有上下旁承。正常情况下上下旁承间应有空隙，静态空隙最小不少于4 mm，车辆运行时允许为2～20 mm。上下旁承之间无间隙时称为“旁承压死”。当车辆由于偏载或状态不良使其旁承压死时，车体与转向架刚性结合，车辆转向不灵活，在恶劣条件耦合时，不能转动自如地通过曲线，极易造成轮对脱轨。

4）风力。在风力较大地区，当风力正吹向曲线外侧时，就会加大Y值。

5）曲线超高。曲线原有超高不恰当，即曲线存在欠超高或过超高时也会影响Y 值，同时也影响垂直轮重Q，因此，对脱轨系数Y/Q的影响不大。例如当曲线欠超高时，横向力Y增大，但同时外轨承受的垂直轮重Q也增加，因而脱轨系数Y/Q变化不大；当曲线过超高时Y 和Q 都减小，Y/Q 值变化也不大，但要注意车轮减载带来的危险。英国铁路曾在曲线上有意造成225 mm、260 mm 和300 mm 的欠超高并测定脱轨系数Y/Q 的数值，结果上述3 种欠超高下的Y/Q 值均未超过限值。而美国铁路则进行过“过超高值”的试验，当曲线过超高为127～178 mm 时，发现车厢翻滚使车辆旁承一侧压死，造成车轮减载严重。而当过超高达381～419 mm 时车辆倾覆。因此，列车在曲线上运行时，欠、过超高严重并未增加脱轨系数，但会使车轮严重减载，存在脱轨危险。

1.2.2 垂直轮重Q 当列车在曲线上运行时，若货物向车辆后端或向曲线里侧偏载，将会使前转向架第一轴外轮减载，脱轨系数Y/Q 加大，增加脱轨危险性。若偏载严重致使车辆旁承压死，转向架不能自由回转，还会使Y值增大，更易导致曲线脱轨。

由脱轨条件可知，轮重Q 减小将使脱轨系数加大，增加脱轨危险。造成车轮减载的主要因素有：

1）车辆货物偏心装载。如果装载货物重心偏离车辆纵中心线的距离过大时，车辆一侧负荷过重，就有可能压死一侧旁承，影响车辆转向架通过曲线的转向，而另一侧车轮严重减载，脱轨系数和轮重减载率大大增加，最终导致列车脱轨。

2）货物装载超限。货物超载增大了列车运行过程中轮轨间的横向冲击力，增加了脱轨概率。容易超载的主要是散装货物，这是由于多数车站没有称重计量设备，装载散堆装货物依靠原始的以装载高度算体积，然后乘密度确定重量的方法。这种方法受客观条件的影响较大，如铁矿粉因含铁量的不同，以及不同选矿厂处理后含水率的不同，都会给货物密度造成较大影响。与此同时，铁路运营车辆的车体变形、侧板外涨等常见因素的存在，如果仍按装载高度来计算货物重量，将造成货物超载。

3）货物装载加固不良。装车站未严格按装载加固方案装车造成货物装载加固不良，以致货物在列车在运行中受到外力的影响，发生窜动、移位，造成货物偏载或倒塌、坠落，导致列车脱轨。

4）线路中存在超限“三角坑”时，一个转向架的4个车轮中有3个车轮正常压紧钢轨，另一个形成减载或悬空。如果恰好在这个车轮上出现较大的横向力，将引起脱轨事故。

5）缓和曲线处车轮减载。当转向架驶出圆曲线进入缓和曲线时，在圆缓（YH）点附近转向架前轴外轮将浮起，造成外轮减载（见图2）。当转向架全部轮对都处于缓和曲线上时，则浮起车轮不再是前轴外轮，而是后轴内轮，造成后轴外轮减载（见图3）。

图2 转向架驶出圆曲线进入缓和曲线时

图3 转向架全部轮对都处于缓和曲线上时

2 防止列车曲线脱轨的技术措施

如前所述，列车在曲线上脱轨是各种不利因素综合作用的结果。因此，在采取防止曲线脱轨的技术措施中也应全面考虑。

2.1 钢轨涂油 从影响脱轨系数临界值K 的因素分析，由式（1）可知，为减少曲线脱轨的可能性，不但应减少Y 值，加大Q 值，而且应注意加大K 值。K 值越大，则越不易脱轨。由K的定义可知

K是轮轨摩擦系数μ和轮缘倾角β的函数，可从μ和β 这2 方面来分析影响K 值的因素。轮轨间的摩擦系数μ值越小，脱轨系数的临界值K 值就越大，就越不易发生曲线脱轨事故。因此，曲线钢轨涂油减少其摩擦系数，不但可以减轻轮轨的磨损病害，而且可明显减少曲线脱轨的危险性，有利于行车安全。

2.1.1 安装机车曲线涂油器 条件许可时应安装机车曲线涂油器，减少轮轨摩擦系数，减缓曲线脱轨危险性。

2.1.2 人工涂油 小半径曲线上若机车不涂油，工务部门要组织人工进行涂油，以减少轮轨间的摩擦系数。

2.2 机车车辆方面应采取的防范措施

2.2.1 平稳操纵列车 司机应熟悉所牵引区段的线路平纵断面情况，严格按标准控制速度，提高平稳操纵技能，尽量减少紧急制动，特别是曲线区段。当列车行驶在下坡曲线上，各种条件都出现不利情况但尚未造成曲线脱轨时，若司机进行紧急制动刹车，列车往往会脱轨，特别当列车中部挂有空车和小车时，更易出现脱轨事故。因为这时会出现所谓“前堵后拥”现象，造成车轮减载和外轨轮轨横向作用力增加（见图4 所示）。因此，列车司机的正确操作对预防列车曲线脱轨也是至关重要的。

图4 列车在曲线或下坡紧急制动而出现“前堵后拥”

2.2.2 加强机车车辆走行部的维护 加强机车车辆走行部的检查与维修养护，保持转向架的良好状态，杜绝货车在正常装载情况下旁承压死的现象。

2.3 运输部门应采取的防范措施

2.3.1 杜绝货物严重偏心装载货物装载应按《铁路货物装载加固规则》“货物重心纵方向位移时，每个车辆转向架所承受的货物重量不得超过货车标记载重量的二分之一，并且2个转向架承受重量之差不得大于10 t；车辆横向偏载时，货物重心偏离车辆中心线的距离≤100 mm。”的要求装车。

2.3.2 合理进行列车编组 进行列车编组时，避免1 辆空车的前后均为成组重车和列车尾部挂1 辆空车的情况；回送的长大货物空车（基本记号为D）必须挂于列车尾部5辆之内；长车（换长≥1.7）必须成组，禁止长车夹短车。其目的是防止列车运行中互相发生严重冲撞。

2.4 工务部门应采取的防范措施

2.4.1 正确设置缓和曲线的超高顺坡 通常情况缓和曲线的超高顺坡率i≤1‰，困难条件下也应使i≤2‰。

2.4.2 保持线路良好的几何状态 对线路“三角坑”超限处所及时处理。

2.5 细化脱轨事故地点的检查测量范围

2.5.1 明确脱轨地点的线路设备检测范围 《铁路交通事故调查处理规则》第三十七条规定：“脱轨事故发生后，应对事故地点前后一定范围内的线路设备进行检查测量”。作者认为，“一定范围”是一个无起止界限的范围，可以一直检查到轨道有超过临时补修容许偏差管理值的地方为止，只要列车脱轨，工务部门都会担责，这对工务部门有失公平、公正。

2.5.2 细化涉及事故的机车车辆检测范围 《铁路交通事故调查处理规则》第三十七条规定：“脱轨事故发生后，对脱轨列车中有关的机车车辆进行检查测量”。作者经历过多起列车脱轨事故抢险救援工作，脱轨后的机车车辆一般都遭到了破坏，难以进行检查测量。这也应该像检查线路设备那样，检查脱轨车辆前后一定范围（10个车辆）货物装载和列车编组情况等，以此作为定责依据，只有这样才显出公平，才能让各个部门切实加强安全生产的责任心。

3 结束语

在曲线地段造成列车脱轨的原因很多，防范列车脱轨需要机务、车务、工务、电务、车辆相关部门抓好日常安全基础工作，要不断提高职工的业务素质和工作责任心；另一方面，要进一步提高设备质量和装备水平，充分发挥设备保安全的作用。