轨道不平顺的探索与复合不平顺的研究

孙艳英

(河北轨道运输职业技术学院 城市轨道交通系，河北 石家庄 052165)

轨道结构的平顺性影响着车轮、钢轨之间的关系，轨道结构平顺与否决定着轨道的质量状态，平顺性与否是表明轨道载荷水平和整体水平的指标，是维修部门落实维保计划的依据。为了确保列车运行的舒适性、安全性和平稳性，轨道结构应保证能提供较高平顺性的基础。

由于轨道结构是由多种设备组合的以及轨道结构承受载荷是不确定的且具有反复性，导致线路产生各种病害，轨道几何形位发生改变，导致了轨道不平顺现象的发生。

1 轨道不平顺

轨道不平顺是钢轨的实时位置与设计位置之间形成了偏移量，侧面反映出其他零部件的状态发生了变化。轨道不平顺将加剧车轮和钢轨之间的磨耗，列车振动频繁，环境噪声加剧，设备使用寿命降低，维修费用及成本增加，严重时将发生行车事故，所以，高平顺性是线路应该具备的基本特征。

1.1 轨道不平顺种类

轨道不平顺的种类多种多样，可按照四种情况对其进行分类，如图1所示。

图1 轨道不平顺类型

(1)按对列车的激扰方向分

按对列车的激扰方向有横向、竖向和复合轨道不平顺。其中横向不平顺主要有轨向、轨距不平顺；竖向轨道不平顺有短波、中波和长波不平顺。轨面不平顺是轨头面小幅度的变化，常见的是由轨面裂纹、轨缝高低、轨缝不均匀及轨面不均匀磨耗等带来的。水平不平顺是由左右两根钢轨载荷有差别或轨道结构强度不一致导致的。高低中波不平顺是由线路结构上下起伏、横向位移、轨枕间隔不均匀、线路竖向刚度有差异、线路施工过程中的高程偏差、线路的暗坑、吊板等带来的。

(2)按轨道不平顺波长进行分类

轨道不平顺的波长由1 cm以上不同范围组成，按照长度的不同，轨道不平顺有短波、中波和长波不平顺三种，通常由1～150 m的波长范围组成，每种都有波长范围及幅值范围之分，如表1所示。短波不平顺会对经济、动作用力及环境产生影响，影响行车安全性、平稳性的短波不平顺主要集中在30～1 000 mm的波长范围内；中波不平顺是由于在制作钢轨时产生的周期波，钢轨使用后产生的不均匀变形，道床的残余变形，钢轨接头位置的周期波等原因形成的，它对经济、动作用力、环境、舒适度、安全都有影响；长波不平顺一般由线路沉降起伏，线路铺设有误差引起的，对舒适度有一定的影响。

表1 按波长划分的轨道不平顺

(3)按形状特征

分为余弦形、正弦形、指数衰减形、台阶形、三角形、S弯形和谐振波形，如表2。其中，A为不平顺幅值，C为不平顺波长，C1、C2为系数。

表2 按形状特征分不平顺类型及公式

(4)按照轨道是否承受载荷

有静态、动态不平顺两种。

静态不平顺是在无轮载情况下，由人工测量(使用轨距尺、弦线)或使用轻型仪器(轨检仪)检测得到的，轨检仪操作简单、使用方便，是常用的一种静态检查设备，随着检查仪在钢轨上移动，测量结果能实时的记录并显示。

动态不平顺是在有载荷情况下，轨道沿长度方向上呈现不均匀的弹性下沉，对行车安全有威胁、产生车辆振动，一般通过轨检车进行检测。由于钢轨存在刚度，短距离内不能随着道床的不均匀变形而发生形变，静态不平顺检测准确性、真实性较差，所以对不平顺的养护维修管理办法通常都是动态检测。

使用轨检车进行检测，可以准确掌握车辆在载荷作用下几何形位的变化及轨道质量指标，实时分析检测结果，若有指标严重不符合标准值时，及时进行养护维修工作，及时掌握轮轨作用力、行车安全和车辆振动情况，及时消除影响行车安全的隐患。新型轨检车除了对几何形位进行检测外，还可以对钢轨裂纹、钢轨内部折断、轨底坡、钢轨表明磨损、线路断面及线路状态等进行监视。通过对这些参数的分析可以清晰地掌握到线路的实时状态，对线路维修保养工作起到一定的借鉴与指导意义。

经验表明，动静态不平顺的幅值不符合函数关系，同一区段静态不平顺与动态不平顺测定的结果有一定的偏差，该偏差与很多因素有关：与路基、道床的捣固有关，与设备的状态有关；偏差和动态不平顺的幅值成正比；轨道结构不同，轨道不平顺类型不同；整体道床地段的动静态不平顺偏差较小；病害整治作业的质量与偏差成反比；新建成的线路或刚刚经过大修作业的线路，偏差较小；存在吊板的轨道，偏差较为明显。

1.2 轨道不平顺形成原因及影响

(1)轨距不平顺

轨距检测点是在钢轨轨头下16 mm处测得的两根钢轨作用边间长度，如图2所示。我国线路直线标准轨距是1 435 mm。

轨距不平顺是左右两根钢轨的轨距沿纵向相对于标准值的偏差，即轨距过大或过小。由于列车长期不间断的运行，导致轨道出现各种病害，如钢轨作用边磨损超限、内部裂缝等将使轨距值变大，如轨道维修过程不当将使轨距值变小。

表3 轨道不平顺的主要影响

图2 轨距测量

影响轨距不平顺的主要原因有：列车运行在小半径曲线地段时惯性增加，轨距可能增大；道岔地段以及连接零件处要经常涂抹润滑油，油垢与污垢相混合后导致此地段轨距变小；当一根钢轨下路基有沉降，动作用力造成轨距增加；扣件失效、轨枕连续失效、轨枕挡板有误等都会导致轨距变大。

轨距太大将使车轮偏离一侧钢轨，挤压另一侧钢轨，导致轮轨间横向作用力增大，降低列车在运行过程中的平稳性，严重影响设备的使用寿命，严重时可能脱轨。如图3所示，左右两个钢轨最小距离d

图3 轨距不平顺

(2)轨向不平顺

轨向检测是测量与线路中心线方向垂直的轨距点相对于轨距中心点的偏差，分别对左股和右股进行检测，如图4所示。在定弦长检测时，每10 m或5 m为一个测量点，定弦长20 m或10 m，测量弦的垂线与曲线段圆弧的交点到垂线垂足之间的最大距离称为最大矢距。在线路维护时，直线段要求10 m弦最大矢距在5 mm内，曲线段要求20 m弦最大矢距在5 mm内。

图4 轨向检测

轨向不平顺指的是钢轨作用边在纵向的横向弯曲现象，有左股、右股轨向不平顺两种，如图5。

图5 轨向不平顺

轨向不平顺形成的主要原因：轨头侧面磨耗不均匀，铺设线路过程中有一定弯曲度和实际使用过程中弯曲变形，工务段在维护时病害的整治工作不到位，扣件扣压力不足，轨道结构的刚度、强度不均匀，曲线半径变化，线路横向纵向变形严重，线路中心线产生偏移等。

轨向不平顺将加剧车轮的横向运动，加快列车左右摆动，可能发生侧翻事故，即在水平方向上造成列车车体振动加速度的突然改变，对列车平稳度和舒适度产生较大影响，加速线路结构变形。

(3)高低不平顺

高低不平顺指的是一股钢轨顶面竖向凹凸不平的现象，其值为在垂直方向实测值与设计值之间的差值。由于左股钢轨和右股钢轨形变有可能不一致，所以有左股、右股高低不平顺之分。

高低不平顺的形成原因有钢轨顶面凹凸不平、轨枕与道床间有间隙、中间连接零件的扣压力不足、中间连接零件与轨枕间有间隙、线路结构的残余变形、减振垫层弹性不均匀等。

高低不平顺能引起列车竖向振动、上下起伏剧烈，列车运行中的稳定性能，使列车出现点头、波动沉浮等现象，在竖直方向上造成列车车体振动加速度的突然改变，轮轨间产生极大的竖向作用力，对道床的阻力有影响，可能导致无缝线路胀轨跑道，钢轨的受力不均匀，可能导致脱轨事故，加剧了列车对轨道设备的冲击和磨损，从而加剧轨道设备的破损和寿命降低。

(4)水平不平顺

水平检测是直线地段测量左右两根钢轨轨头面的高度差，超高检测是曲线地段外侧钢轨与内侧钢轨间高度差是否符合标准的测量。

水平不平顺是直线地段左右两根钢轨轨头面在其水平面上的高差不平的现象，是由高低不平顺派生出来的。

水平不平顺的原因有：左右两股钢轨的上下起伏不均匀，道床的弹性变形不一致，某股钢轨轨下基础有变形，存在吊板等现象所致。水平不平顺常发生在以下地段：轨头接缝处，曲线地段起终点处，道床地段起终点处，桥梁轨道等，对这些地段工务部门要重点加强维保。

直线地段水平不平顺将使列车产生左右晃动，左右两股钢轨的载荷存在差异，严重时可能导致脱轨事故的发生；曲线地段如果外轨超高太小，极易导致外侧车轮脱离轨道，如果太大，极易导致内侧车轮脱离轨道。

(5)三角坑不平顺

三角坑不平顺是左右两根钢轨在水平面上的扭曲现象，是轨道一定长度内水平不平顺的变化量，通过计算两个断面水平的代数差来度量。

三角坑不平顺的原因有：轨道结构空吊、暗坑等。

三角坑不平顺将出现转向架上三个车轮与钢轨产生应力，另一个车轮悬浮的现象，脱轨系数增加，可能导致列车侧翻、脱轨事故的发生，三角坑不平顺将严重制约车轮与钢轨间的动作用力。

2 复合不平顺的影响研究

复合不平顺是在同一断面处或某一长度范围内，同时出现竖向和横向两种不平顺的情形。复合不平顺对轮轨动力学关系的危害、给行车安全带来的影响比单一不平顺要严重。某年，某地铁公司列车在行驶到道岔地段时发生脱轨事故，后续调查表明，该地段单一不平顺均符合要求，是复合不平顺导致列车发生脱轨事故的。

2.1 高低/轨向复合不平顺

(1)高低/轨向复合不平顺模拟

由于曲线地段各种不利因素的影响，所以在仿真模拟时只讨论直线线路的高低/轨向复合不平顺。

因为在轨道几何不平顺的静态和动态检测时，通常使用一定距离内的几何偏差来衡量，所以，高低/轨向复合不平顺采取单一谐波来表示。

高低和轨向单一不平顺可用公式(1)模拟

Z=a(1-cosωt)/2

(1)

式中:a为不平顺幅值；t为车辆运行时间；ω= 2πv/L，其中，v为行车速度；L为不平顺波长，本文分析范围为5～80 m。

(2)波长的影响

分析高低/轨向复合不平顺幅值为8 mm，波长为5 m、10 m、40 m、80 m，不同的波长对列车轮轨动力作用效果不同。若波长由5 m变到10 m，动力学指标值均变大，变化率最明显的是轮重减载率，其值为62.3%，最小为脱轨系数2.6%；若波长由10 m变到40 m时，动力学指标值均变小，变化率最为显著的是垂向、横向加速度，其下降率分别为94%、79%；若波长由40 m变化到80 m，轮重减载率变化较为明显。从以上分析结果得出，高低/轨向复合不平顺在幅值固定的条件时，波长≤10 m时动力学指标与波长成正比，波长>10 m时与波长成反比，所以波长在10 m时动力学指标值最大。

(3)幅值影响

根据对波长的影响分析，最不利波长为10 m，高低/轨向复合不平顺幅值在0～16 mm之间选取，可以得出幅值与动作用力间的关系。假使轨向和高低不平顺幅值在0、8 mm、12 mm、16 mm之间任意取值，可以得出列车动力学指标最大值间表4。

高低/轨向复合不平顺的幅值对动力学指标的影响存在部分差异，高低不平顺幅值变化对轮重减载率等的制约较强，而轨向不平顺幅值变化对脱轨系数、横向力等指标的制约较强。

表4 动力学指标最大值

2.2 轨向/水平逆向位复合不平顺

车体垂向、水平加速度是评价列车运行安全的主要元素，这2个指标达到极限值时，垂向加速度将使列车在运行中上下颠簸，水平加速度将使列车左右摇摆。相关研究技术指出，水平加速度不符合标准的原因主要有车辆自身因素和轨向/水平复合不平顺。部分轨道公司工务部门在维修标准中明确了两个加速度值的极限，然而没有详细列明与其对应的轨道不平顺项目及控制参数。

根据轨道维保经验以及相关数据统计，轨向、水平单项不平顺符合标准，但是轨向/水平逆向位复合不平顺现象比较常见，但是超限值不大，水平加速度大多数都符合标准。因此，轨向/水平逆向位复合不平顺对低速运行的列车影响极小，但是对于高速运行的列车及其相应路段，要格外引起重视，注意及时整治。这也说明，轨向/水平逆向位复合不平顺是允许的，但是必须适当的控制。所以，务必要规定标准范围，明确与水平、垂直加速度相对应的动态轨向/水平逆向位复合不平顺允许值，这样也能对线路维修保养起到借鉴性作用，这样也便于将静态与动态几何尺寸限值完美地结合起来。

总之，轨向/水平逆向位复合不平顺将给行车带来一定的影响，影响车轮及线路设备的使用寿命，在平时维保作业中要格外重视，及时消除病害。检查线路时，工人要养成随身携带弦线的习惯，在测量几何形位尺寸时，要采取正确方法，不断提高检测水平，将检测误差降到最低。

3 总 结

轨道结构的不平顺将使车轮、钢轨之间产生激扰源，将增加振动和动作用力，增加轨道结构的振动，降低列车运行的平稳性、舒适性，增加噪声的影响，缩短设备的使用寿命，严重时将影响列车运行安全，对乘客安全有威胁。

对轨道不平顺的种类、形成原因及影响进行了探索。重点对复合不平顺的情况进行研究，包括高低/轨向复合不平顺模拟、幅值影响及波长的影响，对高低/轨向不平顺和轨向/水平逆向位复合不平顺的影响进行了研究。研究表明，某一地段若存在多种不同类型的不平顺时，车轮与钢轨之间的作用力剧变，行车安全性瞬间下降到极值。所以，线路复合不平顺的研究具有现实意义与深远意义。