袁寶軍，鄒小魁

(1.中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006;2.中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北秦皇島 066205)

1 概述

道岔作為鐵路軌道的組成部分，主要引導(dǎo)機(jī)車車輛由一條線路進(jìn)入或越過另一條線路。隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，專業(yè)人員制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不斷地對道岔提出了更高的設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)及養(yǎng)護(hù)要求;而作為道岔的重要組成部分，轉(zhuǎn)轍器是引導(dǎo)列車沿正線方向或側(cè)線方向行駛的設(shè)備，轉(zhuǎn)轍器主要由2根基本軌、2根尖軌、間隔鐵，墊板以及其他零部件組成。較高的、良好的轉(zhuǎn)轍器狀態(tài)是改善列車運(yùn)營狀態(tài)的前提條件，而轉(zhuǎn)轍器良好的狀態(tài)主要由尖軌降低值、軌距、剛度、尖軌與基本軌的密貼等要素來保證。

尖軌降低值作為確保轉(zhuǎn)轍器良好狀態(tài)的因素之一，主要是對尖軌尖端、5 mm斷面、20 mm斷面、50 mm斷面以及整軌頭斷面降低值進(jìn)行控制，以形成尖軌的降低坡度，使得機(jī)車能夠順利地由基本軌轉(zhuǎn)移到尖軌上［1］。目前，除客專道岔外，以上尖軌各斷面的降低值已形成了固定的數(shù)值，同時(shí)通過了理論計(jì)算與實(shí)踐的驗(yàn)證。

在對尖軌降低值進(jìn)行檢測時(shí)，采用測量尖軌軌高來確保尖軌的降低值，且需要滿足《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔技術(shù)條件》中關(guān)于尖軌軌高的相關(guān)規(guī)定。對于尖軌軌高的測量，目前，存在2種測量基準(zhǔn)，以60AT鋼軌為例(以下討論全部為60AT鋼軌)，一種為尖軌軌頭寬度35.5 mm斷面之前，包括35.5 mm測量尖軌的最高點(diǎn)(圖1)，35.5 mm斷面之后測量從工作邊起至35.5 mm位置處對應(yīng)尖軌的高度(圖2)，以下論述稱為第一基準(zhǔn)。一種為全部測量尖軌最高點(diǎn)，以下論述稱為第二基準(zhǔn)。針對以上2種測量基準(zhǔn)，文章將分別討論比較這2種測量基準(zhǔn)的可行性以及適應(yīng)性。

圖1 以最高點(diǎn)測量軌高

圖2 以工作邊起至35.5 mm位置處測量軌高(單位:mm)

2 尖軌軌高測量基準(zhǔn)的評價(jià)指標(biāo)

尖軌的高度是影響軌道結(jié)構(gòu)振動與變形、列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性及軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量的重要參數(shù)。合理的尖軌高度不僅能保證列車安全、平穩(wěn)的運(yùn)行，還能有效減緩輪軌相互作用，減輕軌道結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力，保持軌道的幾何狀態(tài)良好，從而減輕養(yǎng)護(hù)維修工作量。

尖軌在20 mm斷面之前，不承受機(jī)車車輛荷載;尖軌在20 mm斷面至50 mm斷面之間，由基尖軌共同承受機(jī)車車輛荷載，尖軌在50 mm斷面之后，由尖軌單獨(dú)承受機(jī)車車輛荷載。尖軌軌高測量基準(zhǔn)是否合適，可由尖軌軌高之間的高差以及軌輪接觸關(guān)系得出機(jī)車車輛在垂直方向的位移來進(jìn)行衡量［9］。

3 計(jì)算的相關(guān)參數(shù)

尖軌降低值是通過成型刀進(jìn)行一次數(shù)控編程機(jī)加工的，常見的提速道岔、時(shí)速為200 km的“GLC”等道岔，所采用的成型刀由1∶4的傾斜直線、R13圓弧、R80圓弧、R300圓弧以及1∶80的傾斜直線組成的(中鐵寶橋和中鐵山橋采用該成型刀)，該成型刀輪廓如圖3所示。

圖3 成型刀輪廓

目前，機(jī)車車輛大多采用的是LM磨耗型車輪，該車輪踏面如圖4所示。該車輪踏面由2段曲線半徑為100、500 mm的正圓弧(圓心在車輪外側(cè))、一段半徑為220 mm反圓弧(圓心在車輪內(nèi)側(cè))和一段斜度為1∶8的直線相切而成［2］，設(shè)計(jì)較為合理。

圖4 磨耗型車輪踏面(單位:mm)

輪對內(nèi)側(cè)距和車輪踏面幾何形狀是影響行車安全性與運(yùn)行平穩(wěn)性的重要因素。輪對內(nèi)側(cè)距應(yīng)保證輪緣與鋼軌之間有一定的游間，以減少輪緣與鋼軌的磨耗，并實(shí)現(xiàn)輪對的自動調(diào)中作用，同時(shí)避免輪對兩側(cè)車輪直徑的允許公差要求過高，避免輪軌之間的過分滑動及偏磨現(xiàn)象。但是，從列車運(yùn)行品質(zhì)角度考慮，則要求有盡可能小的游間，以限制輪對蛇行運(yùn)動的振幅，防止間隙過大惡化車輛乘坐舒適度。我國鐵路系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)軌距為1 435 mm，輪緣厚度為32 mm、輪對內(nèi)側(cè)距為1 353 mm時(shí)，如果輪對中心與軌道中心在同一垂直平面內(nèi)，則計(jì)算得單側(cè)輪軌游間為9 mm［1］。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 2種測量基準(zhǔn)尖軌軌高之差

在測量尖軌高度時(shí)，以2種測量基準(zhǔn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行尖軌高度差值比較，無論是第一基準(zhǔn)還是第二基準(zhǔn)，尖軌軌頭寬度在35.5 mm斷面之間，2種測量基準(zhǔn)一致;尖軌軌頭寬度在35.5 mm斷面之后，2種測量基準(zhǔn)則存在著差異，以下取尖軌軌頭寬度40 mm斷面、50 mm斷面、60 mm斷面以及71 mm斷面4種特殊斷面軌高進(jìn)行計(jì)算比較，此處測量為尖軌的最高點(diǎn)時(shí)的軌高。通過計(jì)算得出2種不同基準(zhǔn)下軌高差值見表1。

表1 2種測量基準(zhǔn)下軌高差值 mm

由表1可知，2種不同的測量基準(zhǔn)，在尖軌斷面與理論值都一致的情況下，測量的軌高最高點(diǎn)處軌高值不同;尖軌軌高的最高點(diǎn)值不同，在于第一測量基準(zhǔn)為軌頭寬35.5 mm為尖軌的理論高度，觀察成型刀圖，該成型刀的輪廓曲線為一增長曲線，在軌頭寬大于35.5 mm之后，加工的尖軌輪廓也是一增長曲線，因此，當(dāng)采用第一測量基準(zhǔn)進(jìn)行測量時(shí)，尖軌總高則大于采用第二測量基準(zhǔn)。

2種測量基準(zhǔn)下軌高之差，隨著尖軌軌頭斷面寬度的增加而基本上呈線性增加，當(dāng)尖軌軌頭寬度為71 mm時(shí)，2種測量基準(zhǔn)下的尖軌軌高之差為0.300 3 mm，而標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵道道岔技術(shù)條件中的相關(guān)技術(shù)條款要求，在尖軌軌頭寬度大于50 mm斷面時(shí)，基本軌高的公差為±0.5 mm。以上為成型刀后端采用1∶80的傾斜計(jì)算出的差值;而成型刀后端采用1∶40的傾斜時(shí)，則71 mm斷面處尖軌軌高差為0.600 6 mm，這已經(jīng)超過了標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵道道岔技術(shù)條件±0.5 mm公差的要求［3］。若再考慮到機(jī)加工的誤差，采用1∶40的傾斜而超出公差0.5 mm的概率將大大增加。

4.2 輪軌游間9 mm時(shí)2種測量基準(zhǔn)下車輪垂向位移

LM磨耗型車輪踏面如圖4所示，這種車輪踏面是目前鐵路線路上應(yīng)用較為廣泛的一種車輪踏面，其具有一定的代表性，因此文章將選用該車輪踏面為研究對象。

在計(jì)算車輪垂向下移距離時(shí)，采用跡線法進(jìn)行計(jì)算，輪軌輪廓外形很多，當(dāng)不能采用簡單解析式表示時(shí)，可以用一系列離散的坐標(biāo)點(diǎn)來表示，然后再用數(shù)學(xué)方法找出一條擬合曲線來代表輪軌外形;在計(jì)算時(shí)，車輪上的接觸點(diǎn)與鋼軌上的接觸點(diǎn)應(yīng)具有相同的空間位置;輪軌接觸點(diǎn)處，車輪與鋼軌具有公切面;車輪與鋼軌的接觸區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)點(diǎn)或斑，即車輪踏面與鋼軌之間不存在共面或共線接觸情況;文章只討論輪軌接觸幾何關(guān)系在平面內(nèi)變化情況。

在計(jì)算分析時(shí)，取輪軌游間9 mm時(shí)，對2種測量基準(zhǔn)下車輪垂向位移相比較，計(jì)算結(jié)果見表2。該計(jì)算結(jié)果以車輪在正常的線路上運(yùn)行時(shí)，輪軌游間9 mm時(shí)，車輪的垂向位置作為比照點(diǎn)而進(jìn)行比較;當(dāng)車輪低于比照位置時(shí)，位移為正，高于比照位置時(shí)，位移為負(fù)，并且車輪與鋼軌都視為剛體，以下討論這2種假設(shè)不變，位移正負(fù)值標(biāo)準(zhǔn)不變。

表2 輪軌游間9 mm時(shí)2種測量基準(zhǔn)下車輪垂向位移mm

由表2可知，不考慮列車的蛇形運(yùn)動時(shí)，在不同的2種測量基準(zhǔn)下，車輪的垂向位移不同;在尖軌軌頭寬40 mm時(shí)，2種測量基準(zhǔn)下車輪垂向位移基本一致。而在尖軌軌頭寬50 mm斷面以后，2種測量基準(zhǔn)下，車輪的垂向位移相差較大，并且隨著尖軌軌頭斷面寬度的增加而急劇增加。

4.3 一側(cè)車輪與基本軌游間0 mm另一側(cè)車輪與尖軌游間18 mm時(shí)，2種測量基準(zhǔn)下尖軌一側(cè)車輪垂向位移

當(dāng)機(jī)車一側(cè)車輪與基本軌之間的游間為0 mm，另一側(cè)車輪與尖軌之間的游間為18 mm，采用基本軌一側(cè)車輪輪高位置做為比照點(diǎn)進(jìn)行比較，得出機(jī)車在2種測量基準(zhǔn)下尖軌一側(cè)車輪垂向位移如表3所示。

表3 2種測量基準(zhǔn)下尖軌一側(cè)車輪垂向位移 mm

由表3可知，一側(cè)車輪與基本軌游間0 mm另一側(cè)車輪與尖軌游間18 mm時(shí)，2種測量基準(zhǔn)下，尖軌一側(cè)向下位移基數(shù)值較大，而這個(gè)基數(shù)值最小時(shí)也已經(jīng)達(dá)到了1.978 mm;同時(shí)第一測量基準(zhǔn)下尖軌一側(cè)車輪的位移小于第二基準(zhǔn)下車輪的位移，最大位移變化量為0.302 mm。這說明，當(dāng)采用第二基準(zhǔn)測量尖軌軌高時(shí)，列車兩輪之間位置高差大，列車的垂向與橫向振動也比較大。

4.4 一側(cè)車輪與基本軌游間18 mm另一側(cè)車輪與尖軌游間0 mm時(shí)，2種測量基準(zhǔn)下尖軌一側(cè)車輪垂向位移

當(dāng)機(jī)車一側(cè)車輪與基本軌之間的游間為18 mm，另一側(cè)車輪與尖軌之間的游間為0 mm，采用基本軌一側(cè)車輪輪高位置做為比照點(diǎn)進(jìn)行比較，得出機(jī)車處在2種測量基準(zhǔn)下尖軌一側(cè)車輪垂向位移如表4所示。

表4 2種測量基準(zhǔn)下尖軌一側(cè)車輪垂向位移 mm

由表4可知，一側(cè)車輪與基本軌游間18 mm另一側(cè)車輪與尖軌游間0 mm時(shí)，在兩種測量基準(zhǔn)下，尖軌一側(cè)車輪向上的位移較大，向上移動的最大位移為1.833 mm;同時(shí)，第二測量基準(zhǔn)下尖軌一側(cè)向上的位移小于第一測量基準(zhǔn)下向上的位移，相對最大位移差為0.291 mm，與基礎(chǔ)的最大位移1.833 mm相比較，僅占有最大位移的16%，不起到關(guān)鍵作用。

5 結(jié)論與建議

通過對2種測量基準(zhǔn)下，尖軌軌高之間的高差以及軌輪接觸關(guān)系得出機(jī)車車輛在垂直方向的位移來進(jìn)行計(jì)算與分析，得出如下結(jié)論。

(1)2種測量基準(zhǔn)下，尖軌軌高之間存在著差異，當(dāng)采用第一測量基準(zhǔn)，現(xiàn)場測量不便，但是這種測量基準(zhǔn)，保證了尖軌理論高度。而采用第二測量基準(zhǔn)，則現(xiàn)場測量方便，卻保證不了尖軌的理論高度。

(2)當(dāng)采用第一測量基準(zhǔn)時(shí)且輪軌間隙為9 mm狀態(tài)時(shí)，車輪基本上沒有垂向位移;而采用第二測量基準(zhǔn)時(shí)，車輪的垂向最大位移為0.33 mm;在此狀態(tài)下，推薦采用第一測量基準(zhǔn)。

(3)當(dāng)車輪處于最不利狀態(tài)時(shí)，即一側(cè)輪軌游間為0 mm，另一側(cè)輪軌游間為18 mm兩種狀態(tài)，兩車輪之間的垂向相對位移值較大，可引起列車的垂向與橫向振動，增加養(yǎng)護(hù)維修量，加速軌道的損壞，需要盡可能避免此狀態(tài)發(fā)生。

(4)尖軌測量基準(zhǔn)是否合適，最終是要通過輪軌之間接觸關(guān)系來衡量，列車處于最不利狀態(tài)時(shí)其出現(xiàn)的概率相對較小，列車的運(yùn)行主要為蛇形運(yùn)動，一般情況下，列車以安全的速度通過，不能使其橫向振幅過大，而引起列車脫軌［4］。因此，可由列車以輪軌游間9 mm間隙時(shí)通過道岔所得的輪軌接觸點(diǎn)來決定尖軌軌高測量基準(zhǔn)的選取。當(dāng)輪軌游間9 mm時(shí)，采用第一測量基準(zhǔn)測量尖軌高度時(shí)，車輪垂向位移基本為0 mm，即列車垂向振動為最小。

確定尖軌軌高的測量基準(zhǔn)，可由尖軌軌高之間的高差以及軌輪接觸關(guān)系得出機(jī)車車輛在垂直方向的位移來進(jìn)行衡量，通過以上分析，當(dāng)采用第一測量基準(zhǔn)對尖軌進(jìn)行測量時(shí)，2個(gè)評價(jià)指標(biāo)均優(yōu)于采用第二測量基準(zhǔn)下的2個(gè)指標(biāo)，因此，在測量尖軌軌高時(shí)，推薦采用第一測量基準(zhǔn)。

道岔已向著重載化，高速化的方向發(fā)展，而作為道岔中的關(guān)鍵零件，尖軌起著至關(guān)重要的作用;尖軌軌高的測量基準(zhǔn)是否準(zhǔn)確與合理，將影響列車運(yùn)行的平穩(wěn)性、安全性與舒適性、道岔的養(yǎng)護(hù)維修工作量以及道岔的使用壽命;因此，進(jìn)一步研究尖軌軌高測量基準(zhǔn)，對進(jìn)一步深刻理解尖軌降低值的選取以及輪軌之間的接觸關(guān)系將是十分有益的。

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