王樹國，王 猛，司道林，葛 晶

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

曲線尖軌線型對其磨耗特性影響的研究

王樹國，王 猛，司道林，葛 晶

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

為解決曲線尖軌使用壽命短的技術(shù)難題，研究并實踐了直曲組合型曲線尖軌技術(shù)。新尖軌采用相離半切線型，前端直線段長度為5 439 mm，是原曲線尖軌前端直線段長度的2倍。重載車輛—道岔動力學(xué)仿真計算結(jié)果表明，該設(shè)計可顯著減小列車順向出岔時作用在尖軌前端的橫向力及磨耗指標(biāo)，從而改變尖軌磨耗特性，延長尖軌使用壽命。尖軌磨耗和壽命觀測試驗表明:新尖軌最大磨耗發(fā)生在尖軌寬60～70 mm斷面，使用壽命是傳統(tǒng)曲線尖軌的3～4倍，表現(xiàn)出和傳統(tǒng)曲線尖軌不同的磨耗特性。

道岔 曲線尖軌 磨耗特性 服役壽命

隨著既有客貨混運鐵路和重載鐵路軸重和運量的增加，道岔及其核心部件傷損嚴(yán)重，特別是尖軌和固定型轍叉服役壽命短，更換頻繁［1］。為延長尖軌及轍叉服役壽命，在材料方面，采用貝氏體鋼制造了尖軌和轍叉，并進(jìn)行了實踐［2-5］;在結(jié)構(gòu)方面，國外開發(fā)了轉(zhuǎn)轍器KGO技術(shù)，以部分修正車輪運行軌跡，減輕對尖軌的磨耗［6-7］，國內(nèi)研發(fā)并實踐了尖軌和心軌加寬技術(shù)，并對重載道岔的剛度均勻化進(jìn)行了探索［8-10］。本文研究曲線尖軌線型對其磨耗特性的影響，通過曲線尖軌線形優(yōu)化改變其磨耗特性，從而延長使用壽命。

1 傳統(tǒng)道岔曲線尖軌磨耗特性分析

由于道岔導(dǎo)曲線半徑較小且不設(shè)超高，道岔曲線尖軌承受著較大的輪軌力作用，重載列車作用下，曲線尖軌的傷損較直尖軌嚴(yán)重，曲線尖軌傷損主要表現(xiàn)為磨耗過快和剝離掉塊。曲線尖軌磨耗嚴(yán)重區(qū)段發(fā)生在尖軌實際尖端至軌頭寬30 mm斷面，自30 mm斷面向后磨耗逐漸減小。由于曲線尖軌前端1 m范圍內(nèi)軌頭截面小，車輪橫向力大，常常產(chǎn)生圖1所示的剝離掉塊現(xiàn)象。12號道岔曲線尖軌使用壽命一般為1 000～4 000萬t。

圖1 12號道岔曲線尖軌尖端磨耗與掉塊

圖2 12號道岔曲線尖軌軌頭寬度與側(cè)面磨耗沿尖軌長度的變化

使用Miniprof測試分析了服役壽命到限的重載道岔曲線尖軌磨耗特性，尖軌軌頭寬度和側(cè)面磨耗沿尖軌長度的變化如圖2所示。

由圖2可見，尖軌的最大側(cè)面磨耗發(fā)生在尖軌前端，尖軌軌頭寬5 mm至軌頭寬20 mm處側(cè)面磨耗最大，其中5 mm斷面和10 mm斷面軌頭側(cè)面磨耗100%，20 mm斷面?zhèn)让婺ズ?5%，自20 mm斷面至35 mm斷面尖軌側(cè)面磨耗逐漸減小，至50 mm斷面尖軌側(cè)面磨耗降至1.0 mm。尖軌側(cè)面磨耗最大值發(fā)生在尖軌最薄弱區(qū)段，導(dǎo)致尖軌尖端磨耗殆盡或產(chǎn)生掉塊而下道，嚴(yán)重影響了其使用壽命。

產(chǎn)生上述磨耗現(xiàn)象的原因有:①列車逆向進(jìn)入道岔側(cè)線時，存在對尖軌尖端的沖擊作用;②列車順向駛出道岔側(cè)線時，尖軌起導(dǎo)向作用，橫向力大，磨耗指數(shù)高;③輪載轉(zhuǎn)移發(fā)生在尖軌前端，車輪對尖軌的橫向作用較其他部位大，側(cè)面磨耗嚴(yán)重。

對既有道岔曲線尖軌磨耗特性的分析表明，應(yīng)通過優(yōu)化曲線尖軌線型將產(chǎn)生最大磨耗的位置后移至尖軌軌頭較寬區(qū)段，以減少甚至完全避免曲線尖軌尖端的過度磨耗及掉塊。

2 曲線尖軌平面線型選擇與優(yōu)化設(shè)計

2.1 尖軌平面線型選擇

單開道岔側(cè)線尖軌有直線尖軌、切線型曲線尖軌、半切線型曲線尖軌、相離半切線型曲線尖軌、割線型曲線尖軌、半割線型曲線尖軌6種結(jié)構(gòu)形式。直線尖軌跟端為活接頭，一般應(yīng)用于號碼較小道岔或速度較低的有縫鐵路。車輪順向通過道岔時，直線尖軌的磨耗小于曲線尖軌，因此直線尖軌具有壽命長的特點。割線型和半割線型曲線尖軌可以縮短尖軌長度，從而縮短道岔長度，但由于沖擊角大，列車逆向進(jìn)入道岔側(cè)線時動能損失大，容易晃車，在號碼≥12號的正線道岔極少采用。切線型、半切線型、相離半切線型為曲線尖軌常用的3種結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)特征分別如圖3(a)～圖3(c)所示。

如圖3(a)所示的切線型曲線尖軌，其半徑為Rw的圓曲線理論起點與基本軌工作邊相切。在實際應(yīng)用中，為了縮短尖軌長度和加寬尖軌尖端，在尖軌軌頭寬bq=2～5 mm斷面前取用一段長100～300 mm的直線段，該直線段與圓曲線不相切，和基本軌工作邊相交。如圖3(b)所示的半切線型曲線尖軌，其半徑為Rw的圓曲線理論起點與基本軌工作邊相切。在實際應(yīng)用中，在尖軌軌頭寬bq=10～40 mm處作圓曲線切線，直線段長度L遠(yuǎn)大于切線型曲線尖軌。bq的取值應(yīng)滿足使車輪逆向進(jìn)入道岔側(cè)向時尖軌沖擊角βc小于等于容許值，或者說動能損失ω小于等于允許值，因此尖軌前端的直線段長度L有限。如圖3(c)所示的相離半切線型曲線尖軌，半徑為Rw的圓曲線理論起點與基本軌工作邊不相切。離開的距離為f。在尖軌軌頭寬bq=20～71 mm處作圓曲線切線，由于可以調(diào)整相離值f，直線段長度L可遠(yuǎn)大于半切線型曲線尖軌。

根據(jù)實踐經(jīng)驗和重載車輛—道岔動力學(xué)理論，圖3(d)所示的直線型尖軌使用壽命最長，但在轉(zhuǎn)轍角一定時，這種尖軌最長，尖軌變長導(dǎo)致道岔全長增加。對于圖3(e)所示的切線型曲線尖軌，車輛逆向進(jìn)入道岔側(cè)線時，輪軌動力作用最小，行車最平穩(wěn)，但運營實踐證明這種尖軌不耐磨，壽命短。因此我國道岔大部分采用半切線型曲線尖軌和相離半切線型曲線尖軌。本文擬探索一種如圖3(f)所示的新型“直曲組合型”曲線尖軌，該尖軌前部為直線，后部為曲線，直線段長度超過尖軌總長的1/3。“直曲組合型”曲線尖軌將直線尖軌耐磨的優(yōu)點與曲線尖軌彈性可彎及縮短道岔長度的優(yōu)點結(jié)合起來。該尖軌采用如圖3(c)所示的相離半切線型，通過增大相離量，顯著延長尖軌前端直線段長度，使之呈現(xiàn)曲線尖軌前端是直線，后部為曲線的結(jié)構(gòu)特征。

圖3 單開道岔側(cè)線尖軌結(jié)構(gòu)形式

2.2 曲線尖軌平面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

重載鐵路常用12號固定型轍叉單開道岔導(dǎo)曲線半徑一般為350～400 m，側(cè)向通過速度一般為40～50 km/h。道岔前長、后長、全長分別為16.592，21.208和37.8 m。為便于和新型道岔比較，選取采用半切線型的既有12號道岔為比較對象。該道岔導(dǎo)曲線半徑為400 m，采用如圖4(a)和表1所示的半切線型曲線尖軌，尖軌前端直線段長度為2 619 mm，尖軌最大磨耗和掉塊發(fā)生在尖軌前端薄弱部位(參見圖1和圖2)。

為改變尖軌磨耗特性，設(shè)計了新型12號固定型轍叉單開道岔。該道岔導(dǎo)曲線半徑為350 m，采用圖4(b)和表1所示的相離半切線型曲線尖軌，相離值為40.8 mm，在軌頭寬度66.8 mm處做斜切線，尖軌直線段長度為5 439 mm，超過了尖軌總長度的1/3。

圖4 12號道岔尖軌線型優(yōu)化(單位:mm)

表1 12號固定型轍叉單開道岔曲線尖軌線型與尖軌尖端結(jié)構(gòu)方案對比

3 30t軸重貨物列車過岔動力學(xué)響應(yīng)

3.1 仿真模型的建立與參數(shù)選取

運用多體動力學(xué)分析軟件NUCARS建立我國30 t軸重貨車—道岔動力學(xué)模型，通過計算輪軌橫移、輪對沖角、踏面磨耗等動力學(xué)指標(biāo)，就平面線型對尖軌磨耗特性的影響進(jìn)行計算分析。

車輛模型由車體、側(cè)架、搖枕、輪對組成;車體考慮橫移、沉浮、側(cè)滾、點頭和搖頭5個自由度;搖枕考慮橫移、沉浮、側(cè)滾、搖頭4個自由度;側(cè)架考慮縱向、橫移、沉浮、點頭、搖頭5個自由度;輪對考慮橫移、沉浮、側(cè)滾、搖頭4個自由度。因此，車輛模型共有5+2×4+ 4×5+4×4=49個自由度。將搖枕和車體之間的心盤連接考慮成一個回轉(zhuǎn)摩擦副;側(cè)架和搖枕間考慮了搖枕彈簧的垂向、橫向和縱向剛度，摩擦楔塊考慮成雙向摩擦副，軸箱懸掛縱向和橫向用彈簧阻尼單元模擬，豎向由兩個摩擦副模擬。

本文采用NUCARS新型滲透接觸模型代替了既有的剛性接觸模型。在該輪軌接觸模型中，輪軌接觸幾何關(guān)系的計算是在每一個積分步中實時計算輪軌接觸參數(shù)，由此可準(zhǔn)確搜索由于尖軌高度變化而導(dǎo)致的接觸點變化。

12號道岔尖軌采用傳統(tǒng)線型和新線型時，尖軌軌頭寬度與降低值特征如圖5所示。

圖5 12號道岔尖軌軌頭寬度與降低值

3.2 列車逆向通過道岔側(cè)線的仿真計算

當(dāng)車輛逆向通過一組右開道岔側(cè)線時，運用建立的重載車輛—道岔模型對不同尖軌線型方案進(jìn)行了仿真計算，第1轉(zhuǎn)向架第1輪對的輪對橫移、輪對沖角、踏面磨耗、輪緣磨耗、橫向力及垂向力如圖6所示。輪對橫移以指向運行方向左側(cè)為正，輪軌橫向力(鋼軌作用于車輪)以指向運行方向左側(cè)為正(下同)。走行距離50 m處為尖軌實際尖端。

由圖6可得到如下結(jié)論:

圖6 列車逆向通過道岔側(cè)線動力學(xué)指標(biāo)計算結(jié)果

1)由于傳統(tǒng)線型和新線型尖軌沖擊角分別為0.746 4°和0.697 7°，因此車輛進(jìn)入尖軌時，傳統(tǒng)線型的各項動力學(xué)指標(biāo)最大，新線型的各項動力學(xué)指標(biāo)最小，但各方案間差別較小。

2)新線型方案尖軌前端直線段最長，車輛在進(jìn)入尖軌并產(chǎn)生沖擊后，圖6(a)所示的輪對橫移迅速減小，圖6(b)所示的輪對沖角、圖6(e)所示的第1軸左側(cè)橫向力及圖6(f)所示的第1軸左側(cè)垂向力均迅速減小，從而使圖6(c)所示的左輪踏面磨耗和圖6(d)所示的左輪輪緣磨耗減小。

圖7 列車順向通過道岔側(cè)線動力學(xué)指標(biāo)計算結(jié)果

3.3 列車順向通過道岔側(cè)線仿真計算

當(dāng)車輛順向通過一組左開道岔側(cè)線時，不同尖軌線型方案對應(yīng)的動力學(xué)指標(biāo)如圖7所示。走行距離80 m處為尖軌刨切起點，該處軌頭寬度為71 mm，80 m前為導(dǎo)曲線。傳統(tǒng)線型和新線型尖軌實際尖端分別位于84.782和85.671 m處。

由圖7可得到如下結(jié)論:

1)新線型方案尖軌前端直線段長，車輛由導(dǎo)曲線進(jìn)入尖軌前端直線段后，車輪不再貼靠左側(cè)尖軌運行，圖7(a)所示的輪對橫移逐漸減小，左側(cè)車輪輪緣和尖軌作用邊不接觸。圖7(b)所示的輪軌沖角、圖7(e)所示的第1軸左側(cè)橫向力均迅速減小，圖7(f)所示的第1軸左側(cè)垂向力有所減小，從而使圖7(c)所示的左輪踏面磨耗大幅減小，不產(chǎn)生圖7(d)所示的左輪輪緣磨耗。

2)對于傳統(tǒng)線型，圖7(a)所示的輪軌橫移繼續(xù)增大，左側(cè)車輪貼靠尖軌前端。圖7(b)所示的輪軌沖角繼續(xù)增大，圖7(e)所示的第1軸左側(cè)橫向力在尖軌尖端大幅增加，圖7(f)所示的第1軸左側(cè)垂向力有所增加，從而使圖7(c)所示的左輪踏面磨耗大幅增加，并且產(chǎn)生圖7(d)所示的左輪輪緣磨耗。圖7(d)表明，對于傳統(tǒng)線型，第1軸左輪輪緣磨耗在運行距離84～85 m處達(dá)到峰值，而該處位于尖軌尖端，易造成尖軌尖端薄弱斷面磨耗到限而下道，影響尖軌整體使用壽命和行車安全。該仿真結(jié)果能夠客觀解釋現(xiàn)場尖軌尖端的異常磨耗和掉塊。

3)相較于傳統(tǒng)線型，采用新線型的曲線尖軌用于順向出岔時，頂面磨耗大幅降低，不產(chǎn)生側(cè)面磨耗，因此使用壽命可顯著延長。

4 曲線尖軌磨耗特性試驗研究

在大秦鐵路遷安北站17號岔位對采用新線型的曲線尖軌進(jìn)行了磨耗試驗，該岔位12號道岔原采用SC559型12號道岔，曲線尖軌平均使用壽命為40～60 d，通過總重為1 400～2 100萬t，新型曲線尖軌共使用241 d，側(cè)向通過總重為8 600萬t，使用壽命是原SC559曲線尖軌的4倍。

新型曲線尖軌的側(cè)面、垂直和軌角磨耗如圖8所示，新尖軌和傳統(tǒng)尖軌沿尖軌縱向的側(cè)面磨耗對比如圖9所示。由圖8和圖9可見，新型曲線尖軌的磨耗特性發(fā)生了顯著變化，尖軌產(chǎn)生最大側(cè)面磨耗的斷面顯著后移，由傳統(tǒng)道岔曲線尖軌實際尖端至35 mm斷面，后移至距尖軌尖端5～6 m的60～70 mm斷面。曲線尖軌產(chǎn)生最大側(cè)面磨耗位置的軌頭寬度大大增加，完全避免了整個軌頭被全部磨耗掉或產(chǎn)生掉塊，在顯著延長了尖軌使用壽命的同時，消除了尖軌尖端掉塊帶來的行車安全隱患。

圖8 75 kg/m鋼軌12號道岔曲線尖軌磨耗特性

圖9 75 kg/m鋼軌12號道岔傳統(tǒng)線型和新線型曲線尖軌磨耗特性

5 結(jié)論

1)提出了一種“直曲組合型”曲線尖軌線型。對于12號道岔，該尖軌前端直線段長度達(dá)5 439 mm，超過尖軌總長的1/3。該技術(shù)通過采用相離半切線型并增大相離值實現(xiàn)。

2)重載車輛—道岔動力學(xué)仿真數(shù)據(jù)表明，該設(shè)計可顯著減小列車順向通過道岔時作用在尖軌前端的橫向力及磨耗指標(biāo)，從而改變尖軌磨耗特性，延長尖軌使用壽命。

3)長期磨耗測試數(shù)據(jù)表明，尖軌產(chǎn)生最大側(cè)面磨耗的位置顯著后移，由傳統(tǒng)道岔曲線尖軌實際尖端至35 mm斷面，后移至距尖軌尖端5～6 m的60～70 mm斷面，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)曲線尖軌不同的磨耗特性。新尖軌使用壽命是傳統(tǒng)曲線尖軌的3～4倍，顯著延長了曲線尖軌的使用壽命。

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Research on influence of curve-type of switch rail on its wearing characteristics

WANG Shuguo，WANG Meng，SI Daolin，GE Jing
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

In order to solve the short service life of traditional curved switch rail，a new curved switch rail with straight-curved combination layout is studied and tested.The new switch rail applies an offset and semi-tangent profile and the tangent section of curved switch rail is 5 439 mm long，which is twice the traditional one.The heavy load vehicle-turnout dynamics simulation data showed that such design can significantly reduce the lateral force as well as the wear indicator acting on the front end of switch rail when train switching forward，which could improve the wear characteristics of switch rail and extend the service life.The wear and life observation results showed that the severest wear of the new switch rail occurs in the switch rail section with 60～70 mm width，the service life is3～4 times as long as the traditional ones，and the new switch rail has a different wear characteristics compared with the traditional curved switch rail.

Turnouts;Curved switch rail;W ear characteristics;Service life

U213.6+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.20

1003-1995(2015)01-0087-06

(責(zé)任審編 李付軍)

2014-11-15;

2014-12-25

王樹國(1974—)，男，副研究員，山東冠縣人，博士。