許玉德，喬 雨，孫小輝，邱俊興，劉一鳴

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實驗室，上海 201804;2.比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118)

駝峰調(diào)車的主要任務(wù)是解體車列，主要由掛車、推峰、溜放、整理車場4個環(huán)節(jié)組成。首先由機(jī)車將待解體車列牽引至推送線，再由機(jī)車將其推至峰頂，使被摘解的車組脫鉤溜向調(diào)車場內(nèi)的指定線路，連續(xù)解體幾個車列后，機(jī)車下峰將車組盡可能向尾部推送，為繼續(xù)溜放創(chuàng)造條件。為縮短咽喉長度，平衡各股道有效長度，駝峰調(diào)車場常采用小號碼道岔(我國常采用6#道岔)，而車輛在駝峰下小號碼道岔區(qū)時有發(fā)生脫軌事故。為保證調(diào)車安全及效率，有必要對駝峰下道岔區(qū)車輛脫軌防控技術(shù)進(jìn)行研究。

摩擦控制能顯著降低輪軌磨耗與橫向力[1]。美國鐵路協(xié)會在FAST環(huán)線上試驗結(jié)果表明，采取摩擦控制措施后，鋼軌橫向力可減少至原來的1/4～1/2[2]。加拿大國家研究委員會地面交通技術(shù)中心對輪軌摩擦控制技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采取輪軌摩擦控制技術(shù)可降低重載列車通過小半徑曲線時的輪軌橫向力約30%，輪軌磨耗約60%[3]。中國大秦重載鐵路2處 半徑為800 m的曲線區(qū)段的軌頂摩擦控制試驗表明，通過控制軌頂摩擦可延緩鋼軌疲勞裂紋的萌生與發(fā)展，還能減少輪軌磨耗[4]。日本鐵路技術(shù)研究所為降低輪軌橫向力導(dǎo)致的噪聲和地面振動，研發(fā)了摩擦控制劑，通過現(xiàn)場試驗，發(fā)現(xiàn)使用摩擦控制劑后，小半徑曲線輪軌橫向力降幅約為50%，噪聲降低約20 dBA[5]。文獻(xiàn)[6]對半徑300 m的曲線線路進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采取軌側(cè)+軌頂?shù)哪Σ量刂?，可使?nèi)軌頂面磨耗降低40%以上，且輪軌接觸斑瞬時最大接觸應(yīng)力、輪軌橫向力及脫軌系數(shù)均有所減小?，F(xiàn)有的研究表明，摩擦控制在曲線地段能顯著減小輪軌磨耗與橫向力，但是關(guān)于道岔區(qū)段摩擦控制的研究很少。

此外，文獻(xiàn)[7-8]表明雨水對輪軌關(guān)系有一定影響。文獻(xiàn)[9]對不同天氣狀態(tài)下重載鐵路曲線地段摩擦控制的效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雨水有降低輪軌摩擦力及橫向力的效果，但連續(xù)通過40～50軸之后這種影響會消失，認(rèn)為這種影響消失的原因是連續(xù)通過40～50軸將鋼軌“碾干”，使后面車輛通過時變得與干燥鋼軌無異。但是，駝峰調(diào)車采取多勾脫放，單勾軸數(shù)通常不會超過40～50軸，雨水對駝峰下道岔區(qū)車輛脫軌系數(shù)的影響如何，有待于進(jìn)一步研究。

本文以某駝峰調(diào)車場發(fā)生的貨物列車脫軌事故為研究背景，設(shè)計現(xiàn)場試驗，在鋼軌處于干燥、濕潤、軌頂摩擦控制3種工況下溜放車輛，測試3種工況下車輛經(jīng)過道岔區(qū)時的輪軌橫向力與垂向力。基于試驗結(jié)果，分析降雨及軌頂摩擦控制對駝峰下道岔區(qū)車輛脫軌系數(shù)的影響。

1 試驗設(shè)計

某駝峰調(diào)車場6#道岔尖軌區(qū)發(fā)生多次慣性脫軌事故，將此區(qū)段作為試驗區(qū)。試驗區(qū)道岔結(jié)構(gòu)與測點(diǎn)布置如圖1所示。試驗布置了6個測點(diǎn)，測點(diǎn)1與測點(diǎn)2布置于道岔中部，測點(diǎn)3與測點(diǎn)4位于尖軌尖端后60 cm 處，測點(diǎn)5與測點(diǎn)6位于尖軌前第1枕跨的基本軌上?，F(xiàn)場測點(diǎn)與傳感器布置如圖2所示。

圖1 道岔結(jié)構(gòu)與測點(diǎn)布置示意

圖2 現(xiàn)場的測點(diǎn)及傳感器布置

試驗主要對輪對通過測點(diǎn)時鋼軌的垂向力及橫向力進(jìn)行測試。鋼軌垂向力及橫向力采取貼片方式進(jìn)行測試，采用全橋的測試方法。具體貼片方法如圖3、圖4所示。

圖3 鋼軌垂向力貼片位置和組橋方法

圖4 鋼軌橫向力貼片位置和組橋方法

測試過程中，在鋼軌上施加一定的標(biāo)定荷載。垂向力采用機(jī)車施加，橫向力采用千斤頂施加。標(biāo)定荷載下輸出的信號值即為標(biāo)定值。

試驗列車設(shè)計為6勾37輛，第1勾、第6勾均為空車，第2、第3、第4、第5勾采取空重混編。車輛編組信息見表1。

試驗分為鋼軌干燥、濕潤、涂油(采用涂油進(jìn)行軌頂摩擦控制)3種工況。試驗時間與試驗環(huán)境見表2。在3種工況下分別溜放車輛，測試輪對經(jīng)過6個測點(diǎn)時的垂向力及橫向力。

表1 車輛編組信息

表2 試驗時間與試驗環(huán)境

2 降雨及摩擦控制對橫向力的影響

當(dāng)各輪對經(jīng)過測點(diǎn)時，傳感器都會產(chǎn)生1個橫向力與1個垂向力的峰值。對編組列車的輪對按前后順序進(jìn)行編號,37輛車共計148個輪對。因通常為前軸輪對發(fā)生脫軌，對前軸輪對進(jìn)行重點(diǎn)分析。對74個前軸輪對按1～74依次進(jìn)行編號，1個輪對號對應(yīng)1個橫向力及1個垂向力測量值。3種工況下測點(diǎn)1—測點(diǎn)6處74個前軸輪對的輪軌橫向力如圖5所示。

可以看到：圖5(a)—圖5(f)均出現(xiàn)3個峰值，3個峰值對應(yīng)重車輪對，其余則對應(yīng)空車輪對。鋼軌處于濕潤狀態(tài)或采用涂油方式進(jìn)行軌頂摩擦控制之后，各測點(diǎn)處的輪軌橫向力明顯減小，對比各測點(diǎn)來看，測點(diǎn)3與測點(diǎn)4處(尖軌區(qū))的輪軌橫向力明顯比其他測點(diǎn)大，尤其是測點(diǎn)4(曲股尖軌)，干燥狀態(tài)下重車前軸輪對的輪軌橫向力可達(dá)120 kN左右，說明尖軌區(qū)特別是曲股尖軌是道岔的薄弱環(huán)節(jié)。

空車與重車的輪軌橫向力存在差異，為定量直觀對比各測點(diǎn)在干燥、雨天、涂油3種工況下的輪軌橫向力，分別繪制重車前軸、空車前軸在各測點(diǎn)處3種工況下的橫向力，如圖6、圖7所示，具體數(shù)據(jù)見表3、表4。

由圖6、圖7及表3、表4可以看出：雨天鋼軌濕潤及采用涂油方式進(jìn)行軌頂摩擦控制之后，各測點(diǎn)的輪軌橫向力均大幅減小。鋼軌濕潤之后，重車前軸輪軌橫向力平均減小44%，空車前軸輪軌橫向力降幅略小，平均減小39%；軌頂摩擦控制之后，重車前軸輪軌橫向力平均減小47%，空車前軸輪軌橫向力平均減小48%。軌頂摩擦控制降低輪軌橫向力效果更佳。

圖5 不同測點(diǎn)處輪軌橫向力

圖6 重車前軸在各測點(diǎn)處輪軌橫向力

圖7 空車前軸在各測點(diǎn)處輪軌橫向力

表3 鋼軌濕潤及涂油狀態(tài)下重車前軸輪軌橫向力降幅

表4 鋼軌濕潤及涂油狀態(tài)下空車前軸輪軌橫向力降幅

從各測點(diǎn)對比來看，鋼軌濕潤及軌頂摩擦控制之后，測點(diǎn)2(曲線外軌)處輪軌橫向力降幅最低，在20%～35%之間;測點(diǎn)3(直股尖軌)處輪軌橫向力降幅最高，在51%～59%之間;測點(diǎn)4(曲股尖軌)處雖然鋼軌干燥狀態(tài)下輪軌橫向力很大，但鋼軌濕潤及軌頂摩擦控制之后降幅為40%左右，在各測點(diǎn)中屬于較低水平。從內(nèi)外軌對比來看，鋼軌濕潤及軌頂摩擦控制之后，內(nèi)軌的輪軌橫向力降幅要大于外軌。

3 降雨及摩擦控制對脫軌系數(shù)的影響

脫軌系數(shù)是評定車輪脫軌穩(wěn)定性的指標(biāo)，其值為作用在輪對上的橫向力與垂向力之比。國際鐵路聯(lián)盟UIC給出的脫軌系數(shù)限值為1.2，中國制定的防止脫軌穩(wěn)定性的評定標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。其中第1限度為合格標(biāo)準(zhǔn)，第2限度為增大了安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

表5 防止脫軌穩(wěn)定性的評定標(biāo)準(zhǔn)

為分析降雨及摩擦控制對脫軌系數(shù)的影響，分別繪制重車前軸、空車前軸在各測點(diǎn)處3種工況下的脫軌系數(shù)，如圖8、圖9所示。

圖8 重車前軸在各測點(diǎn)處脫軌系數(shù)

圖9 空車前軸在各測點(diǎn)處脫軌系數(shù)

從圖8、圖9可以看到：無論是重車還是空車，測點(diǎn)4(曲股尖軌)處的脫軌系數(shù)均顯著大于其他測點(diǎn)，其次為測點(diǎn)3(直股尖軌)處，說明尖軌區(qū)最易發(fā)生脫軌事故。從空重車對比來看，空車的脫軌系數(shù)要大于重車。干燥狀態(tài)下，重車前軸在測點(diǎn)4(曲股尖軌)處的脫軌系數(shù)達(dá)1.11，空車前軸在測點(diǎn)4(曲股尖軌)處的脫軌系數(shù)達(dá)1.34。而鋼軌處于濕潤或涂油狀態(tài)下，各測點(diǎn)處的脫軌系數(shù)均大幅降低，具體見表6、表7。

表6 重車前軸在鋼軌濕潤及涂油狀態(tài)下的脫軌系數(shù)降幅

從圖8、圖9及表6、表7可以看出：雨天鋼軌濕潤及軌頂摩擦控制之后，各測點(diǎn)的脫軌系數(shù)均大幅減小。鋼軌濕潤之后，重車前軸脫軌系數(shù)平均減小44%，空車前軸脫軌系數(shù)降幅略小，平均減小41%。軌頂摩擦控制之后，重車前軸脫軌系數(shù)平均減小47%，空車前軸脫軌系數(shù)平均減小48%。可見，與鋼軌濕潤相比，軌頂摩擦控制降低脫軌系數(shù)效果更佳。

表7 空車前軸在鋼軌濕潤及涂油狀態(tài)下的脫軌系數(shù)降幅

從空重車對比來看，對于重車，鋼軌濕潤與軌頂摩擦控制的脫軌系數(shù)平均降幅相差3%，對于空車，相差7%，可見鋼軌濕潤與軌頂摩擦控制降低脫軌系數(shù)的差異對于空車更為明顯。

從各測點(diǎn)對比來看，鋼軌濕潤及軌頂摩擦控制之后，測點(diǎn)2(曲線外軌)處脫軌系數(shù)降幅最低，在22%～35%之間;測點(diǎn)3(直股尖軌)處脫軌系數(shù)降幅最高，在50%～56%之間;測點(diǎn)4(曲股尖軌)處雖然鋼軌干燥狀態(tài)下脫軌系數(shù)很大，但鋼軌濕潤及軌頂摩擦控制之后降幅為37%～45%左右，在各測點(diǎn)中屬于較低水平。

從內(nèi)外軌對比來看，鋼軌濕潤及軌頂摩擦控制之后，內(nèi)軌的脫軌系數(shù)降幅通常大于外軌，在曲線上尤為明顯。對于空車，鋼軌濕潤之后，測點(diǎn)1(曲線內(nèi)軌)處脫軌系數(shù)降低了44%，而測點(diǎn) 2(曲線外軌)處脫軌系數(shù)僅降低了22%；軌頂摩擦控制之后，測點(diǎn)1(曲線內(nèi)軌)處脫軌系數(shù)降低了55%，而測點(diǎn) 2(曲線外軌)處脫軌系數(shù)僅降低了35%。

4 結(jié)論

為研究降雨及摩擦控制對駝峰下道岔區(qū)脫軌系數(shù)的影響，本文設(shè)計了現(xiàn)場試驗，測試了駝峰下道岔區(qū)鋼軌在干燥、濕潤、軌頂摩擦控制3種工況下，車輛通過6個測點(diǎn)時鋼軌的橫向力及垂向力。通過分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

1)雨水和軌頂摩擦控制均可以顯著降低駝峰下道岔區(qū)輪軌橫向力和脫軌系數(shù)。對于空車，降雨后道岔區(qū)脫軌系數(shù)平均降低41%，采取軌頂摩擦控制后道岔區(qū)脫軌系數(shù)平均降低48%；對于重車，降雨后道岔區(qū)脫軌系數(shù)平均降低44%，采取軌頂摩擦控制后道岔區(qū)脫軌系數(shù)平均降低47%。

2)尖軌區(qū)的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)顯著大于道岔其他位置，在日常養(yǎng)修作業(yè)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注道岔尖軌區(qū)。

3)降雨及采取軌頂摩擦控制后，內(nèi)軌的輪軌橫向力降幅及脫軌系數(shù)降幅通常大于外軌，在曲線上尤為明顯，即降雨及軌頂摩擦控制降低脫軌系數(shù)在內(nèi)軌效果更佳。