王樹國，王 璞，葛 晶，司道林，楊東升

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081）

道岔是機(jī)車車輛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向或者跨線的關(guān)鍵鐵路設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件眾多。高速道岔服役過程中，尖軌磨耗問題尤為普遍，磨耗會引起軌頭廓形及尖軌基本軌相對位置的改變，直接影響列車過岔時的輪軌接觸狀態(tài)和輪載過渡情況，進(jìn)而會對列車運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，接觸不良所引起的振動沖擊、塑性變形、剝離掉塊等問題也會嚴(yán)重降低車輪與道岔鋼軌件的使用壽命。磨耗問題成為導(dǎo)致尖軌報(bào)廢的主要原因［1?5］。

針對道岔區(qū)磨耗問題，國內(nèi)外學(xué)者已開展了一系列的研究工作，徐井芒等［6?7］建立了道岔鋼軌磨耗仿真分析方法，編制了道岔鋼軌磨耗仿真程序，以尖軌典型斷面為例，計(jì)算了不同通過總重情況下道岔鋼軌廓型改變情況，并且分析了車輛軸重、側(cè)向過岔速度、軌距、軌底坡及輪軌摩擦系數(shù)等對道岔鋼軌磨耗的影響。王平等［8］以18 號高速道岔為例，結(jié)合車輛-道岔耦合動力學(xué)仿真計(jì)算，研究不同輪軌摩擦系數(shù)匹配下，車輛通過轉(zhuǎn)轍器部分時的系統(tǒng)動力響應(yīng)和輪軌磨耗特性，以期在保證車輛安全通過道岔的前提下，為降低曲尖軌磨耗、延長曲尖軌使用壽命，提供合理的輪軌摩擦控制方案。劉啟賓等［9?10］基于Archard 磨耗模型并結(jié)合有限元靜動力分析方法，對重載鐵路合金鋼心軌組合轍叉道岔岔區(qū)鋼軌垂直磨耗特性進(jìn)行了研究，給出了一種研究鋼軌磨耗的新方法。高亮等［11］研究了鐵路道岔采用60型及60N 型面列車動力學(xué)特性變化，以18 號固定轍叉為例，建立列車-道岔空間耦合動力學(xué)分析模型，基于Archard磨耗理論對道岔區(qū)鋼軌磨耗進(jìn)行仿真預(yù)測，對比岔區(qū)鋼軌磨耗前后列車動力學(xué)特性及磨耗特性的變化。目前對于高速道岔區(qū)的尖軌和基本軌磨耗規(guī)律尚無系統(tǒng)清晰的認(rèn)識，針對岔區(qū)尖軌和基本軌廓形雖已開展過較多測試工作，但多為研究特定狀態(tài)下鋼軌的磨耗情況，測試工作也較為零散，沒有時間上的連續(xù)性［12?13］。規(guī)范《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》和《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》中對道岔區(qū)尖軌磨耗限值的規(guī)定也過于粗糙且缺乏可操作性，因此實(shí)際養(yǎng)護(hù)維修中大多數(shù)情況下也并未按照規(guī)范限值執(zhí)行［14?15］。因此，有必要對高速道岔區(qū)尖軌和基本軌磨耗規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，對既有規(guī)范中道岔尖軌磨耗限值的合理性進(jìn)行研究。

本文對城際鐵路某站2 組道岔進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，研究不同過岔?xiàng)l件下高速道岔尖軌的實(shí)際磨耗特征；通過脫軌風(fēng)險(xiǎn)分析和尖軌強(qiáng)度分析，研究高速道岔尖軌磨耗管理限值。

1 高速道岔尖軌磨耗特征

選取城際鐵路某站2#和11#道岔進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，對尖軌及基本軌磨耗特征進(jìn)行試驗(yàn)研究。2 組道岔均為客專線系列18 號無砟道岔，圖號KZX（07）001［16］。道岔位置如圖1所示，2#道岔位于列車逆向通過段，11#道岔位于列車順向通過段，每天通過列車約80列，日通過總重約48 000 t。

圖1 站場布置圖

采用Miniprof 鋼軌廓形測試設(shè)備對2 組道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌的磨耗情況進(jìn)行跟蹤觀測，監(jiān)測時長近1年半，監(jiān)測時間間隔3 個月左右。高速道岔磨耗測試特征斷面見表1。

表1 高速道岔磨耗測試特征斷面

圖2為逆向過岔時2#道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌垂向磨耗（以下簡稱垂磨）監(jiān)測結(jié)果。由圖2可知：隨著服役時間的增長，轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌垂向磨耗逐漸增大；在岔前及尖軌較窄區(qū)段以基本軌垂磨為主，在車輪輪載過渡的區(qū)域尖軌垂磨迅速增大，輪載過渡完成后尖軌垂磨占據(jù)主導(dǎo)；直尖軌垂磨隨著尖軌的加寬呈先增大后減小的趨勢，在35 mm斷面位置的垂磨最嚴(yán)重，曲尖軌垂磨隨著尖軌的加寬總體呈增大的趨勢，在72 mm 斷面位置垂磨達(dá)到最大；總體來看，曲基本軌及直尖軌的垂磨比直基本軌及曲尖軌垂磨更嚴(yán)重。

圖2 2#道岔尖軌和基本軌垂向磨耗

圖3為逆向過岔時2#道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌側(cè)向磨耗（以下簡稱側(cè)磨）監(jiān)測結(jié)果。由圖3可知：直尖軌的側(cè)磨總體較輕，而曲尖軌從3 mm 斷面開始直至全斷面均存在顯著的側(cè)磨，隨著尖軌的加寬側(cè)磨逐漸增大，然后至尖軌頂寬較寬區(qū)域側(cè)磨呈現(xiàn)減小的趨勢，且曲尖軌側(cè)磨明顯大于直尖軌；基本軌的側(cè)磨主要集中在岔前及輪載過渡開始前尖軌頂寬較小位置，直、曲基本軌的側(cè)磨程度基本相當(dāng)，均較小。值得注意的是，2#道岔曲尖軌在2018年5月9日進(jìn)行了更換，因此相應(yīng)的磨耗呈現(xiàn)出突然減小的特征。

圖3 2#道岔尖軌和基本軌側(cè)向磨耗

圖4為順向過岔時11#道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌垂向磨耗監(jiān)測結(jié)果。由圖4可知：曲尖軌在50 mm 斷面位置的垂磨最嚴(yán)重，而直尖軌在頂寬20～72 mm 范圍垂磨均較大，且直尖軌垂磨比曲尖軌更嚴(yán)重；基本軌垂磨在輪載過渡前尖軌較寬區(qū)域較大，在輪載過渡的區(qū)域有所減小，在輪載過渡完成后尖軌前端和岔前區(qū)域又顯著增大，且曲基本軌垂磨比直基本軌略大。

圖4 11#道岔尖軌和基本軌垂向磨耗

圖5為順向過岔時11#道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌側(cè)向磨耗監(jiān)測結(jié)果。由圖5可知：曲尖軌在輪載過渡前頂寬較寬區(qū)域的側(cè)磨較小，在車輪輪載過渡的區(qū)段側(cè)磨較為明顯，輪載過渡完成后直基本軌側(cè)磨迅速增大，在尖軌尖端及岔前存在顯著側(cè)磨；相對而言直尖軌側(cè)磨情況總體較輕，明顯小于曲尖軌，相應(yīng)地，在輪載過渡完成后曲基本軌側(cè)磨也明顯小于直基本軌。值得注意的是，11#道岔直基本軌在2019年4月15日進(jìn)行了更換，因此相應(yīng)的磨耗呈現(xiàn)出突然減小的特征。

圖5 11#道岔尖軌和基本軌側(cè)向磨耗發(fā)展規(guī)律

由圖3—圖6可知，控制曲尖軌使用壽命的主要因素是側(cè)向磨耗。對比圖3和圖5可知：在逆向和順向過岔?xiàng)l件下，曲尖軌磨耗呈現(xiàn)出顯著的差異性；逆向通過條件下，曲尖軌側(cè)磨主要發(fā)生在頂寬較寬區(qū)段，磨耗范圍更靠近尖軌跟端；順向通過條件下，曲尖軌側(cè)磨主要發(fā)生在前端較窄區(qū)段并延伸至岔前，基本軌也存在顯著側(cè)磨。

為進(jìn)一步探究過岔?xiàng)l件不同帶來的磨損差異，對某城際鐵路磨耗到限下道的曲尖軌側(cè)磨進(jìn)行測量和研究。不同過岔?xiàng)l件下道尖軌的磨耗情況如圖6所示。

圖6 下道尖軌磨耗

由圖6可知：順向過岔道岔下道尖軌側(cè)磨主要集中在頂寬5～30 mm 區(qū)段，最大側(cè)磨發(fā)生在15 mm 斷面，側(cè)磨量3.9 mm，并未達(dá)到規(guī)范規(guī)定的6 mm 限值［14］，下道原因主要為尖軌前端薄弱斷面存在相對較大的側(cè)磨量導(dǎo)致強(qiáng)度不足，易出現(xiàn)壓潰、掉塊等傷損；相對而言，逆向通過道岔下道尖軌前端側(cè)磨量較小，側(cè)磨主要發(fā)生在頂寬較寬區(qū)段，從35 mm 斷面開始至全斷面區(qū)段側(cè)磨量均在7.5 mm以上，最大達(dá)到8.6 mm，顯然已經(jīng)超過了規(guī)范規(guī)定的6 mm限值。

2 高速道岔尖軌磨耗管理限值

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)營中高速道岔尖軌磨耗特征及養(yǎng)護(hù)維修部門實(shí)際更換磨耗軌的經(jīng)驗(yàn)可知，既有規(guī)范規(guī)定道岔尖軌側(cè)磨限值6 mm，而尖軌前端斷面頂寬已不足6 mm，這顯然并不能對現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修提供有效指導(dǎo)，實(shí)際應(yīng)用中也并未得到具體執(zhí)行。因此，有必要根據(jù)高速道岔尖軌實(shí)際磨耗特性對磨耗管理限值進(jìn)行進(jìn)一步研究和修正，以真正能夠指導(dǎo)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修。

下面從脫軌風(fēng)險(xiǎn)和尖軌強(qiáng)度2 個方面對高速道岔尖軌磨耗管理限值進(jìn)行。

2.1 脫軌風(fēng)險(xiǎn)

高速道岔尖軌磨耗會引起廓形的改變，進(jìn)而造成尖軌降低值發(fā)生變化，特別是在尖軌前端頂寬較小區(qū)段，當(dāng)磨耗發(fā)展到一定程度時，高速列車可能存在脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪軌接觸關(guān)系如圖7所示。圖中：γ為輪軌接觸角，γR為接觸位置鋼軌表面切線夾角，γW為接觸位置輪緣表面切線夾角，F(xiàn)Q為提供導(dǎo)向作用的橫向力，F(xiàn)p為提供回復(fù)作用的垂向力，F(xiàn)f為輪軌接觸面摩擦力，μ為輪軌接觸面摩擦系數(shù)。則保證在接觸位置輪對不脫軌的條件為回復(fù)力不小于摩擦力與導(dǎo)向力之和，即

圖7 轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪軌接觸關(guān)系

其中，

Ff=μ FQsinγ+μ FPcosγ

對式（1）進(jìn)行整理可得

可知，輪軌接觸角限值γc隨著摩擦系數(shù)μ和脫軌系數(shù)的增大而增大。

輪軌接觸時，接觸斑內(nèi)材料會產(chǎn)生微變形，實(shí)際接觸角γ一定在γR和γW之間。一般情況下，鋼軌軌距角位置曲率半徑較車輪小，因此γR>γ>γW?？刂平佑|位置輪緣切線夾角γW≥γc，就能控制列車過岔的安全性。

車輪通過尖軌尖端時，若尖軌因磨耗導(dǎo)致降低值增大，一旦輪對貼靠尖軌行駛，則車輪輪緣頂部很容易與尖軌軌頂接觸，如圖8所示。此時，輪緣頂部切線夾角非常小，往往不能滿足式（2）的條件，極易發(fā)生脫軌。輪緣切線夾角γW小于式（2）限值γc的區(qū)域即為危險(xiǎn)區(qū)域，車輪輪緣危險(xiǎn)區(qū)域不應(yīng)與鋼軌接觸。

圖8 車輪輪緣與磨耗尖軌軌頂接觸情況

危險(xiǎn)區(qū)域的確定與摩擦系數(shù)和脫軌系數(shù)有關(guān)，摩擦系數(shù)和脫軌系數(shù)越大，輪緣切線夾角下限值就越大，危險(xiǎn)區(qū)域的范圍也就越大。極端情況下，當(dāng)脫軌系數(shù)達(dá)到限值0.8、摩擦系數(shù)達(dá)到限值0.6時，計(jì)算得到的輪緣切線夾角下限值達(dá)到70°，此條件下車輪輪緣完全不能與尖軌接觸，接觸即有脫軌風(fēng)險(xiǎn)。但是，根據(jù)既有的測試數(shù)據(jù)［17?18］，實(shí)車運(yùn)行時脫軌系數(shù)并不會很大，按照脫軌系數(shù)0.8進(jìn)行計(jì)算過于嚴(yán)格，正常狀態(tài)下脫軌系數(shù)不超過0.4；另外我國輪軌間為干摩擦，摩擦系數(shù)一般不超過0.4。在此條件下，可計(jì)算出輪緣切線夾角下限值為43.6°，即在車輪輪緣上切線夾角小于43.6°的區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)域。另外，實(shí)際車輪輪緣與鋼軌軌距角接觸時，車輪踏面會抬升離開鋼軌表面，所以還需要考慮車輪抬升的影響，偏于最不利考慮，抬升量取為2 mm。

綜上所述，高速列車通過已有磨耗尖軌的脫軌風(fēng)險(xiǎn)可采用以下方法評估：將車輪抬升2 mm，檢查車輪廓形上的危險(xiǎn)區(qū)域（切線夾角小于43.6°）是否可與尖軌接觸；如尖軌磨耗較小，未能與車輪廓形危險(xiǎn)區(qū)域接觸，則認(rèn)為尖軌磨耗程度還不足以影響行車安全，還能繼續(xù)使用；如尖軌磨耗較大，已能與車輪廓形危險(xiǎn)區(qū)域接觸，則認(rèn)為尖軌磨耗已經(jīng)到達(dá)限值，會導(dǎo)致脫軌風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡快更換下道。

2.2 尖軌強(qiáng)度

由測試結(jié)果可知，順向過岔時高速道岔曲尖軌前端頂寬較小區(qū)段側(cè)磨較為明顯，除了對輪軌接觸關(guān)系產(chǎn)生影響外，隨著磨耗的增大尖軌前端薄弱斷面會變得越來越薄，承載能力也會不斷削弱。既有規(guī)范規(guī)定的尖軌磨耗標(biāo)準(zhǔn)在尖軌前端薄弱斷面區(qū)域并不適應(yīng)，有必要對尖軌前端薄弱斷面在磨耗狀態(tài)下的受力狀態(tài)和承載能力進(jìn)行分析，為該區(qū)域更合理的磨耗限值的制定提供依據(jù)和參考。

采用有限元方法對高速道岔曲尖軌薄弱斷面區(qū)域在磨耗狀態(tài)下的受力進(jìn)行計(jì)算分析。采用實(shí)體單元對尖軌和基本軌進(jìn)行模擬，列車車輪垂向荷載取140 kN，橫向荷載取30 kN。軌道材料抗拉強(qiáng)度為1 180 MPa。曲尖軌磨耗工況見表2。

表2 曲尖軌磨耗狀態(tài)工況

圖9為不同磨耗工況下曲尖軌等效應(yīng)力分布。由圖9可知：曲尖軌5 mm斷面?zhèn)饶?.5 mm時，列車荷載作用下尖軌等效應(yīng)力最大值為925 MPa，最大應(yīng)力位置距尖軌軌頂5.9 mm；而當(dāng)5 mm 斷面?zhèn)饶ミM(jìn)一步加劇、磨耗量達(dá)到4 mm 時，列車荷載作用下尖軌等效應(yīng)力最大值達(dá)到1 578 MPa，最大應(yīng)力位置距尖軌軌頂4.5 mm；隨著磨耗的增大最大等效應(yīng)力位置進(jìn)一步靠近尖軌軌頂；曲尖軌10 mm 斷面?zhèn)饶?.5 mm 時，列車荷載作用下尖軌等效應(yīng)力最大值為798 MPa，最大應(yīng)力位置距離軌頂4.4 mm；曲尖軌15 mm 斷面?zhèn)饶?.5 mm 時，尖軌等效應(yīng)力最大值為687 MPa，最大應(yīng)力位置距離軌頂6.5 mm。

圖9 不同磨耗工況下曲尖軌等效應(yīng)力分布

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研，某城際鐵路1 根下道尖軌連續(xù)掉塊長達(dá)300 mm，掉塊的高度為3～5 mm。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，曲尖軌薄弱斷面區(qū)域隨著側(cè)磨的加劇，最大等效應(yīng)力位置逐漸靠近軌頂，最終導(dǎo)致了掉塊。由此可見，尖軌強(qiáng)度隨著磨耗的加劇會逐漸減弱，一旦出現(xiàn)剝離掉塊問題將直接影響行車安全。

綜上，側(cè)磨達(dá)到3.5 mm 時，曲尖軌10 mm 斷面及15 mm 斷面位置承載能力仍滿足要求，但是曲尖軌5 mm 斷面位置等效應(yīng)力已經(jīng)偏大，繼續(xù)磨耗會造成強(qiáng)度不足，極易發(fā)生剝離掉塊的問題?；谟邢拊?jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)驗(yàn)，建議將曲尖軌5 mm 斷面設(shè)置為控制斷面，該位置側(cè)磨限值由規(guī)范中的6 mm 減小為3.5 mm，如圖10所示。

圖10 曲尖軌5 mm斷面?zhèn)饶ハ拗?.5 mm

3 結(jié) 論

（1）控制曲尖軌使用壽命的主要因素是側(cè)向磨耗，高速道岔在逆向和順向過岔?xiàng)l件下，曲尖軌磨耗呈現(xiàn)出顯著的差異性。順向通過時曲尖軌側(cè)磨主要發(fā)生在前端較窄區(qū)段并延伸至岔前，基本軌也存在顯著側(cè)磨。而逆向過岔時曲尖軌前端側(cè)磨較小，側(cè)磨主要發(fā)生在后端頂寬較寬區(qū)段。

（2）順向過岔道岔下道尖軌側(cè)磨集中在頂寬5～30 mm 區(qū)段，最大側(cè)磨發(fā)生在15 mm 斷面，磨耗量3.9 mm，并未達(dá)到規(guī)范規(guī)定的6 mm 限值，下道原因?yàn)榧廛壡岸吮∪鯏嗝嬉蚰ズ膶?dǎo)致強(qiáng)度不足易出現(xiàn)壓潰、掉塊等傷損。逆向過岔道岔下道尖軌從35 mm 斷面開始至全斷面區(qū)段側(cè)磨量均在7.5 mm以上，最大達(dá)到8.6 mm，已超過規(guī)范限值。

（3）尖軌磨耗會對高速列車通過的安全性以及尖軌承載能力產(chǎn)生顯著影響，建議除了滿足維規(guī)要求外，還應(yīng)確保車輪抬升2 mm 后，車輪廓形上的危險(xiǎn)區(qū)域（切線夾角小于43.6°區(qū)域）不能與尖軌接觸；另外，建議曲尖軌5 mm 斷面位置側(cè)磨限值減小為3.5 mm，以確保前端薄弱斷面區(qū)域有足夠的強(qiáng)度。尖軌非刨切段磨耗標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬。