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(shí)驗(yàn)室，上海 201804;2.比亞迪汽車(chē)工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118)

駝峰調(diào)車(chē)的主要任務(wù)是解體車(chē)列，主要由掛車(chē)、推峰、溜放、整理車(chē)場(chǎng)4個(gè)環(huán)節(jié)組成。首先由機(jī)車(chē)將待解體車(chē)列牽引至推送線(xiàn)，再由機(jī)車(chē)將其推至峰頂，使被摘解的車(chē)組脫鉤溜向調(diào)車(chē)場(chǎng)內(nèi)的指定線(xiàn)路，連續(xù)解體幾個(gè)車(chē)列后，機(jī)車(chē)下峰將車(chē)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(zhǎng)度，平衡各股道有效長(zhǎng)度，駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)常采用小號(hào)碼道岔(我國(guó)常采用6#道岔)，而車(chē)輛在駝峰下小號(hào)碼道岔區(qū)時(shí)有發(fā)生脫軌事故。為保證調(diào)車(chē)安全及效率，有必要對(duì)駝峰下道岔區(qū)車(chē)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(guó)鐵路協(xié)會(huì)在FAST環(huán)線(xiàn)上試驗(yàn)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(lái)的1/4～1/2[2]。加拿大國(guó)家研究委員會(huì)地面交通技術(shù)中心對(duì)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(chē)通過(guò)小半徑曲線(xiàn)時(shí)的輪軌橫向力約30%，輪軌磨耗約60%[3]。中國(guó)大秦重載鐵路2處 半徑為800 m的曲線(xiàn)區(qū)段的軌頂摩擦控制試驗(yàn)表明，通過(guò)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(dòng)，研發(fā)了摩擦控制劑，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用摩擦控制劑后，小半徑曲線(xiàn)輪軌橫向力降幅約為50%，噪聲降低約20 dBA[5]。文獻(xiàn)[6]對(duì)半徑300 m的曲線(xiàn)線(xiàn)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(shí)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(xiàn)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(duì)輪軌關(guān)系有一定影響。文獻(xiàn)[9]對(duì)不同天氣狀態(tài)下重載鐵路曲線(xiàn)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(guò)40～50軸之后這種影響會(huì)消失，認(rèn)為這種影響消失的原因是連續(xù)通過(guò)40～50軸將鋼軌“碾干”，使后面車(chē)輛通過(guò)時(shí)變得與干燥鋼軌無(wú)異。但是，駝峰調(diào)車(chē)采取多勾脫放，單勾軸數(shù)通常不會(huì)超過(guò)40～50軸，雨水對(duì)駝峰下道岔區(qū)車(chē)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(chē)場(chǎng)發(fā)生的貨物列車(chē)脫軌事故為研究背景，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在鋼軌處于干燥、濕潤(rùn)、軌頂摩擦控制3種工況下溜放車(chē)輛，測(cè)試3種工況下車(chē)輛經(jīng)過(guò)道岔區(qū)時(shí)的輪軌橫向力與垂向力?；谠囼?yàn)結(jié)果，分析降雨及軌頂摩擦控制對(duì)駝峰下道岔區(qū)車(chē)輛脫軌系數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

某駝峰調(diào)車(chē)場(chǎng)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(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)道岔結(jié)構(gòu)與測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。試驗(yàn)布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)2布置于道岔中部，測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)4位于尖軌尖端后60 cm 處，測(cè)點(diǎn)5與測(cè)點(diǎn)6位于尖軌前第1枕跨的基本軌上?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)與傳感器布置如圖2所示。

圖1 道岔結(jié)構(gòu)與測(cè)點(diǎn)布置示意

圖2 現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)點(diǎn)及傳感器布置

試驗(yàn)主要對(duì)輪對(duì)通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)鋼軌的垂向力及橫向力進(jìn)行測(cè)試。鋼軌垂向力及橫向力采取貼片方式進(jìn)行測(cè)試，采用全橋的測(cè)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(cè)試過(guò)程中，在鋼軌上施加一定的標(biāo)定荷載。垂向力采用機(jī)車(chē)施加，橫向力采用千斤頂施加。標(biāo)定荷載下輸出的信號(hào)值即為標(biāo)定值。

試驗(yàn)列車(chē)設(shè)計(jì)為6勾37輛，第1勾、第6勾均為空車(chē)，第2、第3、第4、第5勾采取空重混編。車(chē)輛編組信息見(jiàn)表1。

試驗(yàn)分為鋼軌干燥、濕潤(rùn)、涂油(采用涂油進(jìn)行軌頂摩擦控制)3種工況。試驗(yàn)時(shí)間與試驗(yàn)環(huán)境見(jiàn)表2。在3種工況下分別溜放車(chē)輛，測(cè)試輪對(duì)經(jīng)過(guò)6個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)的垂向力及橫向力。

表1 車(chē)輛編組信息

表2 試驗(yàn)時(shí)間與試驗(yàn)環(huán)境

2 降雨及摩擦控制對(duì)橫向力的影響

當(dāng)各輪對(duì)經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，傳感器都會(huì)產(chǎn)生1個(gè)橫向力與1個(gè)垂向力的峰值。對(duì)編組列車(chē)的輪對(duì)按前后順序進(jìn)行編號(hào),37輛車(chē)共計(jì)148個(gè)輪對(duì)。因通常為前軸輪對(duì)發(fā)生脫軌，對(duì)前軸輪對(duì)進(jìn)行重點(diǎn)分析。對(duì)74個(gè)前軸輪對(duì)按1～74依次進(jìn)行編號(hào)，1個(gè)輪對(duì)號(hào)對(duì)應(yīng)1個(gè)橫向力及1個(gè)垂向力測(cè)量值。3種工況下測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)6處74個(gè)前軸輪對(duì)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(gè)峰值，3個(gè)峰值對(duì)應(yīng)重車(chē)輪對(duì)，其余則對(duì)應(yīng)空車(chē)輪對(duì)。鋼軌處于濕潤(rùn)狀態(tài)或采用涂油方式進(jìn)行軌頂摩擦控制之后，各測(cè)點(diǎn)處的輪軌橫向力明顯減小，對(duì)比各測(cè)點(diǎn)來(lái)看，測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)4處(尖軌區(qū))的輪軌橫向力明顯比其他測(cè)點(diǎn)大，尤其是測(cè)點(diǎn)4(曲股尖軌)，干燥狀態(tài)下重車(chē)前軸輪對(duì)的輪軌橫向力可達(dá)120 kN左右，說(shuō)明尖軌區(qū)特別是曲股尖軌是道岔的薄弱環(huán)節(jié)。

空車(chē)與重車(chē)的輪軌橫向力存在差異，為定量直觀對(duì)比各測(cè)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(chē)前軸、空車(chē)前軸在各測(cè)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(jiàn)表3、表4。

由圖6、圖7及表3、表4可以看出：雨天鋼軌濕潤(rùn)及采用涂油方式進(jìn)行軌頂摩擦控制之后，各測(cè)點(diǎn)的輪軌橫向力均大幅減小。鋼軌濕潤(rùn)之后，重車(chē)前軸輪軌橫向力平均減小44%，空車(chē)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(chē)前軸輪軌橫向力平均減小47%，空車(chē)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(cè)點(diǎn)處輪軌橫向力

圖6 重車(chē)前軸在各測(cè)點(diǎn)處輪軌橫向力

圖7 空車(chē)前軸在各測(cè)點(diǎn)處輪軌橫向力

表3 鋼軌濕潤(rùn)及涂油狀態(tài)下重車(chē)前軸輪軌橫向力降幅

表4 鋼軌濕潤(rùn)及涂油狀態(tài)下空車(chē)前軸輪軌橫向力降幅

從各測(cè)點(diǎn)對(duì)比來(lái)看，鋼軌濕潤(rùn)及軌頂摩擦控制之后，測(cè)點(diǎn)2(曲線(xiàn)外軌)處輪軌橫向力降幅最低，在20%～35%之間;測(cè)點(diǎn)3(直股尖軌)處輪軌橫向力降幅最高，在51%～59%之間;測(cè)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(rùn)及軌頂摩擦控制之后降幅為40%左右，在各測(cè)點(diǎn)中屬于較低水平。從內(nèi)外軌對(duì)比來(lái)看，鋼軌濕潤(rùn)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(duì)脫軌系數(shù)的影響

脫軌系數(shù)是評(píng)定車(chē)輪脫軌穩(wěn)定性的指標(biāo)，其值為作用在輪對(duì)上的橫向力與垂向力之比。國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC給出的脫軌系數(shù)限值為1.2，中國(guó)制定的防止脫軌穩(wěn)定性的評(píng)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

為分析降雨及摩擦控制對(duì)脫軌系數(shù)的影響，分別繪制重車(chē)前軸、空車(chē)前軸在各測(cè)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(chē)前軸在各測(cè)點(diǎn)處脫軌系數(shù)

圖9 空車(chē)前軸在各測(cè)點(diǎn)處脫軌系數(shù)

從圖8、圖9可以看到：無(wú)論是重車(chē)還是空車(chē)，測(cè)點(diǎn)4(曲股尖軌)處的脫軌系數(shù)均顯著大于其他測(cè)點(diǎn)，其次為測(cè)點(diǎn)3(直股尖軌)處，說(shuō)明尖軌區(qū)最易發(fā)生脫軌事故。從空重車(chē)對(duì)比來(lái)看，空車(chē)的脫軌系數(shù)要大于重車(chē)。干燥狀態(tài)下，重車(chē)前軸在測(cè)點(diǎn)4(曲股尖軌)處的脫軌系數(shù)達(dá)1.11，空車(chē)前軸在測(cè)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(rùn)或涂油狀態(tài)下，各測(cè)點(diǎn)處的脫軌系數(shù)均大幅降低，具體見(jiàn)表6、表7。

表6 重車(chē)前軸在鋼軌濕潤(rùn)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(rùn)及軌頂摩擦控制之后，各測(cè)點(diǎn)的脫軌系數(shù)均大幅減小。鋼軌濕潤(rùn)之后，重車(chē)前軸脫軌系數(shù)平均減小44%，空車(chē)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(chē)前軸脫軌系數(shù)平均減小47%，空車(chē)前軸脫軌系數(shù)平均減小48%?？梢?jiàn)，與鋼軌濕潤(rùn)相比，軌頂摩擦控制降低脫軌系數(shù)效果更佳。

表7 空車(chē)前軸在鋼軌濕潤(rùn)及涂油狀態(tài)下的脫軌系數(shù)降幅

從空重車(chē)對(duì)比來(lái)看，對(duì)于重車(chē)，鋼軌濕潤(rùn)與軌頂摩擦控制的脫軌系數(shù)平均降幅相差3%，對(duì)于空車(chē)，相差7%，可見(jiàn)鋼軌濕潤(rùn)與軌頂摩擦控制降低脫軌系數(shù)的差異對(duì)于空車(chē)更為明顯。

從各測(cè)點(diǎn)對(duì)比來(lái)看，鋼軌濕潤(rùn)及軌頂摩擦控制之后，測(cè)點(diǎn)2(曲線(xiàn)外軌)處脫軌系數(shù)降幅最低，在22%～35%之間;測(cè)點(diǎn)3(直股尖軌)處脫軌系數(shù)降幅最高，在50%～56%之間;測(cè)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(rùn)及軌頂摩擦控制之后降幅為37%～45%左右，在各測(cè)點(diǎn)中屬于較低水平。

從內(nèi)外軌對(duì)比來(lái)看，鋼軌濕潤(rùn)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(xiàn)上尤為明顯。對(duì)于空車(chē)，鋼軌濕潤(rùn)之后，測(cè)點(diǎn)1(曲線(xiàn)內(nèi)軌)處脫軌系數(shù)降低了44%，而測(cè)點(diǎn) 2(曲線(xiàn)外軌)處脫軌系數(shù)僅降低了22%；軌頂摩擦控制之后，測(cè)點(diǎn)1(曲線(xiàn)內(nèi)軌)處脫軌系數(shù)降低了55%，而測(cè)點(diǎn) 2(曲線(xiàn)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(duì)駝峰下道岔區(qū)脫軌系數(shù)的影響，本文設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試了駝峰下道岔區(qū)鋼軌在干燥、濕潤(rùn)、軌頂摩擦控制3種工況下，車(chē)輛通過(guò)6個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)鋼軌的橫向力及垂向力。通過(guò)分析試驗(yàn)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(duì)于空車(chē)，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(duì)于重車(chē)，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(xiàn)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。