高速鐵路道岔鋼軌磨耗發(fā)展規(guī)律的試驗(yàn)研究

王 璞

(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)

道岔是實(shí)現(xiàn)高速列車轉(zhuǎn)向和變道的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件眾多，是高速鐵路的三大薄弱環(huán)節(jié)之一。我國高速鐵路道岔經(jīng)過多年的運(yùn)營，總體狀態(tài)良好，但也逐漸暴露出一些問題，如岔區(qū)動(dòng)力響應(yīng)異常、車體異?；蝿?dòng)、輪軌力超限、鋼軌疲勞傷損、尖軌磨耗嚴(yán)重等[1]。其中尖軌磨耗(見圖1)問題多地、多次重復(fù)出現(xiàn)，成為高速鐵路所面臨的主要共性問題之一。

圖1 高速道岔尖軌磨耗

尖軌磨耗引起軌頭廓形以及尖軌、基本軌相對位置的改變，直接影響列車過岔時(shí)的輪軌接觸狀態(tài)和輪載過渡情況，進(jìn)而會(huì)對列車運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，由于輪軌接觸不良引起的振動(dòng)沖擊、塑性變形、剝離掉塊等問題也會(huì)降低車輪與道岔鋼軌件的使用壽命。針對該問題，研究并掌握岔區(qū)鋼軌磨耗的發(fā)展過程和特征，對于養(yǎng)護(hù)維修具有重要的指導(dǎo)意義，有助于更科學(xué)地確定養(yǎng)修區(qū)段、時(shí)機(jī)及措施。

目前針對區(qū)間線路以及道岔區(qū)的鋼軌磨耗研究多采用仿真計(jì)算和理論分析的方法，建立的仿真模型[2-13]中有較多的假設(shè)和簡化處理，并且模型中的磨耗系數(shù)較難準(zhǔn)確取值。通過現(xiàn)場測試的方法研究鋼軌磨耗發(fā)展過程具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。就道岔區(qū)而言，鐵路研究人員針對岔區(qū)鋼軌廓形已開展過較多的測試工作，但一般均是為了了解特定狀態(tài)下鋼軌的磨耗，所進(jìn)行的測試工作較為零散，沒有時(shí)間上的連續(xù)性。

本文對高速道岔鋼軌磨耗發(fā)展進(jìn)行試驗(yàn)研究，選取滬寧城際高速鐵路道岔作為試驗(yàn)段，對轉(zhuǎn)轍器區(qū)特征斷面尖軌和基本軌的型面及磨耗情況進(jìn)行長期跟蹤測試，探究高速道岔鋼軌磨耗的分布和發(fā)展規(guī)律。

圖2 鎮(zhèn)江站(K237+493)試驗(yàn)工點(diǎn)

1 試驗(yàn)工點(diǎn)

選取滬寧城際高速鐵路鎮(zhèn)江站11#道岔(見圖2)作為試驗(yàn)段進(jìn)行測試。11#道岔為客運(yùn)專線系列18號(hào)無砟軌道道岔，圖號(hào)KZX(07)001[14]，直向通過速度250 km/h，側(cè)向通過速度80 km/h，鋼軌采用60D40鋼軌，扣件采用分開式II型彈條扣件，尖軌跟端采用2組限位器限位，軌枕為混凝土無砟岔枕。11#道岔為順向過岔，每天通過高速列車約80列，日通過總重量約4.8×105kN。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

主要對高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌的磨耗、光帶及輪軌接觸幾何狀態(tài)進(jìn)行觀測，并對特征斷面的鋼軌廓形進(jìn)行測試，同時(shí)調(diào)研并記錄相應(yīng)的通過總重情況及養(yǎng)護(hù)維修信息。選取的高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)特征斷面見表1。

表1 高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)特征斷面

每隔3個(gè)月左右對岔區(qū)各特征斷面的鋼軌廓形進(jìn)行1次測試并對磨耗情況進(jìn)行觀測，觀測了近1.5年。試驗(yàn)采用MiniProf鋼軌廓形測試設(shè)備，測試過程快捷，便于攜帶，操作簡單，能夠有效減少測試時(shí)間，能在有限的天窗時(shí)間內(nèi)完成測試?，F(xiàn)場測試情況見圖3。

圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3 道岔鋼軌磨耗規(guī)律分析

試驗(yàn)道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)特征斷面的基本軌和尖軌的磨耗發(fā)展情況見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌磨耗測試結(jié)果

由圖4可以看出，隨著道岔服役時(shí)間的增長，轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌的磨耗均不斷加重。在不同的斷面位置由于鋼軌形狀的差異，輪軌相互作用存在較大不同，相應(yīng)地，不同斷面位置、不同鋼軌件的磨耗分布和發(fā)展規(guī)律也存在明顯的區(qū)別。

列車直向通過條件下，車輪荷載逐漸由直尖軌過渡到曲基本軌，直尖軌磨耗主要分布于軌頂區(qū)域，工作邊側(cè)的磨耗略大，并且非工作邊側(cè)也存在垂向磨耗。這與基本軌磨耗程度以及基本軌與尖軌的相對位置存在密切的關(guān)系。曲基本軌的磨耗在尖軌頂寬3～72 mm 范圍內(nèi)基本均勻分布于軌頂，而在尖軌尖端及岔前位置更多地分布于工作邊側(cè)。

列車曲向通過條件下，曲尖軌在頂寬35～72 mm范圍內(nèi)側(cè)向磨耗不太明顯，磨耗主要分布于軌頂，而從頂寬35 mm開始直至尖軌尖端以及岔前基本軌均存在明顯的側(cè)向磨耗，由此可以推斷，列車順向過岔過程中在頂寬35 mm斷面開始貼靠尖軌運(yùn)行，在駛出道岔以后仍繼續(xù)貼靠基本軌。在尖軌頂寬5～72 mm范圍，密貼基本軌的磨耗在軌頂基本呈均勻分布。

為了更形象地觀察和比較轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌磨耗的縱向分布情況，根據(jù)文獻(xiàn)[15]計(jì)算各特征斷面基本軌和尖軌的垂向磨耗和側(cè)向磨耗，其分布規(guī)律分別見圖5和圖6。

圖5 轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌垂向磨耗分布規(guī)律

圖6 轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌側(cè)向磨耗分布發(fā)展規(guī)律

由圖5、圖6可見，隨著道岔服役時(shí)間的增長，轉(zhuǎn)轍器區(qū)鋼軌磨耗的發(fā)展呈逐漸收斂的趨勢。曲尖軌在頂寬50 mm斷面的垂向磨耗最嚴(yán)重，直尖軌在頂寬20～72 mm范圍的垂向磨耗均較大。直尖軌垂向磨耗情況較曲尖軌更為嚴(yán)重。直、曲基本軌在輪載過渡前尖軌頂寬較寬區(qū)域垂向磨耗相對較大，在輪載過渡區(qū)垂向磨耗相對偏小，輪載過渡完成后在尖軌尖端和岔前位置垂向磨耗也均較大?？傮w來看，曲基本軌(直向通過)垂向磨耗情況比直基本軌(曲向通過)略大。

直尖軌的側(cè)向磨耗情況總體較輕，曲尖軌在輪載過渡之前頂寬較寬區(qū)域的側(cè)向磨耗較小，在輪載過渡區(qū)域側(cè)向磨耗較為明顯。曲尖軌側(cè)向磨耗明顯大于直尖軌。直、曲基本軌的側(cè)向磨耗主要集中在輪載過渡完成以后尖軌頂寬較小位置及岔前區(qū)域，直基本軌(曲向通過)的側(cè)向磨耗明顯比曲基本軌(直向通過)嚴(yán)重。

4 結(jié)論

本文針對既有區(qū)間線路及道岔鋼軌磨耗研究多采用仿真分析、岔區(qū)鋼軌磨耗測試工作缺乏連續(xù)性的不足，對高速鐵路道岔鋼軌的磨耗發(fā)展情況進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，選取滬寧城際高速鐵路鎮(zhèn)江站11#道岔為試驗(yàn)段，探究高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌及基本軌的磨耗分布和發(fā)展規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)隨著道岔服役時(shí)間的增長，轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌的磨耗發(fā)展呈現(xiàn)逐漸收斂的趨勢。

2)曲尖軌在頂寬35～72 mm范圍磨耗主要分布于軌頂，自頂寬35 mm開始直至尖軌尖端以及岔前基本軌均存在明顯的側(cè)向磨耗，可知列車順向過岔時(shí)在頂寬35 mm 斷面車輪開始貼靠尖軌運(yùn)行，駛出道岔以后仍繼續(xù)貼靠基本軌。

3)基本軌垂向磨耗在輪載過渡前尖軌頂寬較寬區(qū)域以及輪載過渡完成后尖軌尖端及岔前位置較大，而在輪載過渡區(qū)相對較小。直尖軌-曲基本軌的垂向磨耗比曲尖軌-直基本軌更嚴(yán)重。

4)曲尖軌側(cè)向磨耗明顯大于直尖軌，在輪載過渡前頂寬較寬區(qū)域側(cè)向磨耗較小，輪載過渡區(qū)側(cè)向磨耗明顯。直、曲基本軌側(cè)向磨耗主要集中在輪載過渡完成后尖軌頂寬較小位置及岔前區(qū)域，直基本軌側(cè)向磨耗比曲基本軌更為嚴(yán)重。

本文工作可為磨耗仿真研究提供試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)可為高速道岔的養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)指導(dǎo)。