道岔尖轨磨耗对列车运行安全的影响及处置方法分析

道岔尖轨磨耗对列车运行安全的影响及处置方法分析

马刚

马刚

中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司喀什工务段检查监控车间新疆喀什844000

摘要：道岔是铁路轨道上的关键设备，尖轨是道岔转辙部位的重要组成部分。在列车高速运行侧向通过道岔时，轮轨之间产生摩擦。随着通过列车次数的增加，尖轨磨耗病害日益严重，在伤损尖轨母材的同时造成尖轨出现鱼鳞纹、剥落掉块等，最终需要更换尖轨来保证道岔设备的质量。围绕铁路道岔更换尖轨施工，对道岔更换尖轨施工流程和关键环节进行了阐述和总结。

关键词：铁路道岔；轨顶坡尖轨；磨耗影响

道岔是机车车辆实现转向的重要线路设备，是决定行车速度和安全的主要因素。本文根据现场实测的铁路车辆LM型磨耗车轮型面和铁路道岔的实际几何尺寸，建立道岔区轮轨接触三维弹塑性有限元模型，对不同轨顶坡的尖轨接触应力、接触斑面积及内部应力分布等进行计算，分析轨顶坡对尖轨磨耗的影响。

1、磨耗车轮测量与尖轨轨顶坡设置

1.1磨耗车轮测量

为统计使用的车轮型面形状，利用丹麦Miniprof轮轨廓形测量仪测量324组铁路车辆车轮型面，对实测车轮型面处理除去噪声点后，通过3次样条曲线拟合获得车轮型面轮廓线。所测得车轮磨耗状态不同，型面差异性显著。对实测的车轮型面进行平均化处理，代表磨耗状态车轮型面，与标准车轮型面相比，磨耗状态的车轮型面变化较大，车轮踏面和轮缘根部均发生磨损，其中车轮踏面最大磨耗量为1.59mm，车轮轮缘根部的磨耗量为1.34mm。

1.2尖轨轨顶坡设置

从现场调研道岔伤损情况看，尖轨伤损主要发生在尖轨轨头轨距角部位。当车轮轮缘与尖轨贴靠时，轮轨接触点位于尖轨轨距角圆弧附近，加之轨距角及轮缘根部圆弧半径较小，导致接触应力过大，使尖轨发生磨损及疲劳掉块等损伤，因此，可以进一步通过优化尖轨顶面轮廓，以降低接触应力。

2、轮轨接触模型的建立

2.1计算理论

铁路列车侧向通过道岔时，在惯性力作用下轮缘会与尖轨贴靠，造成尖轨侧磨。由于在接触区存在很大接触应力，轨头和踏面已发生塑性变形。为考虑轮轨接触区的局部塑性变形，本文轮轨材料采用双线性随动强化弹塑性材料模型，服从Mises屈服准则和随动强化准则。

2.2有限元模型

根据现场实测的车轮型面数据，以磨耗状态车轮型面与不同轨顶坡尖轨型面，采用有限元方法建立轮轨接触的三维有限元模型。由于轮轨接触区半径远小于接触表面的曲率半径，可知接触区应力远大于非接触区应力，为此，轮对与道岔接触的部分网格划分较密，而远离接触的部分网格划分逐渐稀疏，这样既能满足接触计算精度的要求，又能节省计算时间。

当轮缘与尖轨贴靠时，轮对与道岔左右钢轨接触位置不对称，因此，建模时取整体轮对。模型计算参数如下：荷载包括轴重和横向力，轴质量取16t，横向力取6.4×104N，其中轮对两侧车轮轮心上各施加一半的轴重力，横向力施加于轮轴端部轴中心线部位；铁路车辆轮对内侧距为1353mm，车轮半径为420mm；轮轨间材料摩擦因数取0.30，泊松比取0.28。

铁路道岔轨顶坡对尖轨磨耗带来的影响

3.1轨顶坡对接触应力的影响

出现的磨耗情况就是指代的车轮与轨顶坡尖轨两者相接处的情况下，产生的磨耗量，车轮与轨顶坡尖轨之间相互摩擦，尖轨的应力以及接触的面积会根据轨顶坡的变化为变化，在轨底的坡度在1/20的范围内，顶宽会随着轨底坡度的减小而使得其接触的应力值也减小，而在当轨底坡度在1/20-1/40的范围内时，则顶宽会随着坡度的减小而增大，其应力值也会随之增加。从这一系列的数据可以看出，在轨底的坡度是以1/20为分界点，在1/20范围内，接触应力与轨顶坡度呈现的是正比的关系，而在轨底的坡度在1/20-1/40的范围内时，则接触应力与轨顶坡地之间呈现的是反比的关系。

而接触面积刚好相反，其虽然也是以1/20为分界点，但是在1/20的范围内，轨底坡度越小，则接触斑面积就会越大，而在1/20-1/40的范围内，随着轨底坡度的减小，则接触斑面积也会减小，从这可以看出，在1/20的范围内，接触斑与规定坡度之间是反比的关系，而在1/20-1/40的范围内，则接触斑与规定坡度之间是反比的关系。

从上述的接触斑面积、接触应力分别与轨顶坡度之间的关系可以看出，轨顶坡度会影响到尖轨接触应力。如果不进行轨顶坡的设置，就会是尖轨接触应力更加的明显，在顶宽断面为35.5的时候，则轨顶坡度就会不断的增加，会逐渐从1/，40上升到1/20，在轨顶坡度不断上升的同时，尖轨的接触应力也会相应的增加，其最大的增长值可以达到300MPa。而接触面积却会相应的减小，减小的最大值可以达到150mm2。

分析比较尖轨各关键断面接触应力及接触斑面积可以看出：尖轨顶宽20.0mm和35.5mm断面接触应力较顶宽50.0mm断面接触应力要小，而其接触斑面积比它要大。对于尖轨顶宽50.0mm之前断面，轮载由基本轨和尖轨共同承受，使得尖轨承受的轮载相对较小，相应断面接触应力存在一定程度降低；随着尖轨断面顶面宽度增加，轮载由基本轨逐渐向尖轨转移；当尖轨断面足够粗壮时，轮载全部由尖轨承受，其接触应力有所增加，之后接触应力水平基本稳定。

3.2对内部应力的影响

由于轨顶坡的不同，则产生的断面应力也会有所不同，当尖轨顶断面宽度为35.5mm的时候，则不同的轨顶坡度也会对应不同的尖轨断面，应力的分布自然也会有所不同。而对应的尖轨应力中，应力值与轨顶坡度有着密切的关系。就两者之间的关系进行分析，当尖轨断面的内部应力出现变化的时候，则轨顶坡度也会出现一定的变化，而且轨顶坡度的变化会随着尖轨内部应力变化的规律来进行变化，比如说，在轨顶坡度为1/40的时候，则尖轨的内部应力值会达到最小，而在尖轨的顶面宽度增大的时候，则尖轨内部的应力值会出现下降的情况，从这一点就可以了解到，尖轨断面的宽度会对其内部的应力产生一定的影响，而就是说，要想使得尖轨内部的应力可以得到保持或者是可以使得尖轨的使用寿命能够延长，就需要对尖轨的塑性进行有效的缓解，并对塑性变形进行合理的累积，只有这样才能够使得尖轨可以得到合理的利用。

依照相关的塑性理论来进行计算，通过计算的结果可以清楚的知道，由于静轮载作用的影响以及当尖轨顶部的断面宽度在20mm的时候，则以尖轨的内部应力就会出现增大的情况，而且其应力会超出钢轨所能够承受的应力，这就会使得钢轨出现塑性变形的情况，从而使得这一断面上的钢轨受到严重的磨损。

而就相关的研究也可以充分的了解到，轨顶坡度也会影响到尖轨内部的应力，在轨顶的坡度值不断增大的情况下，则尖轨内部的应力值也会相应的减小。而当无轨的顶坡达到了1/40的时候，则尖轨断面的应力也会出现严重下降的情况，下降的最大值可以达到100MPa，从这一点来看，对尖轨的轨顶坡进行有效的设置，可以实现在轮再理论的基础上，对基本轨以及尖轨进一步的优化配置。

4结语

通过本文的分析可以了解到，轨顶坡对接触应力以及尖轨的内部应力都有着一定的影响作用，针对两者的影响情况以及影响的层面来进行系统的分析，可以有效的了解到适应于岔区钢轨轨顶坡的具体参数，依据这些参数，就可以实现对铁路道岔资源的优化配置。

参考文献：

[1]陈嵘，王平，李成辉.75kg/m钢轨12号重载道岔服役性能优化分析[J].铁道科学与工程学报.2011（06）