驼峰平纵断面条件对脱轨安全性影响及整治方案研究

运营与维护
0 引言
驼峰是编组站的核心调车设备，溜放部分是峰顶到计算停车点之间的线路范围，为车辆解体作业的核心部分，由一系列下坡组成，钩车可获得所需的动能和势能，以便利用自身重力安全溜到指定地点。

溜放部分存在小号码道岔、曲线、纵坡等多种线路工况，往往是
脱轨事故多发点[1]。

驼峰设计规范中对溜放部分线路平面、线束布置、溜放线数量、曲线半径、峰顶至第一分路道岔基本轨缝间距、溜放部分间隔制动位的设置、禁溜线、迂回线等提出具体要求，大量学者也研究了驼峰脱轨安全性问题[2-5]，但对复杂线路条件下驼峰安全性问题及平纵匹配关系的研究较少。

结合驼峰溜放过程动力学分析，研究平纵断面条件对脱轨安全性的影响关系，研究溜放区线路整治方案，并结合测试验证方案效果。

1 线路条件对驼峰脱轨安全性影响理论分析
1.1 动力分析模型
运用多体动力学仿真软件SIMAPCK建立货车动力学模型，货车被模拟成由车体、转向架和轮对组成的多自由度振动系统，考虑悬挂系统游间、刚性止挡和干摩擦（库仑摩擦系数设为定值）等非线性关系，系统自由度共41个（见表1）。

车辆参数参照C 70型敞车空车设置[6]。

基金项目：北京铁路局科研计划重点项目（2014AG05）。

驼峰平纵断面条件对脱轨安全性影响及整治方案研究
朱耀斌：北京铁路局秦皇岛工务段，段长，高级工程师，北京，100860孙晓楠：北京铁路局工务处，工程师，北京，100860陈富宾：北京铁路局工务处，高级工程师，北京，100860
摘 要：在综合考虑驼峰平纵断面、道岔特征基础上，建立驼峰溜放区车辆线路动力学模型，研究驼峰线路条件对脱轨安全性的影响。

研究结果表明：为保证直圆点或变坡点造成的冲击和抬升量不与尖轨冲击相互叠加，驼峰曲线与第一分路道岔间夹直线长度及变坡点距尖轨长度宜大于轴距；尖轨区域重点控制轨距不平顺，为满足安全性，需保证轨距变化率不大于2‰；通过调整线路平纵断面参数改善驼峰线路条件的整治措施，可有效提高车辆溜放安全性，降低安全风险。

关键词：编组站；驼峰；安全性；脱轨；线路条件
中图分类号：U213 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2015）08-0029-05
驼峰平纵断面条件对脱轨安全性影响及整治方案研究 朱耀斌 等
根据驼峰溜放区段特点，重点关注加速度坡及中间坡部分安全性问题。

加速度坡设计坡度33.5‰，中间坡设计坡度18.0‰。

加速度坡区段平面曲线半径400 m，加速度坡区段平圆曲线和中间坡第一分路道岔间夹直线长6 m，变坡点位置距离尖轨尖端6 m。

线路平纵断面情况见图1。

第一分路道岔采用6.5号道岔。

道岔采用50 kg/m钢轨，导曲线半径200 m，容许通过速度35 km/h。

尖轨为相离半切线型藏尖式尖轨，尖轨前端设置迎轮防磨护轨。

对道岔钢轨截面的实际形状进行离散形成截面文件，轮轨接触几何关系计算时调用截面文件，采用线性插值得到相邻两个截面之间的钢轨截面，从而实现接触几何关系的模拟。

轮轨间法向力由Hertz非线性弹性接触理论确定，根据Kallker线性蠕滑理论计算轮轨接触斑上的蠕滑力，并采用Johnson-Vermeulen理论进行修正。

轮
背与护轨、翼轨间采用弹性接触模型，在轮轨之间建立弹簧-阻尼力元件，法向力通过轮轨相对位移及速度实时计算确定[7]。

建立溜放区动力学模型。

选取丰台西站驼峰四场车辆溜放试验验证，四场东峰线路平纵断面条件与图1类
似，溜放速度20 km/h。

在第一分路道岔尖轨前端粘贴应变花组桥，采集应变变化规律，通过标定得到轮轨垂直力和横向力，计算得到脱轨系数和减载率（见表2）。

由表2可以看出，C 70型敞车空车通过时安全性指标计算结果和测试结果基本吻合，表明理论模型具有一定精度。

1.2 第一分路道岔前夹直线对安全性的影响
在第一分路道岔前设置20 m长夹直线，计算得到车辆以20 km/h通过时动力响应时程曲线（见图2）。

由图2可以看出，空车车体振动响应、轮重减载率均高于重车；在zy、yz及变坡点车体振动加速度均受到冲击振动，车体横向加速度按车体横向振动周期衰减，zy点冲击约在1.7 m范围内衰减完成；车体每一轮对通过时在yz 点处明显出现较大减载现象，并且轮对之间冲击相互影
表1 货车运动模型的自由度
（a）平面线形
（b）溜放区纵断面
图1 溜放区平纵断面示意图
表2 尖轨前脱轨系数及轮质量减载率对比
zy
yz
尖轨尖端 导曲线
R =400 m
夹直线
R =200 m
i =33.5‰
尖轨尖端
变坡点
i =18.0‰
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响；尖轨区域出现轮对悬浮和较大冲击长度约1.7 m，二位轮对和三位轮对距离7~8 m，若保证夹直线长度大于轴距，就能保证yz点造成的冲击和抬升量不与尖轨冲击
相互叠加。

1.3 纵断面变坡点位置对安全性的影响
改变加速坡和中间坡变坡点距道岔尖轨前端距离，图3为变坡点距尖轨3.09 m和1.09 m情况下轮质量减载率变化情况，可见，变坡点冲击导致轮质量减载率增加，各轮对在变坡点处冲击相互影响；变坡点距尖轨1.09 m 条件下（小于轴距）车体振动响应和尖前轮质量减载率明显大于变坡点距尖轨3.09 m条件下（大于轴距）各项响应值；尖轨区域出现轮对悬浮和较大冲击长度约1.7 m，二位轮对和三位轮对距离7~8 m，若保证变坡点距尖轨大于轴距，就能保证变坡点造成的冲击和抬升量不与尖轨冲击相互叠加。

1.4 尖轨轨距变化率对安全性的影响
为较好实现车辆通过，降低动力响应，在尖轨区域
设置轨距加宽[8]，具体为尖前加宽10 mm、尖轨及导曲线加宽15 mm（见图4）。

在尖轨区域设置不同的轨距变化率进行仿真计算，图5为轨距变化率与尖轨区域脱轨系数之间的关系。

由计算结果可知，尖轨区域轨距变化率重点影响尖轨处脱轨系数，较大轨距变化率在一定程度上降低尖轨处安全性；轨距变化率3.8‰时轮对出现悬浮情况，脱轨系数迅速增大，轨距变化率1.9‰和3.8‰情况下脱轨系数分别比理想状态下约高14%和133%，建议尖轨区域重点控制轨距不平顺，保证轨距变化率不大于2‰。

（a）变坡点距离尖端1.09 m
图4 尖轨加宽
（b）变坡点距离尖端3.09 m 图3 溜放时轮质量减载率变化曲线
（a）车体横向加速度变化曲线
（b）轮质量减载率变化曲线图2 溜放时动力响应变化曲线
1.0 1.5
2.0 2.5
3.0 3.5
4.0 4.5
5.0 5.5
6.0 6.5
7.0 7.5
8.0 8.5
9.0 9.50.20
0.15
0.10 0.05 0.00 -0.05
-0.10
-0.15
0.20
0.15 0.10 0.05 0.00 -0.05 -0.10 -0.15
1.0 1.5
2.0 2.5
3.0 3.5
4.0 4.5
5.0 5.5
6.0 6.5
7.0 7.5
8.0 8.5
9.0 9.5
空车
1.75 m
1.75 m 重车 车体横向加速度/（m ·s -2） 车体横向加速度/（m ·s -2）
时间/s
第1轮对左轮第1轮对右轮第2轮对左轮第2轮对右轮
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2
轮质量减载率
时间/s
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
4.0 4.5
5.0 5.5
6.0 6.5
7.0 7.5
8.0 8.5
9.0 9.5 10.0
1.2
1.0
0.8
0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2
左轮 右轮 轮质量减载率
时间/s
4.0 4.5
5.0 5.5
6.0 6.5
7.0 7.5
8.0 8.5
9.0 9.5 10.0
1.2
1.0
0.8
0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2
左轮 右轮 轮质量减载率
时间/s
1 435.0
1 445.0
1 450.0
9 643.0 5 228.0 5 228.0 9 643.0
8 880.5
单位：mm
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2 线路整治方案及效果分析
2.1 驼峰线路整治方案
结合北京铁路局丰台西编组站四场驼峰情况和理论计算成果，对驼峰加速坡和中间坡线路提出了整治方案，具体如下。

2.1.1 调整驼峰纵断面
对加速度和中间坡进行调正，使其满足设计高程要求，加速坡调整为33.5‰，中间坡调整为18.0‰，坡度代数差调整为15.5‰，调整方案见图6，起道量见图7。

2.1.2 调整变坡点位置
将加速坡与中间坡的变坡点位置调整至道岔尖前3.09 m处。

2.1.3 调整夹直线长度
对道岔尖前曲线进行拨正，恢复曲线正确位置，将曲线终点与道岔尖轨尖端间夹直线长度调整为6.94 m。

2.1.4 调整道岔几何尺寸
通过采取捣固、改道和更换磨损零配件等方法，对道岔几何尺寸进行全面调整，重点对轨距变化率进行整修，尖轨区域轨距变化率控制在2‰以下。

2.2 改善效果分析
对改善前后C 70型敞车空车溜放动力响应进行计算，图8、图9为改善前后脱轨系数和轮对抬升量对比曲线，可见，线路整治改善后脱轨系数在尖轨和辙叉处明显降低，空车脱轨系数由0.6降低至0.4，各轮对在尖轨区域抬升量明显降低，最大降低约6 mm，有效降低了安全风险。

2.3 改善效果测试分析
以丰台西四场为研究背景，对整治后的驼峰溜放效
图5 轨距变化率与脱轨系数之间的关系
图6 加速坡和中间坡纵断面高程
图7 加速坡和中间坡起道量图8 改善前后脱轨系数对比
图9 改善前后轮对抬升量峰值对比
脱轨系数
0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00
轨距变化率/ ‰
0 1 2 3 4 5 6
既有高程
设计高程
10.0 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5
100 80 60 40 20 0 -20
高程/m
起道量/m m
里程/m
里程/m
脱轨系数
轮对抬升量/m m
33.5变坡点 18 408﹟岔尖
zy
yz
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.1 0.0 -0.1
-0.2 -0.3 -0.4 -0.5
-0.6 -0.7
改善前
改善后
时间/s
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
改善前 改善后
第1轮对
左轮
10 8 6 4 2 0
第1轮对右轮
第2轮对左轮
第2轮对右轮
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果进行现场试验。

在第一分路道岔尖轨前和辙叉部位布设测点，测试不同车辆通过时的轮轨力。

图10、图11为尖轨前端和辙叉部位脱轨系数和减载率散点图。

测试表明：车辆通过驼峰溜放区时脱轨系数未超过1.2的安全限值；部分车辆轮质量减载率有超过0.9动态轮质量减载率限值，但此时脱轨系数小于1.2的安全限值，说明冲击时间极短，不会有脱轨危险。

3 结论
在综合考虑驼峰平纵断面、道岔特征基础上，建立驼峰溜放区车辆线路动力学模型，研究驼峰线路条件对脱轨安全性的影响，主要研究结论如下：
（1）为保证直圆点或变坡点造成的冲击和抬升量不与尖轨冲击相互叠加，驼峰曲线与第一分路道岔间夹直线长度及变坡点距尖轨长度宜大于轴距（约1.8 m）。

（2）尖轨区域重点控制轨距不平顺，为满足安全性，需保证轨距变化率不大于2‰。

（3）通过调整线路平纵断面参数改善驼峰线路条件的整治措施可较为有效地提高车辆溜放安全性，降低安全风险。

参考文献
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责任编辑 苑晓蒙收稿日期 2015-07-01
图10 尖轨前端和辙叉部位脱轨系数散点
图11 尖轨前端和辙叉部位减载率散点
尖轨（左侧）
尖轨（右侧） 辙叉（左侧） 辙叉（右侧）
尖轨（左侧）
尖轨（右侧） 辙叉（左侧） 辙叉（右侧）
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
1 2 3 4
1 2 3 4
脱轨系数
轮质量减载率
轮轴数
轮轴数。