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减少列车横向摇摆力对曲线的影响

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：高向国

[导读] 摘要：本文从列车横向摇摆力的认识出发，说明列车横向摇摆力的定义、评判大小和安全标准，并从多个方面来阐述曲线上列车横向摇摆力产生的原因，并对其治理措施进行了论述。

        中国铁路沈阳局集团有限公司吉林工务段吉林吉林 132001
        摘要：本文从列车横向摇摆力的认识出发，说明列车横向摇摆力的定义、评判大小和安全标准，并从多个方面来阐述曲线上列车横向摇摆力产生的原因，并对其治理措施进行了论述。
        关键词：横向摇摆力、曲线
        概述：
        当曲线轨道和机车车辆均能保持相对较好的技术状态，机车车辆在限值内运行，列车的横向摇摆力受到轨道结构刚度的控制，会保持相对的稳定性。但随着运营的时间延长，运量的增加，曲线轨道结构刚度的降低和机车车辆的各种部件的磨损，列车的摇摆力会随着曲线轨道和机车车辆的技术状态的下降，轮轨之间作用力的增大而加剧，一旦机车车辆系统因自身或从曲线轨道上获得大幅度的横向摇摆力时，就会打破正常的运行状态，失去运行平稳性，随时间的推移，失稳程度也会越来越严重，其运行品质将急剧恶化，并导致轮轨间强烈的相互作用，引起严重的轮轨磨耗，对曲线轨道造成极大危害。因此，要减少列车横向摇摆力对曲线的影响，就要了解它的产生。
        一、列车横向摇摆力的概念
        在轨道上运行的列车，由于做蛇行运动，车轮的踏面、轮缘与钢轨头部及内侧作用面接触时，会有各种不同角度的力通过车轮传递到钢轨上，因受力的影响列车产生摇摆，除去竖向力以外的，各轮对侧向水平冲击钢轨的力统称为列车横向摇摆力。
        二、评判列车横向摇摆力的依据
        列车的横向摇摆力在运行当中，对行车安全有着直接影响，多数的列车脱轨均与横向摇摆力的过大和轮重减载有关。而确定轨道和桥梁承载列车运行安全的标准，是以最大车辆脱轨系数和最大车辆轮重减载率两个基本指标来评判的。
        1、最大车辆脱轨系数Q/P。即机车、车辆轮对对左右股钢轨同一瞬间产生的最大轮轨横向力Q与垂向力P之比。

        我国《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》（GB5599-85）规定的脱轨系数安全标准：
        脱轨系数 Q/P≤1.0（允许限度），≤1.2（危险限度）
        减载率 △P/ ≤0.6（允许限度），≤0.65（危险限度）
        根据上述公式和安全标准值就能看出，当列车的横向摇摆力大与竖向力，同时一侧车轮轮重减载量越大于平均轮重，两者比值接近或超过临界值时，悬浮的车轮就容易爬上轨面，引发脱轨。因此，如何减少运行当中的列车横向摇摆力，控制轮重减载量保持在规定限值内，提升曲线的质量，就要找出曲线轨道上存在的病害和隐患，减少造成曲线技术状态降低的不利因素，才能保证列车运行的稳定性。
        三、曲线上列车横向摇摆力产生的原因分析
        在轮轨接触点上，产生横向摇摆力的原因有：
        1、机车车辆若在有方向不良的曲线上运行时，因车轮轮缘冲击钢轨而引起的横向摇摆力。
        ⑴ 钢轨方面：轨距变化、肥边、钢轨内侧工作边不均匀磨耗、锁定轨温不准造成的应力不均引起的碎弯、接头和焊缝支嘴、硬弯、曲线正矢不良、曲线鹅头等。
        ⑵ 轨枕与联结零件方面：挡肩失效、扣件松动失去作用或失效、接头螺栓松动造成错牙。
        ⑶ 道床方面：厚度不足，边坡缺砟及夯拍不密实，致使横向摩擦阻力不足引起的线路碎弯，石砟脏污产生冻害引起的方向改变。
        ⑷ 路基与排水方面：路基下沉，排水设备不良造成路基含水量过多，冻涨引起的水平与高低的改变，更加剧列车的横向摇摆。
        2、机车车辆通过有未被平衡外轨超高的曲线时，因离心力与向心力不能相互抵消而引起的横向摇摆力。
        未被平衡的超高有两种。一是欠超高；二是过超高。
        欠超高出现时，离心力大于向心力。上股钢轨轨头因离心力产生的列车横向摇摆力对上股钢轨的冲击增加，轨头受力疲劳过度出现肥边、撞道的现象，曲线失去原有圆顺度，逐渐出现正矢不良、轨距变化、轨枕挡肩破损、扣件上炕，上股胶垫外侧受压出现塑性变形、钢轨会逐渐出现向外侧倾现象；随着各种病害的不断出现，下股车轮会因列车横向摇摆力的增加，造成下股车轮轮重减载量逐渐增加。
        过超高出现时，正好与欠超高受力相反，向心力大于离心力，随向心力产生的列车横向摇摆力加剧，上股车轮轮重减载量增加。下股钢轨轨头受竖向压力增加，枕下胶垫内侧会出现塑性变形，钢轨会逐渐出现内倾，随着轮轨作用力的不断积累，钢轨轨头还会逐渐出现压溃现象，存在较严重的行车安全隐患。
        3、机车车辆通过曲线时，因车厢或转向架转向、减震设备不良，也会增加车轮轮缘作用于钢轨侧面上的横向摇摆力。
        4、机车车辆的偏载也是加剧车辆产生横向摇摆力的一个不利因素。
        5、有强大风力的风口处，有强季风处，空气对流较强地段，由于风力荷载的作用产生的列车横向摇摆力。
        四、治理方法
        从上述的原因可以看出，是轨道的方向主要影响着列车横向摇摆力，那么，要减少方向的影响，就要减少主要因素的产生，才能控制住列车横向摇摆力。
        1、控制曲线方向，减少列车横向摇摆力。
        ⑴ 对钢轨的整治。控制轨距变化率的波动，定期进行打磨，及时进行改道、拨道，消除方向，定期涂油，减缓钢轨磨耗；无缝线路曲线地段，不论放散还是作业，严格控制锁定轨温，保证应力均匀，消除碎弯；对支嘴接头进行改正，焊缝支嘴割掉重焊，对硬弯轨进行矫正，用全站仪对曲线进行精确测量，定位拨正，消除鹅头、正矢不良，保证曲线圆顺度。
        ⑵ 对挡肩失效或掉块不能修补的轨枕进行更换；整治联结零件，保证扣压力和扭力矩达标，对破损的零配件及时更换，并按规定标准安设轨撑和轨距杆，增强轨道整体框架刚度。
        ⑶ 道床应保证厚度，按规定满足砟肩堆高，边坡应保持石砟饱满、尤其曲线外侧应按规定进行补充石砟，并进行夯拍密实，无缝线路地段更不能缺砟，才能确保道床的横向阻力，减少碎弯的产生。发现道床赃物，及时清筛，保证道床排水通畅，既能控制翻浆冒泥的发生，又能减少冬季道床冻害引发的方向变化。一旦发生翻浆冒泥，应先放出道床中的淤水，然后进行换填石砟，
        ⑷ 路基应保持排水畅通，尤其是路堑地段，为避免水泡路基现象发生，要经常疏通排水设施，对于浅层冻害可采取注盐处理，对于深层冻害，应在春融后进行开挖换填土夯实处理。待路基大修时着重解决。
        2、合理设置曲线超高，降低列车横向摇摆力对曲线的影响。首先，应加强对列车运行速度的检测，掌握上行和下行货车和客车的运行速度；其次，现场检测上下股钢轨的磨耗情况，根据检测结果，通过计算设置最为合理的超高，以减少轮重减载量，从而达到延长曲线轨道的使用寿命，同时，延长修理周期。
        3、机车车辆在运行当中，保持机车车辆处于良好的技术状态，也是减少列车横向摇摆力的因素之一。
        4、在车辆的装卸过程当中，应严格控制偏载的情况出现，同时，防止装载少量货物时，货物在车厢内移动而加剧横向摇摆。
        5、日常应加强对大风天气的掌握，有强气流对流地段，在发生时，应采取避让，以减少对运行中列车横向摇摆力的加载。
        五、结论
        总之，曲线轨道上运行列车所产生的横向摇摆力，不论是从列车自身、还是从曲线轨道上、或是由其它原因获得，最终都会经过车轮传递到曲线轨道上，进而通过各种病害形式显现出来，因此，在日常静态检查时，要做到细致入微无遗漏，并结合动态检测数据，进行综合分析，才能做出正确的判断，制定出全面的行之有效的解决方案，恢复轨道技术指标在设计允许范围内，减少或延缓曲线轨道的疲劳和损伤，从而降低列车横向摇摆力对曲线的影响，延长曲线轨道使用周期。
        参考文献：
        1、《列车桥梁时变系统振动分析理论与应用》曾庆元郭向荣中国铁道出版社 1999.08.01
        2、《列车脱轨分析理论与应用》曾庆元向俊周智辉娄平著中南大学出版社 2006.12.01
        3、《铁路轨道》童大埙中国铁道出版社 1996年