基于运用安全的货车脱轨车辆原因分析
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【摘 要】 近几年来，全国客货列车进行了多次提速，给全国铁路运输行业带来前所未有的生机与活力，同时也带来了一些不和谐的安全问题，其中货物列车空车脱轨的问题尤为突出，严重干扰了正常的铁路运输秩序，造成了很大的经济损失和社会不良影响。
车辆脱轨从力学理论上分析是由横向力过大和垂向力减载共同作用引起的。其脱轨基本分为两种形式：车辆因车辆激振，轮对减载率过大导致车轮跳上钢轨；车辆因轮轨间横向力和垂向力的比值失衡导致车轮爬上钢轨。
1 直线运行的脱轨安全性分析
在不考虑外界因素的情况下，直线运行时，轮轨横向力的主要来源是蛇形运动，车辆脱轨通常发生在车辆丧失横向运行稳定性之后，因此称之为蛇行脱轨。
蛇形失稳存在一个速度的临界值。当货车在脱轨临界时刻时，其轮对的横移量和摇头角较大，极可能产生轮缘和踏面同时接触钢轨的情况。低速时，车辆蛇行运动的轮对横移和摇头的幅值不大，只会影响车体的响应性能；车速提高，蛇行运动的轮对横移和摇头的幅值加大，轮缘与钢轨间的横向力增大，因轮缘与踏面间倾角的存在，钢轨反馈给轮缘的反作用力有一个向上的分量，当它的值超过轮对垂向力及轮轨间摩擦力时，就会出现轮缘与钢轨的接触点逐渐往轮缘顶端爬升的现象，车辆整体就会出现抬升，当抬升量高于轮缘高度，即发生脱轨。
2 曲线运行的脱轨安全性分析
2.1 曲线运行轮对横向力分析
速度越快、车辆自重越大则离心力越大，除开速度、重量的影响对曲线横向力的影响我们还必须考虑以下两点：
（1）车辆装载情况；为抵消离心力的作用，一般曲线区段都设置为外线超高。因为曲线超高的设置使车辆的重力产生一个横向分量，所以车辆货物的偏载导致的车辆重心偏移、及超限货物装载导致的车辆重心偏高都会增大车辆脱轨系数，严重危及行车安全。（2）车辆结构特点；采用间隙旁承的车辆在通过曲线时，上下旁承压死，使上下旁承的摩擦力过大，从而增加了横向力。车辆在通过曲线时车体和摇枕的转动不可能同步，存在一定的相对转动，也就存在一定的摩擦力，这也是横向力的一个来源。
2.2 曲线运动轮对减载率的分析
因曲线离心力的影响，在不考虑外线超高的情况下，通过曲线区段时车辆内侧轮对必然减载重，而外侧轮对则必然增载。曲线外线超高的设置即通过重心偏移抵消内外侧轮对的增减载变化量而增加了车辆脱轨稳定性。当然，这都是建立在一定速度限定范围内。同样，除开离心力对车辆增减载的影响，我们必须考虑以下两点：
（1）车辆装载情况；车辆载重的内偏会使内侧轮对增载，而外偏则使外侧轮对增载；车辆重心的增高，内外侧增减载同样加剧。（2）车辆结构特点；对于空车系统转向架中央悬挂弹簧横向和纵向刚度越小，轮重减载率越大。转向架构架或车体扭曲，车辆各弹簧垂向变形不同，存在制造公差，从而导致各轮载重分布不均，在运行过程中也是造成各轮对减载不均的原因。
近几年铁道部安监通报的脱轨事故分析统计结果（如表1）。
针对脱轨原因的力学机理分析结合全路脱轨事故原因分析情况，就货车运用部门而言，应该在日常检查中着重加强对一些关键部位的检查，可以减低车辆脱轨的概率；在发生车辆脱轨事故后，要从以下几方面着手调查脱轨车辆方面原因。
3.1 轮对部分
（1）轮缘磨耗过限；轮缘磨耗过限后，轮对通过道岔时，因为道岔的曲线半径较小，又不超高，由于离心力的作用，使轮缘承受较大的横向力容易爬上尖轨，如果轮缘有足够的厚度，轮缘外侧则将被基本轨挡住，不会使轮缘顶点爬上尖轨顶端。同时轮缘厚度变薄，轮缘与钢轨间隙增大，也变相增大了高速蛇形运动时的摆动幅度。（2）轮对踏面擦伤；轮对踏面擦伤，特别是大面积剥离会导致高速运行过程中使轮对产生激振，从而导致运行过程中常态性存在瞬间减载的情况，增大了脱轨风险系数。
3.2 转向架部分
（1）交叉杆裂损、盖板弯曲、端头螺栓松动丢失；交叉支撑装置及弹簧托板的设置增强了转向架的抗棱刚度，提高了蛇形失稳的临界速度。交叉杆折断及因异物撞击导致的盖板弯曲都会致使交叉杆的横向定位作用失效。（2）双作用弹性旁承裂损、失效；采用双作用弹性旁承将车体与旁承间摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦，大大减少了摩擦力所带来的横向力，增加了回转力矩，同时抑制了车体的摇头和侧滚。（3）斜契、磨耗板裂损、失效；侧架立柱磨耗板运用过程中铆钉折断丢失后，磨耗板窜出、破损、丢失导致斜契与磨耗板摩擦力发生变化，影响减振性能，加剧货车垂向振动；同时横向定位作用减弱甚至失效，也会加速蛇形运动。（4）弹簧折断、窜出；二级刚度弹簧的设置减少了空车状态下轮重的减载率，增加了空车状态下的脱轨稳定性。如果弹簧折断、错位导致本身的减振失效，加剧簧上车体振动，或是承重失衡导致车体出现倾斜，重心偏移。会增加车辆曲线脱轨的可能性。
3.3 车钩缓冲部分
互钩差过大，导致车钩在传递纵向力的过程中产生巨大的垂向分力，特别是在空中车混编的情况下，因为空车自重较轻，很容易被重车在加速及减速过程中拱起，从而造成轮对大量减载。
4 结语
根据以上对货车蛇行脱轨过程影响因素的分析可知，在货车运用检修过程中，需要着重加强对轮对、转向架部分的检查，当然货物装载以及车辆编组也是导致脱轨的可能性因素。
参考文献：
[1]曾宇清，王卫东，舒兴高，等.车辆脱轨安全评判的动态限度[J].中国铁道科学，1999（20）.