大秦重載鐵路75 kg/m鋼軌18號固定型轍叉設(shè)計(jì)研究

趙天運(yùn)，駱 焱，許有全

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055)

1 概述

大秦鐵路作為國內(nèi)第一條重載鐵路線路，近幾年運(yùn)量和牽引定數(shù)不斷增加，大量開行2萬t重載列車，2010年的運(yùn)量已達(dá)到4億t，2011年運(yùn)量預(yù)計(jì)將達(dá)到4.5億t，對鐵路軌道設(shè)備，尤其是鐵路道岔，帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

大秦鐵路正線主要采用12號、18號兩種道岔，轍叉類型分為固定型轍叉和可動(dòng)心軌轍叉兩種。可動(dòng)心軌轍叉不存在“有害空間”，消除了列車通過轍叉時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊，使列車運(yùn)行的平順性和舒適性得到了很大改善，同時(shí)轍叉的使用壽命也有很大的提高。然而，通過大秦重載鐵路的使用實(shí)踐，可動(dòng)心軌轍叉高平順性與長壽命的特點(diǎn)并未得到充分體現(xiàn)。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在大秦重載、高密度、大運(yùn)量的條件下，75 kg/m鋼軌可動(dòng)心軌轍叉平均使用壽命僅為1.5億～3.0億t，但養(yǎng)護(hù)維修的工作量卻很大，更換費(fèi)用也較高。更換可動(dòng)心軌轍叉所需要的線路封閉時(shí)間、用工數(shù)量及更換成本遠(yuǎn)大于固定轍叉，且可動(dòng)心軌轍叉曾發(fā)生過心軌斷裂而危及行車安全。

運(yùn)行實(shí)踐表明，目前的可動(dòng)心軌轍叉，難以滿足大秦鐵路重載運(yùn)輸?shù)男枰?，從使用壽命、養(yǎng)護(hù)維修工作量、更換成本和時(shí)間等方面綜合考慮，采用固定型轍叉較為有利。目前大秦鐵路已將75 kg/m鋼軌12號可動(dòng)心軌轍叉全部更換為固定型轍叉，但仍有部分18號道岔為可動(dòng)心軌轍叉。

根據(jù)太原鐵路局的安排，擬對大秦鐵路目前既有的75 kg/m鋼軌18號可動(dòng)心軌轍叉進(jìn)行現(xiàn)場改造，更換為固定型合金鋼組合轍叉。為此，對大秦鐵路18號可動(dòng)心軌轍叉的使用情況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，收集了相關(guān)資料，研究設(shè)計(jì)了18號固定型合金鋼轍叉，在此基礎(chǔ)上完成了現(xiàn)場改造的方案設(shè)計(jì)。

2 原道岔概況

原道岔為75 kg/m鋼軌18號單開道岔，道岔前長22 744 mm，后長37 256 mm，全長60 000 mm。導(dǎo)曲線半徑860 m，岔枕間距除牽引點(diǎn)處外，其余均為600 mm。道岔的主要特點(diǎn)如下。

(1)尖軌為16 600 mm長的60AT曲線尖軌。

(2)轍叉為可動(dòng)心軌轍叉，轍叉全長17 392 mm，翼軌采用60AT鋼軌鍛壓的特種斷面翼軌，后端焊接普通鋼軌。心軌采用60AT鋼軌拼接。短心軌后端設(shè)有斜接頭，與岔跟尖軌斜接。

(3)道岔側(cè)股設(shè)有膠接絕緣鋼軌。

(4)轍叉直側(cè)向均設(shè)有槽形護(hù)軌，直向長度7 600 mm，側(cè)向6 600 mm。

(5)道岔設(shè)1∶40軌底坡。

(6)軌下基礎(chǔ)為混凝土長岔枕。

(7)道岔內(nèi)鋼軌及道岔兩端與區(qū)間線路鋼軌均未焊接。

(8)尖軌3個(gè)牽引點(diǎn)、轍叉設(shè)2個(gè)牽引點(diǎn)，轉(zhuǎn)換桿件安裝在兩岔枕之間，轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝在岔枕上。

3 主要研究內(nèi)容

3.1 現(xiàn)場改造方案的研究

3.1.1 現(xiàn)場改造的原則

(1)道岔的轉(zhuǎn)轍器和導(dǎo)曲線部分不動(dòng)，只針對將可動(dòng)心軌轍叉更換為固定型轍叉進(jìn)行改造。

(2)道岔的扣件系統(tǒng)與原道岔相同。

(3)原道岔能夠利用的部件盡量利用，如護(hù)軌墊板、膠墊、彈條等。

(4)轉(zhuǎn)換設(shè)備拆除。

3.1.2 平面布置

(1)原道岔平面尺寸見圖1。

圖1 原道岔平面尺寸(單位:mm)

(2)改造后的道岔平面尺寸見圖2。

原可動(dòng)心軌轍叉趾端開口323 mm，固定型轍叉的趾端開口值最小可為198 mm，兩者相差125 mm，折算成水平距離差2 400 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)方案審查意見，將轍叉趾端后移了2 400 mm，以減少轍叉長度。但現(xiàn)場改造時(shí)需同步更換轍叉前的2根導(dǎo)軌。

可動(dòng)心軌轍叉后端較長，而固定型轍叉后端所需長度相對較短。為便于固定型轍叉的運(yùn)輸和更換，降低造價(jià)，更換后的固定型轍叉長度應(yīng)相應(yīng)縮短，因此轍叉跟端距離要發(fā)生變化。本次方案設(shè)計(jì)，固定型轍叉后端的長度主要根據(jù)安裝接頭夾板和岔枕間距確定，轍叉后長為6 001 mm。

圖2 改造后的道岔平面尺寸(單位:mm)

由于固定型轍叉后長小于可動(dòng)心軌轍叉，因此轍叉跟端與既有可動(dòng)心轍叉的跟端有5.4 m的距離。有2種處理方法，一種是插入短軌，現(xiàn)場更換轍叉時(shí)比較方便，但增加了1個(gè)鋼軌接頭，插入鋼軌長度也較短。另一種是同步更換岔后的2根連接軌，直接與合金鋼轍叉跟端連接，該方式鋼軌接頭沒有增加，但需要準(zhǔn)備2根長連接軌。采用第二種方式，更換岔后2根連接軌。

原道岔可動(dòng)心軌轍叉部分的岔枕間距，除牽引點(diǎn)外均為600 mm，本次設(shè)計(jì)將原牽引點(diǎn)處的岔枕間距調(diào)整為600 mm。

3.1.3 現(xiàn)場改造方案的選擇

改造方案有2種，一是混凝土岔枕不動(dòng)，間距也不變，只是將可動(dòng)心軌轍叉更換為固定型轍叉。二是將轍叉部分的混凝土岔枕同步更換。

方案一具有工作量少、操作簡單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但也存在以下缺點(diǎn):

(1)要利用原岔枕的釘孔，而可動(dòng)心軌轍叉的墊板又較長(最長達(dá)1.4 m)，若轍叉墊板按照原岔枕的釘孔設(shè)計(jì)，造成墊板較長，既不經(jīng)濟(jì)，也不合理。

(2)原道岔護(hù)軌的設(shè)置只是為了減輕心軌的磨耗，長度較短。改造后直、側(cè)向護(hù)軌長度均要增加，因此需要在既有岔枕上鉆孔錨固塑料套管，不僅工作量大，也影響現(xiàn)場改造的進(jìn)度。

(3)更換時(shí)難以在現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)組裝，難以驗(yàn)證轍叉墊板與既有岔枕的配合，一旦出現(xiàn)問題現(xiàn)場難以處理。同時(shí)更換時(shí)現(xiàn)場的調(diào)整工作量也較大。

采用方案二雖然要重新制造部分混凝土岔枕，增加部分造價(jià)，但可以使轍叉的設(shè)計(jì)更加合理?？梢赃M(jìn)行預(yù)組裝，更換方便，速度快，調(diào)整工作量少。能夠保證轍叉與岔枕的良好匹配。

綜合以上因素，采用第二種改造方案。

3.1.4 配軌的變化

轍叉趾端后移，前長減少2 400 mm，道岔導(dǎo)曲線配軌長度均應(yīng)增加2 400 mm。

3.1.5 護(hù)軌的布置

可動(dòng)心轍叉設(shè)置側(cè)向護(hù)軌的主要目的是為了減輕心軌的磨耗，其保護(hù)的位置主要在心軌尖端附近。對于固定型轍叉，護(hù)軌的作用是引導(dǎo)車輪走向，以安全通過轍叉“有害空間”，護(hù)軌保護(hù)的位置要從咽喉到心軌25 mm斷面以后，因此原來的護(hù)軌不能再繼續(xù)使用，必須重新設(shè)計(jì)更換。改造方案如下。

(1)改造后的護(hù)軌平面見圖3。

圖3 改造后的護(hù)軌平面(單位:mm)

(2)直向護(hù)軌

既有直向護(hù)軌長為7 600 mm，護(hù)軌墊板是從73號枕到85號枕，改造后的直向護(hù)軌長為7 800 mm，護(hù)軌墊板是從75號枕到87號枕，護(hù)軌墊板不增加。直向護(hù)軌平直段長為2 200 mm，緩沖段長度為2 650 mm，沖擊角為30'。

(3)側(cè)向護(hù)軌

既有側(cè)向護(hù)軌長為6 600 mm，護(hù)軌墊板是從74號枕到84號枕，改造后的側(cè)向護(hù)軌長為7 800 mm，護(hù)軌墊板是從75號枕到87號枕，增加2塊護(hù)軌墊板。側(cè)向護(hù)軌沖擊角與直向相同。

護(hù)軌的結(jié)構(gòu)與原道岔相同，但材質(zhì)采用合金鋼，與轍叉心軌的材質(zhì)相同，即采用心軌的坯料軋制槽形護(hù)軌。該方案結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，經(jīng)濟(jì)性好，還可以利用原道岔的護(hù)軌墊板。

3.2 轍叉類型的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定型轍叉目前主要有2種類型，一是高錳鋼整鑄轍叉，二是合金鋼轍叉。

由于18號轍叉較長，質(zhì)量較大，造價(jià)高，要求轍叉要具有較長的使用壽命。高錳鋼整鑄轍叉的使用壽命受鑄造工藝影響較大，目前鑄造工藝已有了較大的改善，但其平均使用壽命也難以超過1.5億t通過總重。對于18號轍叉，長度大，鑄造質(zhì)量更難以控制，本次不選用高錳鋼整鑄轍叉，但預(yù)留了高錳鋼轍叉的安裝條件。

合金鋼轍叉有多種結(jié)構(gòu)形式和材料類型，各種轍叉的使用壽命也不盡相同。經(jīng)過近10年的摸索與實(shí)際應(yīng)用，并結(jié)合大秦鐵路特殊條件，本次確定2種轍叉類型，即翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉和合金鋼鋼軌拼裝式轍叉，2種轍叉均有較好的使用業(yè)績，轍叉的使用壽命較長。

3.2.1 翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉

該轍叉由鍛制合金鋼叉心、翼軌、連心軌、翼軌鑲嵌塊、鐵墊板及連接零部件等組成。與普遍合金鋼轍叉的主要區(qū)別是在翼軌磨耗較為嚴(yán)重的部分增設(shè)了合金鋼鑲塊，用以提高翼軌的強(qiáng)度和耐磨性能，從而提高了轍叉的使用壽命。

(1)合金鋼鍛造叉心

采用強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性強(qiáng)的合金鋼鍛造并機(jī)加工，在合金鋼鍛造叉心兩側(cè)作3個(gè)直徑為80 mm的沉孔，與間隔鐵上的凸臺鑲嵌在一起。見圖4。

圖4 合金鋼鍛造叉心

(2)翼軌與合金鋼鍛造翼軌的設(shè)計(jì)

翼軌采用鑲嵌合金鋼這種結(jié)構(gòu)，翼軌不做縱向頂彎，翼軌加高是由合金鋼鍛造翼軌來完成。本次設(shè)計(jì)翼軌合金鋼的加高優(yōu)化為3 mm。

普通鋼軌翼軌軌頭與翼軌鑲嵌塊貼合面處采用貼尖式，而不是鑲尖結(jié)構(gòu)，這樣使該處翼軌軌頭保持全斷面，從而避免由于翼軌軌頭刨切削弱翼軌強(qiáng)度。

為保證咽喉處翼軌有單獨(dú)承擔(dān)車輪荷載的能力，鍛造翼軌的最寬處取為66 mm，在工作邊一側(cè)有6個(gè)直徑為80 mm的沉孔，與間隔鐵上的凸臺鑲嵌在一起，將力直接傳遞到翼軌，避免螺栓直接受力。轍叉翼軌在有害空間范圍鑲合金鋼，將大大提高翼軌的耐磨性。見圖5。

(3)叉心與連心軌部分

叉心與連心軌的連接方式可有2種選擇。第一種為貼尖式，第二種鑲尖式，見圖6。

圖5 合金鋼翼軌與心軌的連接

圖6 叉心與連心軌的連接

貼尖式的優(yōu)點(diǎn)是叉心跟端及連心軌加工較簡便，叉心跟端刨切量少，缺點(diǎn)是連心軌尖端的軌頂?shù)陀谲壘嗑€以下，使叉心工作邊與連心軌尖端斷線，形成“缺肉”現(xiàn)象，容易造成輪背二次沖擊。而鑲尖式在拼接處將叉心跟部切成缺口，同時(shí)連心軌頭部也削成相應(yīng)的形狀，鑲在缺口中。這種方式，可保持叉心工作邊為一連續(xù)的直線，避免了輪背二次沖擊。在叉心的跟部作成喇叭口狀，具有限制叉心與連心軌相互錯(cuò)動(dòng)的作用。同時(shí)，叉心根部與連心軌在軌頭下頦及軌底面有4個(gè)1∶4的斜面吻合，增加摩擦力，也起到限制叉心與連心軌相互錯(cuò)動(dòng)的作用，根據(jù)75 kg/m鋼軌12號合金鋼轍叉的使用經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)亦采用鑲尖式的結(jié)構(gòu)形式。

(4)間隔鐵及螺栓的布置

間隔鐵和高強(qiáng)度螺栓是保證整個(gè)轍叉使用性能的重要部件，本設(shè)計(jì)采用全斷面接觸間隔鐵，材料為鑄鋼。拼裝轍叉共用20塊間隔鐵，采用24根M27、10.9級高強(qiáng)度螺栓和10級的防松螺母組裝聯(lián)結(jié)，提高了轍叉整體框架剛度，最大限度地減小轍叉各部件的相對位移，保證轍叉的整體性。螺栓扭矩為1 200 N·m。

(5)軌底坡設(shè)置

轍叉趾、跟端設(shè)1∶40的軌底坡，可以和線路平順連接，轍叉趾端的軌底坡由翼軌前接頭夾板后250 mm范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)過渡，跟端軌底坡由連心軌接頭夾板前250 mm范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)過渡。

3.2.2 合金鋼鋼軌拼裝式轍叉

轍叉采用翼軌與長短心軌拼裝方式，翼軌用75 kg/m鋼軌制造，心軌用60AT鋼軌制造，材質(zhì)均為合金鋼。見圖7。

圖7 合金鋼鋼軌拼裝式轍叉

為避免心軌過早受力，在咽喉至心軌尖端前逐漸將翼軌抬高6 mm。

為保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，將翼軌內(nèi)側(cè)軌底適度刨切，長短心軌落在臺板上。

(1)間隔鐵

長短心軌及翼軌間用間隔鐵及10.9級M27的高強(qiáng)螺栓連接，長短心軌間連接螺栓扭矩為600 N·m。翼軌用間隔鐵連接螺栓扭矩為1 100～1 200 N·m。間隔鐵采用全斷面接觸間隔鐵，材質(zhì)為鑄鋼，提高了轍叉整體框架剛度，最大限度地減小轍叉各部件的相對位移，保證轍叉的整體性。

(2)螺栓的防松與防轉(zhuǎn)

為方便現(xiàn)場安裝，便于養(yǎng)護(hù)維修，采用10級的防松螺母和具有防轉(zhuǎn)功能的墊圈。

(3)軌底坡設(shè)置

轍叉趾、跟端設(shè)1∶40的軌底坡，可以和線路平順連接，轍叉趾端的軌底坡由翼軌前接頭夾板后250 mm范圍內(nèi)扭轉(zhuǎn)過渡，跟端軌底坡由長、短心軌跟端壓型扭轉(zhuǎn)過渡。

3.2.3 墊板

原道岔可動(dòng)心軌轍叉部分的墊板均不能使用，必須重新設(shè)計(jì)墊板。墊板厚度為26 mm，寬度200 mm，與原道岔相同。

護(hù)軌墊板可以繼續(xù)使用，需增加的護(hù)軌墊板也與原墊板相同。

3.2.4 扣件

扣件采用彈條Ⅱ型扣件。

3.2.5 橡膠墊板

鋼軌下設(shè)5 mm厚橡膠墊板，鐵墊板下設(shè)10 mm厚橡膠墊板。橡膠墊板需重新設(shè)計(jì)。

3.3 配套混凝土岔枕的設(shè)計(jì)

轍叉部分序號73～99號混凝土岔枕需更換為新的岔枕。其中，76～91號岔枕考慮與高錳鋼轍叉互換條件，即高錳鋼和合金鋼2種類型轍叉的混凝土岔枕通用。

岔枕采用無擋肩等截面設(shè)計(jì)，岔枕的斷面、配筋及預(yù)埋塑料套管與原道岔相同。

本次設(shè)計(jì)將原轍叉牽引點(diǎn)處的岔枕由原來的650 mm，調(diào)整為600 mm。

4 鋪設(shè)使用情況

2010年9月30日和10月4日分別在大秦線王嶺線路所1號岔位和茶塢站21號岔位鋪設(shè)了2組75 kg/m鋼軌18號翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉。茶塢站18號轍叉通過總重3.5億t，王嶺線路所通過總重2.5億t。

2010年9月28日，在大同縣站鋪設(shè)了75 kg/m鋼軌18號拼裝式合金鋼轍叉，通過總重約3.5億t。

5 結(jié)語

經(jīng)過不懈努力，75 kg/m鋼軌18號固定型轍叉的研究和設(shè)計(jì)已取得了初步的成果，滿足了大秦重載鐵路運(yùn)輸?shù)男枰?。下一步要繼續(xù)關(guān)注轍叉的使用情況，找出影響轍叉使用壽命的關(guān)鍵因素，不斷優(yōu)化轍叉結(jié)構(gòu)，積極采用新材料，從而進(jìn)一步提高轍叉的使用壽命，更好的為重載鐵路運(yùn)輸服務(wù)。

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