高原氣候環(huán)境下60 kg/m鋼軌12號(hào)單開道岔的設(shè)計(jì)研究

孫永寧 雷 潔 魏征孔

(1.中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司，青海 西寧 810000；2.中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721000；3.中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司格爾木工務(wù)段，青海 格爾木 816000)

1 概述

青藏鐵路全線較多區(qū)域年平均氣溫在0 ℃以下，氣溫低,且日差較大。溫差是造成無(wú)縫線路鋼軌溫度力的主要因素，因此青藏鐵路所處的復(fù)雜氣候環(huán)境，對(duì)道岔扣件系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件用于跨區(qū)間無(wú)縫線路技術(shù)的適應(yīng)性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此外，青藏鐵路途經(jīng)多處環(huán)境惡劣地帶甚至無(wú)人區(qū)，尤其是嚴(yán)寒缺氧所造成的人機(jī)工作效率下降，這對(duì)高原氣候環(huán)境下減少道岔養(yǎng)護(hù)維修量及提供道岔關(guān)鍵部件的長(zhǎng)期服役性能提出了更高的要求。

目前，青藏鐵路線路站線92改進(jìn)型60 kg/m鋼軌12號(hào)單開道岔鋪設(shè)組數(shù)較多。該類型道岔為鐵路提速時(shí)代的典型道岔產(chǎn)品，自研制至今已有近20年，隨著鐵路運(yùn)營(yíng)能力的提升，該道岔的一些結(jié)構(gòu)已不能完全滿足鐵路運(yùn)營(yíng)的需要。尤其是對(duì)于溫差范圍比較大的地區(qū)，該道岔的一些病害造成工務(wù)部門養(yǎng)護(hù)維修工作量較大。

近年來(lái)隨著工聯(lián)岔、客專及重載道岔的發(fā)展，鐵路線路在營(yíng)運(yùn)速度、營(yíng)運(yùn)總量上有了長(zhǎng)足的發(fā)展，我國(guó)道岔設(shè)計(jì)水平也有了質(zhì)的飛躍，大量新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)及新材料被運(yùn)用在道岔上，提高了道岔的整體設(shè)計(jì)水平。因此，有必要汲取先進(jìn)道岔設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出新型道岔，滿足高原特殊氣候環(huán)境運(yùn)營(yíng)需要。

2017年3月，青藏集團(tuán)公司工務(wù)部聯(lián)合中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，合作立項(xiàng)《復(fù)雜氣候環(huán)境下60 kg/m鋼軌12號(hào)單開道岔優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)》。旨在滿足與專線4249道岔互換的基礎(chǔ)上，開發(fā)出滿足青藏鐵路特有復(fù)雜氣候的新型道岔,以達(dá)到以下目的:

1)有效的提高道岔關(guān)鍵部件使用壽命。

2)減少道岔養(yǎng)護(hù)維修工作量。

3)滿足復(fù)雜氣候環(huán)境下道岔無(wú)縫化適應(yīng)性要求。

2 道岔設(shè)計(jì)

《復(fù)雜氣候環(huán)境下60 kg/m鋼軌12號(hào)單開道岔》的設(shè)計(jì)以既有成熟道岔產(chǎn)品為綜合技術(shù)平臺(tái)，堅(jiān)持“成熟、可靠、先進(jìn)”原則。

2.1 道岔延長(zhǎng)使用壽命設(shè)計(jì)

2.1.1道岔線型

道岔全長(zhǎng)、前長(zhǎng)、后長(zhǎng)及q值均與專線4249道岔相同，適用于青藏鐵路直向速度不大于160 km/h的區(qū)段，見圖1。

尖軌采用相離型半切線線型，尖軌采用半直半曲設(shè)計(jì)，相對(duì)專線4249道岔，將尖軌切點(diǎn)位置后移，提高曲線尖軌粗壯度。在我國(guó)重載道岔及部分地鐵道岔中，該技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明，該技術(shù)對(duì)提高尖軌的使用壽命有顯著的效果。

2.1.2基本軌、尖軌結(jié)構(gòu)

列車逆向進(jìn)岔通過(guò)道岔側(cè)股時(shí)，由于慣性力及離心力作用，對(duì)曲線尖軌磨耗較為嚴(yán)重。為提高曲線尖軌的使用壽命，在直基本軌與曲線尖軌密貼范圍內(nèi)，對(duì)基本軌工作邊進(jìn)行3 mm水平刨切，見圖2。

新型道岔與專線4249道岔尖軌寬度對(duì)照如表1所示。

表1 曲線尖軌軌頭寬度對(duì)照

2.1.3轍叉結(jié)構(gòu)

轍叉采用組合式高錳鋼叉心結(jié)構(gòu)，趾、跟端長(zhǎng)度與專線4249道岔轍叉參數(shù)一致，可滿足整組轍叉互換要求。

該型式轍叉由2根翼軌、不對(duì)稱式高錳鋼整鑄叉心及長(zhǎng)、短叉跟軌通過(guò)高強(qiáng)螺栓拼裝而成，可適用于無(wú)縫線路的焊接要求，且進(jìn)一步增強(qiáng)轍叉滿足無(wú)縫化線路，抵御溫度力的能力。

2.2 道岔減少養(yǎng)護(hù)維修工作量設(shè)計(jì)

2.2.1無(wú)銷釘彈片式結(jié)構(gòu)滑床板及護(hù)軌墊板

滑床板及護(hù)軌墊板均采用無(wú)銷釘彈片式結(jié)構(gòu)， 該彈片式結(jié)構(gòu)自2007年以來(lái)大面積應(yīng)用在工聯(lián)岔系列時(shí)速200 km道岔中，較銷釘彈片式滑床板故障率低，提高列車過(guò)岔的安全性，方便線路養(yǎng)護(hù)維修，應(yīng)用效果良好，見圖3。

2.2.2扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用加強(qiáng)型Ⅱ型彈條，該彈條較普通Ⅱ型彈條，直徑增加了2 mm，單個(gè)彈條扣壓力不小于12 kN。相對(duì)普通彈條Ⅱ型扣件，扣壓力增加，可增強(qiáng)道岔的穩(wěn)定性，抗衡溫度力。

2.2.3熱固性彈性體墊層

彈性墊層采用熱固性聚酯彈性體，該材料通過(guò)改變分子鏈技術(shù)，較熱塑性材料成品模量發(fā)生變化，在超低溫和超高溫的區(qū)間里，材料的剛度變化值較小。

2.2.4岔枕螺栓機(jī)構(gòu)

岔枕螺栓采用研線0405通用Ⅲ型岔枕螺栓及配套緩沖套、墊圈等，在岔枕螺栓塑料套管外增設(shè)預(yù)埋不銹鋼套管。塑料套管頂部帶有四個(gè)凹槽，用專用工具就可將其從不銹鋼套管中旋出或旋入。

岔枕螺栓采用研線0405通用Ⅲ型岔枕螺栓及配套緩沖套、墊圈等，在岔枕螺栓塑料套管外增設(shè)有預(yù)埋不銹鋼套管。當(dāng)塑料套管失效時(shí)，可方便更換，避免了對(duì)更換預(yù)埋塑料套管甚至報(bào)廢岔枕，見圖4。

2.3 無(wú)縫線路設(shè)計(jì)

2.3.1防爬軌撐設(shè)計(jì)

專線4249道岔基本軌外側(cè)為普通Ⅱ型彈條扣壓，本次設(shè)計(jì)為抵御軌件因溫度力引起的縱向爬行，防止基本軌外傾，基本軌外側(cè)間隔設(shè)置防爬軌撐，見圖5。

該通過(guò)橫向螺栓與鋼軌相連，兩側(cè)限位于道岔墊板，形成岔枕、墊板、鋼軌一體機(jī)構(gòu)，確保了道岔的穩(wěn)定性。

2.3.2防爬軌撐仿真計(jì)算

為了確保驗(yàn)證防爬軌撐應(yīng)用于無(wú)縫線路的適應(yīng)性，對(duì)防爬軌撐進(jìn)行了建模分析。按照軌溫變化幅度為55 ℃時(shí)，基本軌最大溫度力為1 300 kN，最大位移為2.7 mm，且都出現(xiàn)在轍跟附近。對(duì)轍跟限位器結(jié)構(gòu)基本軌最大溫度力與軌溫變化幅度關(guān)系的擬合，本文計(jì)算基本軌溫度力取1 135 kN(48.5×23.4)，模型施加的溫度力取200 kN計(jì)算。

采用20節(jié)點(diǎn)Solid186單元，材料彈性模量E=2.1E11Pa；泊松比ν=0.3。墊板固定，限制系統(tǒng)的橫向位移，劃分的單元后的有限元計(jì)算模型如圖6所示。

計(jì)算得到整體位移如圖7所示，整體位移最大為0.47 mm，且發(fā)生在荷載施加位置，軌撐的最大位移不超過(guò)0.3 mm。在此基礎(chǔ)上，岔枕、墊板、鋼軌在溫度力的作用下已經(jīng)完成了相應(yīng)的位移和伸縮，系統(tǒng)處于一個(gè)溫度力和扣件阻力、道床阻力的平衡狀態(tài)。

2.3.3軌撐螺栓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：螺栓最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓根部，最大值約為343 MPa。軌撐螺栓采用的是M24×75-8.8的高強(qiáng)螺栓，抗拉強(qiáng)度800 MPa，屈服強(qiáng)度640 MPa，可以滿足要求，見圖8。

2.3.4限位器子母塊間隙優(yōu)化

專線4249道岔限位器子母塊間隙為7 mm，為有效抵御溫度力，防止溫度力引起尖軌扳動(dòng)卡阻，轉(zhuǎn)轍器跟端限位器間隙由7 mm增加至10 mm，此間隙可釋放的溫度力范圍增大，同時(shí)減少了限位器螺栓所受剪切力，見圖9。

3 結(jié)語(yǔ)

新型道岔于2018年5月在格爾木玉珠峰站5號(hào)岔位上道，上道后課題組對(duì)道岔使用狀態(tài)進(jìn)行了多次觀測(cè)。新型道岔目前各項(xiàng)狀態(tài)良好，性能穩(wěn)定，基本軌、尖軌件磨耗量養(yǎng)護(hù)維修量及較同類產(chǎn)品明顯減小，滿足高原氣候環(huán)境下無(wú)縫線路使用要求。該項(xiàng)目符合課題要求，滿足課題技術(shù)指標(biāo)，也為青藏線下一步實(shí)現(xiàn)跨區(qū)間無(wú)縫線路做了一定的技術(shù)儲(chǔ)備。