鐵路道岔防跳結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

薛建中

(中鐵物總技術(shù)有限公司,北京 100036)

1 鐵路道岔防跳設(shè)計概述

道岔區(qū)存在著結(jié)構(gòu)不平順，輪載過渡時，結(jié)構(gòu)不平順使輪載產(chǎn)生波動[1]。道岔動力學(xué)理論分析表明，當(dāng)列車過岔速度由200 km/h提升至350 km/h時，鋼軌的位移和加速度峰值呈增大趨勢，并且轍叉部分的加速度比轉(zhuǎn)轍器部分大，說明過岔速度越高，輪軌沖擊作用越劇烈，轍叉部分輪軌沖擊最劇烈[2]。

除結(jié)構(gòu)不平順外，軌道剛度不平順對鋼軌的振動影響很大，是鋼軌振動加速度的主要影響因素之一[3]。為考核不同軌道剛度對道岔鋼軌垂向位移量值的影響，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，對武廣、遂渝高速鐵路客專線道岔，京津、武廣、京滬高速鐵路CN道岔及鄭西高速鐵路CZ道岔的鋼軌垂向位移進(jìn)行了測試，列車直向過岔速度為250～350 km/h，測得的上述各線路道岔區(qū)鋼軌垂向位移平均值為0.41～0.90 mm[4]。2011年4月，中國鐵道科學(xué)研究院《時速350 km 60 kg/m鋼軌客運專線無砟軌道道岔-18號道岔的研究 道岔試驗研究》報告指出，道岔鋼軌垂向位移平均值為0.43～0.86 mm，最大值在0.57～1.07 mm[5]。

道岔區(qū)的結(jié)構(gòu)不平順、剛度值大小及均勻性、輪軌力等因素導(dǎo)致輪軌間產(chǎn)生沖擊作用，迫使尖軌、心軌跳動，影響列車平穩(wěn)運行，加劇了道岔零件的磨損，降低了道岔軌件服役壽命[6-9]，因此應(yīng)嚴(yán)格控制尖軌、心軌的跳動。德國道岔的轉(zhuǎn)轍器部分頂鐵設(shè)計有防跳功能，當(dāng)頂鐵與軌腰貼靠時，頂鐵底部防跳面限制尖軌軌肢位置從而限制尖軌跳動；可動心軌轍叉部分采用液壓下拉裝置防跳，當(dāng)列車通過時，液壓下拉夾具通過盤簧產(chǎn)生約70 kN的力，通過連桿使得心軌和翼軌平穩(wěn)地同時下沉，解決心軌相對于翼軌跳動的問題[6]。法國道岔由于心軌活動部分長度較短，未設(shè)置防跳裝置[10]。國內(nèi)自主研發(fā)道岔設(shè)計了以下5種防跳措施：設(shè)置防跳頂鐵、尖軌軌頭非工作邊設(shè)置防跳臺、在滑床板上設(shè)置防跳限位裝置、在翼軌軌腰上設(shè)置防跳卡鐵、心軌前端設(shè)置防跳間隔鐵[8，11-12]。這些防跳結(jié)構(gòu)有效地限制了尖軌、心軌跳動，但是在可維護(hù)性、檢測及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置方面還有一定的優(yōu)化空間，本文就此提出一些優(yōu)化建議，供相關(guān)人員參考。

2 防跳結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

2.1 頂鐵防跳結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

轉(zhuǎn)轍器防跳頂鐵設(shè)置在尖軌與基本軌密貼段之后、尖軌固定端之前，每相鄰兩根岔枕之間布置一個頂鐵。頂鐵上設(shè)有兩個安裝孔，通過螺栓安裝在基本軌軌腰上，頂頭與尖軌軌腰接觸，防跳面與尖軌軌肢上表面平行(圖1)，限制尖軌豎向跳動。為保證道岔能夠正常轉(zhuǎn)換，高速道岔設(shè)計時，所有尖軌頂鐵均帶有防跳功能[10]，部分時速200 km道岔，心軌頂鐵也帶有防跳功能。

圖1 防跳頂鐵

此種結(jié)構(gòu)的頂鐵數(shù)量多，且頂頭面與防跳面比較寬大，在道岔組裝時，修配工作量大。為保證防跳面、頂頭接觸面具有合適的斜度與平面度，對工人的修配技能要求高，可維護(hù)性欠佳。為了提高頂鐵的可維護(hù)性，分別從改變頂鐵結(jié)構(gòu)和數(shù)量兩個方面進(jìn)行研究。

將頂鐵頂頭截面由“ㄇ”形改為“T”形，見圖2，按長度規(guī)格為120 mm的頂鐵計算，質(zhì)量由4.0 kg減輕至3.8 kg，減重率5%；頂頭與鋼軌接觸面積由1 500 mm2減少至1 000 mm2，接觸面積減小33.3%；防跳面防跳區(qū)域的面積由600 mm2減少至400 mm2，減小33%；防跳頂鐵的修配區(qū)域面積綜合起來最大可減少33%。

圖2 防跳頂鐵

若防跳頂鐵間隔設(shè)置，那么防跳頂鐵數(shù)量可減少約45%，轉(zhuǎn)轍器部分所有頂鐵優(yōu)化后的修配面積較優(yōu)化前可減少44%，這樣就可以大大減少修配工作量，降低對工人的技能要求。

當(dāng)列車過岔時，頂鐵主要受輪軌橫向載荷和豎向摩擦力或跳動沖擊力。在車輪豎向載荷的作用下，尖軌向下遠(yuǎn)離頂鐵，頂鐵與尖軌之間產(chǎn)生相對運動，受到向下的摩擦力，其大小與橫向載荷大小相關(guān)。當(dāng)車輪行走之后，尖軌復(fù)位或受迫向上跳動，受到頂鐵對其施加的向下摩擦力，限制了尖軌向上跳動，加之尖軌前段受到基本軌軌頭下顎的限制、后段受彈條的扣壓限制，一般情況下，尖軌豎向跳動值小于防跳頂鐵預(yù)設(shè)的防跳間隙，不會對頂鐵產(chǎn)生向上的沖擊力。當(dāng)尖軌向上跳動量超過預(yù)設(shè)防跳間隙時，頂鐵才會限制其跳動，起到防跳作用，此時，頂鐵的作用與尖軌固定端的彈條扣件相當(dāng)，因此，減少防跳頂鐵數(shù)量的建議是可行的。

圖3 頂鐵受力示意

對頂鐵在兩種極端不利的工況下進(jìn)行受力仿真分析，研究其結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力分布情況。一種是承受最大橫向載荷的同時還受豎向的摩擦力的工況，見圖3(a)；另一種是承受豎向向上的跳動沖擊力的工況,見圖3(b)。結(jié)合現(xiàn)場的大量動測試驗及仿真分析結(jié)果，貨物列車過岔時作用于鋼軌上的橫向力F1按70 kN取值[13]，豎向向下最大摩擦力f為10.5 kN(摩擦系數(shù)取值0.15)；當(dāng)頂鐵受到向上沖擊力時，將頂鐵看作一對扣件，扣壓力按彈條扣壓力的2倍取值，F(xiàn)2取20 kN[13]。經(jīng)仿真分析(圖4和圖5)，優(yōu)化后頂鐵最大應(yīng)力為141.88 MPa，較優(yōu)化前的應(yīng)力增大39.9 MPa，但仍小于其許用應(yīng)力153 MPa(材料為ZG230-450，屈服強度取230 MPa，安全系數(shù)取1.5)，因此，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)是可行的。通過頂鐵結(jié)構(gòu)和數(shù)量的優(yōu)化，既能滿足使用要求，又提高了裝配、維護(hù)效率。

圖4 工況1頂鐵應(yīng)力分布

圖5 工況2頂鐵應(yīng)力分布

2.2 防跳限位裝置螺栓優(yōu)化建議

當(dāng)尖軌與基本軌斥離時，在滑床板上設(shè)置防跳限位裝置(由鐵卡、輥輪、銷軸、開口銷組成，通過M16螺栓固定在滑床板上)限制尖軌豎向跳動，見圖6。由于受滑床臺高度尺寸限制，安裝螺栓規(guī)格尺寸較小，且為了防轉(zhuǎn)，螺栓頭部鉆了3個通孔用于安裝開口銷，使得M16螺栓頭部強度大為削弱，并且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，受力后經(jīng)常從開口銷安裝孔處斷裂，見圖7。

圖6 尖軌防跳限位裝置結(jié)構(gòu)

圖7 防跳限位裝置螺栓斷裂

防跳限位裝置緊固螺栓斷裂后，防轉(zhuǎn)開口銷失去防轉(zhuǎn)作用，螺栓容易松脫，致使防跳限位裝置失效，松脫的防跳限位裝置及斷裂的螺帽也可能擊打高速通過的列車，是行車安全隱患之一。為了保證高速列車過岔安全，需要及時對折斷螺栓進(jìn)行處理。折斷剩余部分螺栓頭部平均厚度不足5 mm，最小厚度約3 mm，拆卸時很容易變形，導(dǎo)致螺栓無法取出，一般采用更換相同型號鐵墊板的方法。當(dāng)線路為無砟軌道時，墊板更換作業(yè)空間受限，鐵墊板只有在電務(wù)設(shè)備脫桿、鋼軌起道后才能拆除更換，工作量大，還容易導(dǎo)致道岔應(yīng)力發(fā)生改變，產(chǎn)生應(yīng)力集中點，給后續(xù)養(yǎng)護(hù)維修帶來安全風(fēng)險[14]。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]所述的防跳限位裝置固定螺栓折斷情況，結(jié)合其他線路防跳限位裝置固定螺栓的折斷情況，分析其折斷原因有4種：(1)道岔存儲及鋪設(shè)不當(dāng)，導(dǎo)致螺栓銹蝕、傷損嚴(yán)重，緊固時容易斷裂；(2)養(yǎng)護(hù)作業(yè)時，螺栓緊固力矩過大，導(dǎo)致螺栓傷損甚至擰斷；(3)螺栓所用材質(zhì)強度不足；(4)螺栓結(jié)構(gòu)不合理，開口銷安裝孔削弱了強度，容易應(yīng)力集中斷裂或疲勞斷裂。

建議采取的優(yōu)化措施有：(1)增加螺栓頭厚度，見圖8(b)；(2)將螺栓的材質(zhì)由Q235改為強度等級更高的材質(zhì)，比如45號鋼；(3)取消開口銷安裝孔，見圖8(c)(改用其他防轉(zhuǎn)方式)。

圖8 防跳限位裝置螺栓

對優(yōu)化前后螺栓的受力情況進(jìn)行仿真分析，螺栓頭底面固定，參照道岔彈條緊固螺栓(M24)的扭矩值100～140 N·m[15]，對防跳螺栓(M16)頭部對邊施加扭轉(zhuǎn)力，力矩取值100 N·m，應(yīng)力圖見圖9，由圖9可知，螺栓優(yōu)化前，孔周應(yīng)力較大，最大達(dá)到137.96 MPa，增加螺栓頭部厚度，最大應(yīng)力降低39.196 MPa，取消開口銷安裝孔后，最大應(yīng)力降低37.21 MPa，與優(yōu)化前相比，應(yīng)力均有顯著降低，因此，提出的優(yōu)化措施是可行有效的。

圖9 螺栓應(yīng)力分布

2.3 防跳間隔鐵優(yōu)化建議

長心軌前端設(shè)置有防跳臺，伸入到防跳間隔鐵的防跳檐下部，防跳間隔鐵設(shè)置見圖10。

圖10 防跳間隔鐵防跳示意

當(dāng)防跳間隔鐵與心軌防跳臺間隙超標(biāo)時，需要將間隔鐵拆出對防跳檐進(jìn)行修配。拆卸方式有兩種：一種是將翼軌兩側(cè)的扣件拆除，然后將兩翼軌同時向外側(cè)撐開，從中間取出防跳間隔鐵；第二種是將防跳間隔鐵沿翼軌軌腰向前移動，大約跨越3塊墊板后，兩根翼軌之間有足夠大的空間時取出防跳間隔鐵。第一種拆除方式需要拆除扣件的范圍很長，如果是已鋪設(shè)道岔，還需要拆除轍叉第一牽引的電務(wù)桿件，維修工作量大、時間長，不推薦采用。第二種拆除方式相對便捷，但部分道岔的防跳間隔鐵安裝面內(nèi)側(cè)距離L值(圖12(a))較小，在向前移動的過程中，當(dāng)前方支距墊板的中間部位鐵座或者支距扣板的支距寬度d值(圖11)大于L值時，會阻擋防跳間隔鐵，從而無法取出，這就需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高此類防跳間隔鐵的可維護(hù)性。

圖11 支距墊板結(jié)構(gòu)示意(未含扣件)

為解決防跳間隔鐵拆卸困難的問題，有兩種優(yōu)化方案，一種是減小間隔鐵安裝面寬度，從而增大安裝面內(nèi)側(cè)避讓空間(圖12(b))，讓其順利跨越支距墊板上的零件，方便拆出，此種方案適用于防跳間隔鐵L值與支距墊板的d值相差不超過40 mm時的情況；另一種方案是將防跳間隔鐵底部安裝面按對角位置去除一部分(圖12(c))，按“Z”形折線沿翼軌軌腰繞過鐵座或支距板向前端移出。

圖12 防跳間隔鐵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3 防跳間隙檢驗建議

3.1 防跳卡鐵檢驗方法

長心軌前端由防跳間隔鐵防跳，后段由防跳頂鐵防跳，中間與翼軌密貼段通過防跳卡鐵防跳(圖13)。

圖13 防跳卡鐵防跳示意

心軌與翼軌密貼時，防跳卡鐵位于心軌與翼軌之間的封閉空間內(nèi)，不易檢測。建議制作圖14(a)所示的檢測樣板，樣板檢測面模仿長心軌輪廓，在長心軌斥離狀態(tài)下緊貼長心軌軌底，移向防跳卡鐵并與翼軌軌頭貼合，測量樣板與卡鐵之間的防跳間隙；或者在長心軌組裝之前，采用圖14(b)所示的樣板，樣板檢測面模仿長心軌輪廓，貼靠翼軌軌底，移向防跳卡鐵并與翼軌軌頭貼合，測量樣板與卡鐵之間的防跳間隙。

圖14 防跳卡鐵防跳間隙檢測樣板

3.2 防跳間隙設(shè)置建議

道岔動力學(xué)理論分析表明，尖軌、長短心軌跳動限值越小，列車通過道岔時的動輪載越小，尖軌、心軌承受輪載的位置越靠后，尖軌、心軌開口量等相關(guān)動力指標(biāo)越小，越有利于行車安全[16]。國產(chǎn)普速道岔的防跳設(shè)計考慮到制造、裝配公差及軌件變形等因素，防跳限值較大，一般為4 mm[12，17]。高速道岔設(shè)計時，考慮高速行車的安全性，宜采用較小的防跳間隙；另一方面，道岔由多個零件裝配在一起，每個零件都存在制造誤差，通過尺寸鏈分析，裝配后組件的公差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計要求[18]，這對制造周期、修配工作量、生產(chǎn)成本影響很大，綜合考慮安全性和制造誤差兩方面的影響因素，高速道岔尖軌、心軌防跳限值采用2 mm設(shè)計值[11，16]，防跳限值檢驗標(biāo)準(zhǔn)定為2～4 mm[19]。

長心軌的3種防跳結(jié)構(gòu)，其防跳間隙應(yīng)相互匹配，才能起到共同防跳的效果?！陡咚勹F路道岔制造技術(shù)條件第1部分：制造與組裝》[19]只規(guī)定了防跳頂鐵的防跳間隙設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，未規(guī)定防跳間隔鐵和防跳卡鐵的防跳間隙要求；《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔技術(shù)條件》[20]對防跳頂鐵、間隔鐵、卡鐵均未規(guī)定防跳間隙要求。為了避免長心軌尖端轉(zhuǎn)換卡阻，各制造單位對防跳間隔鐵的防跳間隙進(jìn)行了控制，間隙從2 mm至8 mm不等，對于防跳卡鐵間隙，則未有檢驗要求，因此，建議道岔制造技術(shù)條件在修訂時，增加相應(yīng)的檢測內(nèi)容。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合動力學(xué)分析，當(dāng)?shù)啦礓佋O(shè)狀態(tài)欠佳，或者剛度不合理時，鋼軌最大垂向位移可達(dá)2 mm之多，因此，應(yīng)考慮在不利狀態(tài)下轉(zhuǎn)轍器后端防跳頂鐵擠壓尖軌軌肢的情況，建議增大轉(zhuǎn)轍器部位防跳頂鐵的防跳間隙。道岔各部位的防跳間隙設(shè)置建議見表1。

表1 道岔各部位防跳間隙設(shè)置建議

4 結(jié)語

(1)本文提出的改變防跳頂鐵頂頭截面以減小頂鐵修配面積的優(yōu)化方案，通過仿真分析證明結(jié)構(gòu)是可行的，可維護(hù)性也得到很大提升，目前部分道岔的防跳頂鐵已按照間隔設(shè)置的方式進(jìn)行設(shè)計。

(2)目前，對于防跳限位裝置的緊固螺栓折斷的問題，多從如何預(yù)防以及折斷后的處理方面進(jìn)行分析研究，還沒有見到進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究報道，本文提出的增加螺栓頭部厚度、改變材料牌號、取消開口銷安裝孔三種優(yōu)化方案，建議有條件的使用單位進(jìn)行試驗驗證，從中選取最佳方案，消除因螺栓折斷帶來的行車安全隱患。

(3)增大防跳間隔鐵避讓空間或?qū)窃O(shè)置避讓空間，可以解決防跳間隔鐵拆卸困難的問題，經(jīng)過在部分可動心軌轍叉道岔上的試用，效果不錯，大大降低了維護(hù)工作量。

(4)所提出的心軌防跳卡鐵間隙檢測樣板、防跳間隙設(shè)置建議，為道岔防跳結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

通過不斷優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，可提高防跳零件的維護(hù)性，減少因防跳零件失效而產(chǎn)生的道岔轉(zhuǎn)換卡阻等問題[21-22]，完善檢測方法與標(biāo)準(zhǔn)，增強道岔防跳功能，提高道岔零件服役壽命和安全性。