40 t軸重68 kg/m鋼軌18號道岔設(shè)計

楊東升 錢坤 司道林

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

道岔是重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)的重要設(shè)備和最薄弱環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵部件的壽命制約了鐵路的運輸效率。目前我國已經(jīng)成功研發(fā)并推廣應(yīng)用了容許最高軸重30 t的重載道岔系列產(chǎn)品［1-3］，在30 t軸重道岔的設(shè)計和運用方面積累了豐富的經(jīng)驗。目前中國正在籌建幾內(nèi)亞西芒杜的礦山鐵路［4］，該鐵路的最高設(shè)計軸重為40 t，而我國尚無適用于該軸重的道岔產(chǎn)品，因此需要設(shè)計適應(yīng)40 t軸重的新一代18號道岔。

1 設(shè)計原則與結(jié)構(gòu)選型

依據(jù)幾內(nèi)亞西芒杜鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)［5］，新道岔需滿足以下運行條件：①道岔用的普通走行鋼軌采用68 kg/m鋼軌（136RE鋼軌），特殊斷面鋼軌應(yīng)與區(qū)間線路采用的鋼軌順接；②設(shè)計軸重≤400 kN；③運行速度，35 t軸重（不含）以下列車直向通過速度≤100 km/h，35～40 t軸重列車直向通過速度≤80 km/h，側(cè)向通過速度≤80 km/h；④滿足跨區(qū)間無縫線路設(shè)計，無縫線路年最大軌溫差為60℃。

新設(shè)計的18號道岔轍叉形式采用可動心軌轍叉。根據(jù)北美和澳大利亞重載鐵路的運營經(jīng)驗，軸重在36 t以上或年通過總重超過1億t的鐵路采用可動心軌轍叉經(jīng)濟效益更好。

隨著我國提速系列、高速系列道岔的成功研發(fā)與推廣應(yīng)用，可動心軌轍叉的多項優(yōu)化技術(shù)日趨成熟，如特種斷面翼軌、心軌轉(zhuǎn)換結(jié)合部優(yōu)化、心軌水平藏尖等［6-7］。從運營實踐的經(jīng)驗來看，我國25 t軸重客貨共線鐵路采用的GLC系列道岔應(yīng)用效果良好，可動心軌轍叉使用壽命超過7億t，說明我國可動心軌轍叉結(jié)構(gòu)設(shè)計達到了較高水平，為研發(fā)重載鐵路可動心軌道岔作出了技術(shù)儲備。

2 平面線型設(shè)計

根據(jù)我國常用18號可動心軌道岔平面線型，提出4種設(shè)計方案，見表1。

表1 18號道岔線型方案 mm

方案1是我國早期設(shè)計采用的平面線型，其優(yōu)點在于全長較短，節(jié)省站場布置空間；缺點是該線型尖軌沖角較大，導(dǎo)曲線半徑較小，曲上股鋼軌使用壽命較短，不宜采用。方案2是我國高速道岔和提速道岔通常采用的線型，其優(yōu)點是平順性較高；缺點是曲線尖軌的薄弱區(qū)段也要參與導(dǎo)向作用，使曲線尖軌的使用壽命較短。方案3是在我國27 t軸重重載18號道岔（圖號：研線1302）的線型基礎(chǔ)上設(shè)計了可動心軌轍叉，其優(yōu)勢是曲線尖軌直線段較長，承載斷面較寬，可顯著延長使用壽命；缺點是該線型改造為可動心軌轍叉時，心軌一動牽引點位置不夠合理，對心軌實際尖端密貼可能產(chǎn)生不利影響。方案4是在方案2的基礎(chǔ)上增大了相離量，為延長曲線尖軌壽命留出改造空間，同時吸收了方案2成熟的可動心軌轍叉布置方式。通過定性分析，方案4具有較大的技術(shù)優(yōu)勢。

采用仿真軟件，模擬分析方案2—方案4的線型對40 t軸重車輛過岔的影響。

逆向過岔時，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)，車輛的動力學(xué)參數(shù)與運行軌跡如圖1所示，圖中里程50 m的位置對應(yīng)尖軌尖端。動力學(xué)性能上3種方案的減載率都很小，未超過0.3。方案2受橫向力影響脫軌系數(shù)和輪軸橫向力明顯小于其他2種方案。方案4的動力學(xué)性能略好于方案3。在車輛第1軸運行軌跡方面，3種方案的平順性也呈相同趨勢。

圖1 車輛逆向通過轉(zhuǎn)轍器的動力學(xué)參數(shù)與運行軌跡

在轍叉區(qū)，車輛的動力學(xué)參數(shù)如圖2所示。方案2、方案4的轍叉實際咽喉對應(yīng)里程為103 m，方案3對應(yīng)里程為101 m。橫向力數(shù)據(jù)受護軌影響參考價值較小，3種方案的脫軌系數(shù)量級基本一致，均小于0.15。轍叉區(qū)減載率波動較大，其中方案3的減載率最大，方案4的平順性最優(yōu)。

圖2 車輛逆向通過轍叉的動力學(xué)參數(shù)

圖3 車輛順向通過轉(zhuǎn)轍器的動力學(xué)參數(shù)與運行軌跡

順向通過時，車輛的動力學(xué)參數(shù)與運行軌跡如圖3所示，道岔尖軌尖端對應(yīng)的里程位置為110 m。明顯可以觀察到，方案2線型中輪對貼靠曲尖軌運行的距離更長，作用力更大，而采用相離值較大的方案3和方案4，曲尖軌前部具有超過7 m的直線段，可有效降低輪對沖擊尖軌。

綜上所述，新型18號道岔（圖號：研線1910）采用方案4的平面線型，該線型尖軌沖角為0°23'45″，尖軌直線段長度7 276 mm，未被平衡的離心加速度0.45 m/s2，未被平衡的離心加速度增量0.55 m/s3，動能損失0.31 km2/h2，設(shè)計欠超高68.6 mm。

道岔岔枕按照垂直于道岔直股布置，岔枕中心線間距為600 mm，在牽引點位置為配合轉(zhuǎn)轍機安裝調(diào)整為650 mm，相鄰兩側(cè)的岔枕間距調(diào)整為575 mm。

尖軌設(shè)3個外鎖閉牽引點，牽引點之間的距離均為5.4 m，第3牽引點至尖軌固定位置的距離為8.075 m。3個牽引點尖軌設(shè)計動程分別為160.0，112.5，64.0 mm。心軌設(shè)2個外鎖閉牽引點，牽引點之間的距離為3.6 m，第2牽引點至心軌彈性可彎中心的距離為3.92 m。2個牽引點心軌設(shè)計動程分別為118，59 mm。

3 轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于選定線型，研線1910轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)布置如圖4所示?；拒壊捎?8 kg/m鋼軌制造，尖軌采用60AT1鋼軌制造。轉(zhuǎn)轍器全長（基本軌長度）為24 592 mm，尖軌尖端至基本軌始端軌縫中心線的距離（Q值）為1 955 mm，尖軌尖端至其后一根岔枕中心的距離為120 mm。曲線尖軌從軌頭寬55.3 mm斷面做半切線，至尖端部分取直，形成“直曲組合型”曲尖軌，直線段長度為7 276 mm。從尖軌尖端向后200 mm，尖軌寬1.4 mm斷面處做藏尖補充刨切，尖軌尖端藏尖量3 mm。直曲尖軌長度為22 041 mm。

圖4 研線1910轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意（單位：mm）

為進一步延長尖軌使用壽命，采用了刨切基本軌加厚尖軌的技術(shù)，如圖5所示。尖軌本身的沖角由線型設(shè)計決定，工作邊寬度變化率為1∶145，非工作邊寬度變化受車輛順向出岔限制，不易設(shè)置過大，因此變化率采用1∶200，最大刨切深度為5 mm，此區(qū)段的名義軌距相應(yīng)變?yōu)? 440 mm，刨切至尖軌密貼段結(jié)束后，以相同的變化率過渡。根據(jù)前文所作的仿真分析，采用加寬技術(shù)的方案3和方案4，其尖軌開始與車輪接觸位置為尖軌頂寬18.9 mm和17.3 mm處，未采用加寬技術(shù)的方案2，接觸位置在13.5 mm處相應(yīng)斷面寬度提升達30%，可顯著提高該處尖軌的強度與可磨耗寬度。

圖5 刨切基本軌加厚尖軌示意

尖軌軌頭工作邊加工廓形如圖6所示，為優(yōu)化輪軌接觸狀態(tài)，尖軌設(shè)1∶40軌頂坡，按照68 kg/m鋼軌軌頭工作邊廓形進行加工。尖軌工作邊側(cè)面順接斜度為1∶4的直線，尖軌薄弱斷面最大豎向切削深度為50 mm。尖軌非工作邊密貼段按照1∶4斜度加工，非工作邊的1∶4直線與軌頭加工輪廓相交出的尖角位置應(yīng)進行R2倒圓弧，防止在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖6 尖軌軌頭加工輪廓

尖軌跟端連續(xù)設(shè)置2個15 mm位移量的限位器，用于約束由列車荷載和溫度作用造成的尖軌爬行，當(dāng)尖軌的爬行量超過15 mm時，限位器子母塊接觸，限制尖軌進一步爬行。連續(xù)設(shè)置2組限位器，目的是消除單組限位器作用時引起尖軌產(chǎn)生的扭曲。根據(jù)文獻［8］中的理論計算，在幾內(nèi)亞地區(qū)年最大軌溫差不超過60℃的條件下，18號道岔可選擇不設(shè)轍跟限位裝置。

4 轍叉及護軌結(jié)構(gòu)設(shè)計

研線1910可動心軌轍叉翼軌采用TY鋼軌制造，長短心軌采用60AT1鋼軌制造，叉跟尖軌采用68 kg/m鋼軌制造，其中特種斷面鋼軌通過鍛壓實現(xiàn)與68 kg/m鋼軌順接。轍叉全長17 392 mm，趾端開口值為276.0 mm，跟端開口值為633.5 mm。采用長、短心軌與叉跟尖軌拼裝的可動心軌轍叉。直向不設(shè)護軌，側(cè)向設(shè)2段護軌。

可動心軌轍叉采用水平藏尖結(jié)構(gòu)，翼軌實際咽喉寬度為113 mm。與豎直藏尖結(jié)構(gòu)對比，水平藏尖的心軌尖端降低值由23 mm提升至16 mm，心軌實際尖端至頂寬20 mm斷面的長度為360 mm，薄弱區(qū)段的長度縮短了248 mm，對心軌豎向抗彎剛度和強度都有一定提升。

心軌一動位置為與鎖鉤配合，須將60AT1鋼軌軌腰由44 mm寬加工至32 mm寬，與鎖鉤接觸面為R16弧面。短心軌與長心軌密貼區(qū)段，由于長短心軌均由60AT1鋼軌加工，兩鋼軌等高，須切削密貼部分的軌底，一般的切削方式如圖7（a）所示，保證長心軌軌底短肢少加工。短心軌采用爬坡式配合結(jié)構(gòu)，配合面為R25弧面，該結(jié)構(gòu)在實際加工中公差不易控制，因此在研線1910的設(shè)計中，采用切軌底式配合結(jié)構(gòu)。短心軌非工作邊軌底切削至軌腰等寬位置，長短心軌軌底部分保留1 mm離縫，軌腰中間插入2 mm墊片，保持長短心軌整體性。

心軌軌頂設(shè)1∶40軌頂坡，長短心軌工作邊軌頭側(cè)面采用斜度為1∶8的直線順接68 kg/m鋼軌加工廓形。短心軌非工作邊加工廓形由既有的垂直密貼變?yōu)?∶8傾斜密貼，如圖7所示，增加短心軌尖端軌頭厚度，防止長短心軌密貼力過大，損壞短心軌尖端。叉跟尖軌設(shè)1∶40軌底坡，非工作邊與短心軌工作邊軌距線下1∶4補充刨切密貼區(qū)段，采用斜度為1∶4.47的直線加工，叉跟尖軌工作邊軌頭側(cè)面按照1∶4斜度加工。

圖7 短心軌尖端斷面（單位：mm）

大號碼道岔導(dǎo)曲線終點通常位于可動心軌轍叉短心軌后段，因此輪對在通過轍叉?zhèn)裙蓵r，無護軌作用的區(qū)段鋼軌件側(cè)磨較嚴重。根據(jù)可動心軌轍叉多年的運營經(jīng)驗，列車順向通過為主時轍叉趾端磨耗較快，逆向通過為主時叉跟尖軌尖端磨耗較快?？蓜有能夀H叉單獨更換軌件技術(shù)難度大，整組更換成本極高，因此研線1910的護軌設(shè)計為2段，如圖8所示。側(cè)向護軌總長為9 300 mm，用于防止轍叉趾端及心軌側(cè)磨，叉跟防磨護軌總長為5 800 mm，用于防止叉跟尖軌尖端側(cè)磨。依據(jù)幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路機車車輛選型數(shù)據(jù)，輪對內(nèi)側(cè)距為1 347 mm，護軌輪緣槽相應(yīng)控制位置需加寬3 mm。

圖8 可動心軌轍叉?zhèn)认蜃o軌設(shè)置示意

5 扣件系統(tǒng)

扣件系統(tǒng)采用預(yù)埋鐵座分開式C6型彈條無螺栓扣件，如圖9所示?？奂慕Y(jié)構(gòu)特點為：鐵墊板通過混凝土枕上預(yù)埋鐵座扣壓，鋼軌通過鐵墊板上焊接鐵座扣壓，彈條可直接插入鐵座，無需螺栓固定，鐵座與彈條后肢有自鎖結(jié)構(gòu)防止彈條脫落；鋼軌下設(shè)軌下墊板緩沖，鐵墊板下設(shè)彈性墊層提供彈性；板上鐵座與鋼軌之間設(shè)有軌距塊，可直接調(diào)整軌距，預(yù)埋鐵座和鐵墊板之間設(shè)絕緣軌距塊，用于絕緣并調(diào)整鐵墊板橫向位置；彈條和鐵座之間的特殊設(shè)計可有效防止過大橫向荷載作用時鋼軌傾覆。在美國TTCI重載試驗線進行試用考核，基本可滿足40 t軸重重載線路使用要求［5］。

圖9 預(yù)埋鐵座分開式C6型彈條無螺栓扣件

基本軌內(nèi)側(cè)采用彈性夾扣壓，其中轉(zhuǎn)轍器基本軌除彈性可彎段設(shè)2組長度為380 mm彈性夾外，其余采用長度為320 mm的彈性夾扣壓，護軌基本軌均采用長度為380 mm彈性夾扣壓，如圖10所示。

圖10 彈性夾扣壓方式

6 鍛壓結(jié)構(gòu)設(shè)計

AT軌和TY軌為了與前后的普通標準鋼軌連接，采用模型鍛造的工藝方式實現(xiàn)2種軌型端頭順接。根據(jù)鍛壓成型斷面的圖形，利用軟件分別對2種軌型的鍛壓成型進行仿真模擬，并對鍛壓成型方案模擬結(jié)果進行分析。

60AT1鋼軌鍛壓為68 kg/m鋼軌的鍛壓成型與鍛壓為60 kg/m鋼軌基本類似，可行性高，須采用整體模腔成型的模具進行鍛造并理化檢驗，鍛壓過渡段如圖11（a）所示。TY鋼軌鍛壓為68 kg/m鋼軌時因2個截面有較大區(qū)別，過渡段設(shè)置如圖11（b）所示，在模擬前期須根據(jù)金屬量對60TY翼軌金屬量進行適當(dāng)?shù)娜コ?，在滿足成型的基礎(chǔ)上減少鍛壓成型的難度。因此對翼軌趾端工作邊進行了加工，由全斷面鋼軌逐步過渡至與68 kg/m鋼軌等寬狀態(tài)，再進行鍛壓。

圖11 特種斷面鋼軌鍛壓為68 kg/m鋼軌

7 結(jié)論

1）40 t軸重的重載鐵路道岔（圖號：研線1910），全長69 m，前長31 729 mm，后長37 971 mm，平面線型采用相離量24 mm、半徑1 100 m的單圓曲線。仿真分析驗證了該線型具有較好的防磨性能，可延長曲線尖軌使用壽命。

2）鋼軌采用68 kg/m鋼軌制造；尖軌采用60AT1鋼軌制造，曲線尖軌為“直曲組合型”，直線段長度7 276 mm，直曲尖軌采用刨切基本軌加厚尖軌技術(shù)；轍叉采用可動心軌轍叉，翼軌采用TY鋼軌、心軌采用60AT1鋼軌制造，直向不設(shè)護軌，側(cè)向增設(shè)一段護軌，用于保護叉跟尖軌的薄弱斷面。

3）采用預(yù)埋鐵座分開式C6型彈條無螺栓扣件。該型扣件具有高穩(wěn)定、少維護的特征。

4）尖軌、長心軌、翼軌通過跟端鍛壓實現(xiàn)與68 kg/m鋼軌順接。