重載鐵路道岔關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

王猛 ， 楊東升， 司道林

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

0 引言

道岔是重載鐵路線路的核心關(guān)鍵設(shè)備，也是軌道結(jié)構(gòu)中理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和線路養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)和難點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)重載鐵路道岔面臨以下問(wèn)題：（1）軸重25 t以上的道岔為空白，嚴(yán)重制約了重載鐵路大軸重的發(fā)展和需求；（2）我國(guó)既有重載道岔設(shè)計(jì)方法、制造工藝和材料技術(shù)嚴(yán)重落后于重載鐵路發(fā)達(dá)國(guó)家；（3）既有重載道岔尖軌、轍叉等核心部件壽命過(guò)短，頻繁出現(xiàn)傷損且發(fā)展迅速，嚴(yán)重威脅行車安全與運(yùn)輸效率，運(yùn)維成本高昂［1］。近年來(lái)，隨著瓦日鐵路、張?zhí)畦F路和浩吉鐵路的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，我國(guó)重載鐵路線路里程大幅度增加，重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)的理論研究及技術(shù)創(chuàng)新有了長(zhǎng)足的進(jìn)步［2］。

2010—2017 年，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司聯(lián)合“產(chǎn)、學(xué)、研、用”多家單位，歷時(shí)7年科技攻關(guān)，攻克輪軌關(guān)系、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)性能、材料與工藝、產(chǎn)品可靠性5 大技術(shù)難題，研發(fā)6 種重載鐵路系列道岔產(chǎn)品，形成了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重載鐵路道岔產(chǎn)品與成套技術(shù)體系。

1 道岔基本設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 型號(hào)與設(shè)計(jì)速度

重載鐵路道岔包含12 號(hào)、15 號(hào)和18 號(hào)3 種道岔號(hào)數(shù)，道岔軌型包括60、75 kg/m 鋼軌2 種類型，共計(jì)6個(gè)圖號(hào)（見(jiàn)表1）。

1.2 平面線型及尺寸

重載鐵路道岔用于有砟軌道時(shí)采用固定型轍叉，用于無(wú)砟軌道時(shí)采用可動(dòng)心軌轍叉，道岔側(cè)線線型均為相離單圓曲線線型。重載鐵路系列道岔平面線型及尺寸見(jiàn)表2。

表1 重載鐵路系列道岔型號(hào)與設(shè)計(jì)速度

表2 重載鐵路系列道岔平面線型及尺寸

1.3 主要結(jié)構(gòu)特征

（2）道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)滑床板范圍內(nèi)的基本軌采用彈性?shī)A扣壓其內(nèi)側(cè)軌底（見(jiàn)圖2）。

圖1 基本軌工作邊一側(cè)刨切

圖2 滑床板結(jié)構(gòu)

（3）道岔采用分動(dòng)鉤型外鎖閉裝置。①12號(hào)固定型轍叉道岔轉(zhuǎn)轍器設(shè)2個(gè)牽引點(diǎn)，動(dòng)程分別為160、80 mm。②12號(hào)可動(dòng)心軌轍叉道岔轉(zhuǎn)轍器設(shè)2個(gè)牽引點(diǎn)，動(dòng)程分別為160、80 mm；可動(dòng)心軌設(shè)2個(gè)牽引點(diǎn)，動(dòng)程分別為122.9、75.9 mm。③15號(hào)和18號(hào)固定型轍叉道岔轉(zhuǎn)轍器均設(shè)3 個(gè)牽引點(diǎn)，15 號(hào)道岔尖軌動(dòng)程分別為160、117、72 mm；18號(hào)道岔尖軌動(dòng)程分別為160、115、69 mm。

（4）轉(zhuǎn)轍器跟端采用大位移量限位器結(jié)構(gòu)，子母塊間隙15 mm（見(jiàn)圖3）。

圖3 限位器結(jié)構(gòu)

（5）固定型轍叉按高錳鋼組合轍叉和翼軌加強(qiáng)型合金鋼組合轍叉2 種設(shè)計(jì)。轍叉心軌軌頭寬20～50 mm，單側(cè)加寬最大4 mm，雙側(cè)最大加寬8 mm。加寬后心軌軌頭寬28～58 mm，查照斷面間隔要求不小于1 388 mm［4-5］，護(hù)背距離不大于1 348 mm。

（6）可動(dòng)心軌轍叉為長(zhǎng)、短心軌拼接式，全長(zhǎng)13.8 m。

（7）護(hù)軌采用33 kg/m 槽型鋼制造，高出基本軌頂面12 mm，采用彈性?shī)A扣壓基本軌內(nèi)側(cè)軌底（見(jiàn)圖4）。

（8）岔區(qū)采用岔枕帶預(yù)埋鐵座的彈性分開(kāi)式扣件系統(tǒng)。墊板無(wú)螺栓孔，鐵墊板與預(yù)埋鐵座之間安裝絕緣軌距塊，鐵墊板上鐵座與鋼軌之間安裝普通軌距塊。軌距調(diào)整時(shí)，使用不同規(guī)格絕緣軌距塊和普通軌距塊可實(shí)現(xiàn)單股鋼軌-8～+6 mm 的調(diào)整。用于有砟軌道基礎(chǔ)時(shí)，采用Ⅱ型彈條扣壓鋼軌與鐵墊板，下設(shè)10 mm厚度彈性墊層；用于無(wú)砟軌道基礎(chǔ)時(shí)，采用W1型彈條扣壓鐵墊板（采用Ⅱ型彈條扣壓鋼軌），鐵墊板下設(shè)20 mm 厚度彈性墊層，可實(shí)現(xiàn)0～+20 mm 的高程調(diào)整［6］。

自DNA條形碼技術(shù)提出以來(lái)，一直是分子分類學(xué)研究的熱點(diǎn)[15]。研究表明，一段相對(duì)較短、標(biāo)準(zhǔn)且具有足夠變異、易擴(kuò)增的DNA片段，能夠?qū)χ参镞M(jìn)行快速、準(zhǔn)確地鑒定。目前植物中還沒(méi)有一條被廣泛認(rèn)可的DNA條形碼。陳士林等[16]提出以ITS2序列作為鑒定藥用植物標(biāo)準(zhǔn)的DNA條形碼。劉安莉等[10]對(duì)貴州蜘蛛抱蛋屬植物進(jìn)行核基因序列ITS和ITS2的研究，發(fā)現(xiàn)樣品序列擴(kuò)增效果不理想，本研究也嘗試采用該序列對(duì)蜘蛛抱蛋屬植物進(jìn)行分析，但只有少量樣品擴(kuò)增成功，物種無(wú)法進(jìn)行有效的區(qū)分。因此，有關(guān)核基因序列ITS和ITS2是否適用于蜘蛛抱蛋屬植物的分類還有待進(jìn)一步探討。

（9）道岔鋼軌設(shè)置1∶40軌底坡或軌頂坡。

（10）有砟軌道混凝土岔枕底寬為310 mm，頂寬為260 mm，高為230 mm。岔枕上預(yù)埋鐵座，用絕緣軌距塊、Ⅱ型彈條、T形螺栓等聯(lián)結(jié)件與鐵墊板固定（見(jiàn)圖5）。

（11）無(wú)砟軌道混凝土岔枕截面上、下寬度及高度分別為270、300、140 mm。岔枕上預(yù)埋鐵座，用絕緣軌距塊、W1 型彈條、T 形螺栓等聯(lián)結(jié)件與鐵墊板固定（見(jiàn)圖6）。

2 主要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)

2.1 建立了重載鐵路道岔設(shè)計(jì)理論體系

理論模型是動(dòng)力學(xué)研究的核心，基于輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和道岔區(qū)復(fù)雜的多點(diǎn)接觸輪軌關(guān)系，建立較完善的列車-道岔系統(tǒng)空間精細(xì)化耦合動(dòng)力學(xué)模型（見(jiàn)圖7）、岔區(qū)剛度力學(xué)模型（見(jiàn)圖8）。綜合研究列車通過(guò)道岔時(shí)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行行為及其對(duì)道岔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力破壞作用，有效指導(dǎo)了道岔線型比選、尖軌和心軌降低值設(shè)計(jì)、翼軌抬高值設(shè)計(jì)、鋼軌件磨耗規(guī)律預(yù)測(cè)、扣件、岔枕和轉(zhuǎn)換設(shè)備參數(shù)選取等工作。

圖6 無(wú)砟軌道混凝土岔枕及扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7 車輛-道岔動(dòng)力學(xué)耦合模型與輪軌多點(diǎn)接觸模型

2.2 形成了道岔結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)體系

首次提出以下優(yōu)化技術(shù)：增大道岔曲尖軌的相離值、“直曲組合型”曲線尖軌［7］、刨切基本軌加厚尖軌技術(shù)、依據(jù)“磨耗型”車輪優(yōu)化轍叉縱橫斷面技術(shù)、轍叉心軌加寬技術(shù)、預(yù)埋鐵座彈條分開(kāi)式扣件以及高強(qiáng)度有砟、無(wú)砟混凝土岔枕系統(tǒng)。以上關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)有效補(bǔ)強(qiáng)道岔各部件的短板，延長(zhǎng)道岔關(guān)鍵部件使用壽命。

圖8 岔區(qū)剛度力學(xué)模型

相離半切線型與“直曲組合型”曲線尖軌，有效降低輪軌橫向沖擊，并將沖擊最大位置轉(zhuǎn)移至曲尖軌的粗壯區(qū)段，保護(hù)了尖軌薄弱斷面（見(jiàn)圖9、圖10），使用通過(guò)總重達(dá)1.2 億t，對(duì)比既有曲尖軌使用通過(guò)總重約0.3億t，延長(zhǎng)使用壽命2～4倍。

刨切基本軌加厚尖軌技術(shù)可在不影響道岔平順性和基本軌壽命的前提下快速加厚尖軌，增強(qiáng)尖軌抗磨耗的能力，采用該技術(shù)的直尖軌使用通過(guò)總重普遍超過(guò)5億t。

圖9 既有12號(hào)重載道岔服役不足1個(gè)月的曲尖軌尖端已出現(xiàn)嚴(yán)重掉塊

圖10 新型12號(hào)重載道岔服役6個(gè)月后狀態(tài)良好

采用“磨耗型”車輪踏面優(yōu)化轍叉縱橫斷面廓形，顯著改善心軌、翼軌的受力分布，提高轍叉平順性；轍叉心軌加寬技術(shù)將心軌頂寬20～50 mm斷面兩側(cè)各加寬4 mm，顯著增強(qiáng)心軌的承載能力，徹底解決轍叉心軌、翼軌行車踏面磨耗速率快、壓塌、剝離掉塊等病害。采用該系列技術(shù)的轍叉壽命普遍超過(guò)3 億t，是既有轍叉壽命的2倍以上，使用通過(guò)總重最大1組為7.96億t。

預(yù)埋鐵座式扣件與岔枕系統(tǒng)有效增強(qiáng)了扣件的穩(wěn)定性，避免預(yù)埋件竄出引起扣件失效等影響行車安全的病害，大幅降低養(yǎng)護(hù)維修成本，實(shí)現(xiàn)扣件系統(tǒng)全部組件通過(guò)總重7 億t 內(nèi)免維修的目標(biāo)。有砟與無(wú)砟重載道岔扣件剛度均勻化技術(shù)，解決了尖軌、轍叉跟端壓潰、肥邊等影響使用壽命的病害。

2.3 取得了材料工藝突破性成果

攻克了貝氏體材料精煉與熱處理技術(shù)、貝氏體鋼與U75V 鋼材閃光焊技術(shù)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了焊接翼軌式加強(qiáng)型合金鋼組合轍叉。有效避免了翼軌強(qiáng)度不足導(dǎo)致轍叉提前下道的問(wèn)題，進(jìn)一步提高轍叉使用壽命。

針對(duì)高錳鋼組合轍叉的行車表面進(jìn)行全長(zhǎng)3次爆炸預(yù)硬化技術(shù)，預(yù)硬化后表面硬度≥321 HBW。該技術(shù)顯著降低了高錳鋼轍叉的磨耗速率，使壽命達(dá)到非硬化轍叉的2倍［8-9］。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與前景

整組道岔主要應(yīng)用單位詳細(xì)情況見(jiàn)表3，應(yīng)用情況如下：

（1）重載60、75 kg/m 鋼軌12 號(hào)單開(kāi)道岔在大秦、朔黃、京哈鐵路共試鋪12組。通過(guò)長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)，曲尖軌壽命提升2～3倍，轍叉壽命提升40%，零部件與岔枕狀態(tài)良好，大幅降低了檢修時(shí)間與成本。重載75 kg/m鋼軌15號(hào)單開(kāi)道岔在朔黃鐵路共鋪設(shè)2組，道岔使用狀態(tài)良好，有效提升了中間站運(yùn)輸效率。重載60、75 kg/m鋼軌18號(hào)單開(kāi)道岔在大秦、北同蒲、京廣、朔黃線等多條線路共鋪設(shè)20組，直曲尖軌和轍叉壽命顯著提高，零部件與岔枕狀態(tài)良好?？拓浌簿€鐵路60 kg/m鋼軌12號(hào)道岔無(wú)砟軌道道岔生產(chǎn)3組，并于2015年12月鋪設(shè)于天平鐵路麻庵河車站。新產(chǎn)品整體達(dá)到直尖軌通過(guò)總重4 億t、曲尖軌1 億t、固定型轍叉3 億t、可動(dòng)心軌轍叉7億t的預(yù)期目標(biāo)，滿足線路使用要求。

（2）在大秦、朔黃等貨運(yùn)專線應(yīng)用10 余組固定型心軌加寬轍叉，加寬后心軌、翼軌的磨耗速率明顯下降，壽命較不加寬的轍叉延長(zhǎng)40%，2014年1月在東冶站16#岔位試用的心軌加寬翼軌焊接式合金鋼組合轍叉，通過(guò)總重達(dá)到7.96億t（正常養(yǎng)護(hù)、無(wú)焊補(bǔ)）。

（3）在浩吉鐵路正線道岔全面采用，該鐵路為國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的運(yùn)煤專線，2019 年9 月已全面建成通車。全線共計(jì)采用60 kg/m鋼軌12號(hào)固定型轍叉單開(kāi)道岔（研線1115）368 組，60 kg/m 鋼軌18 號(hào)固定型轍叉單開(kāi)道岔（研線1302）208組。

表3 主要應(yīng)用單位詳細(xì)情況

（4）靖神鐵路正線道岔全面采用，該鐵路與浩吉鐵路接軌，同步建設(shè)開(kāi)通。全線共計(jì)采用60 kg/m 鋼軌12 號(hào)固定型轍叉單開(kāi)道岔（研線1115）48 組，60 kg/m鋼軌18號(hào)固定型轍叉單開(kāi)道岔（研線1302）65組。

除新建重載鐵路外，既有鐵路客貨分流、貨運(yùn)重載化是發(fā)展大趨勢(shì)，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司計(jì)劃在既有干線開(kāi)行27 t軸重的C80貨車。既有線在用的12 號(hào)、18 號(hào)道岔約 4 萬(wàn)組，設(shè)計(jì)軸重普遍在 23 t 及以下，軌道結(jié)構(gòu)尤其是道岔承載能力不足，增加了部件傷損率與養(yǎng)護(hù)維修工作量。在既有鐵路換鋪重載道岔，能夠適應(yīng)貨運(yùn)重載化的趨勢(shì)，延長(zhǎng)道岔關(guān)鍵部件使用壽命，減小養(yǎng)護(hù)維修工作量，提升經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

為適應(yīng)重載鐵路線路大軸重、高密度和大運(yùn)量的特殊運(yùn)輸條件，重載鐵路道岔研發(fā)時(shí)以提升軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、降低養(yǎng)護(hù)維修工作量為核心出發(fā)點(diǎn)，研發(fā)了6種重載鐵路道岔產(chǎn)品。其中，側(cè)向允許通過(guò)速度為70 km/h的15 號(hào)道岔為我國(guó)首次應(yīng)用，可有效優(yōu)化站場(chǎng)布置，提升運(yùn)輸效率，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)重載鐵路道岔產(chǎn)品的空白。

在大秦、朔黃和浩吉鐵路等線路的試用及推廣實(shí)踐證明，重載鐵路道岔整體強(qiáng)度較高，可有效降低養(yǎng)護(hù)維修工作量。采用心軌加寬技術(shù)（限用于貨運(yùn)線路）的固定型轍叉平均壽命比非加寬轍叉增加40%。新型“直曲組合型”曲尖軌較既有曲尖軌壽命長(zhǎng)2～4倍，道岔核心部件壽命明顯增強(qiáng)，可以達(dá)到直尖軌通過(guò)總重4 億t、曲尖軌1 億t、固定型轍叉3 億t、可動(dòng)心軌轍叉7億t的預(yù)期目標(biāo)。