提速道岔心軌啟動卡阻原因分析及解決方案

張明鵬

成綿樂城際鐵路始發(fā)江油站，終到峨眉山站，共設20座車站，于2014年12月開通運營，初期運營速度為200 km/h；2017年提速達標整治后，運營速度提升至250 km/h。成綿樂城際鐵路正線有90組客專線（07）009型道岔，其心軌采用ZYJ7+SH6配置的電液主、副機牽引［1］。據(jù)統(tǒng)計，成錦樂城際鐵路2020年共發(fā)生啟動后第2.2～2.8 s內(nèi)心軌卡阻故障12件，其中10件為客專線（07）009型道岔。

現(xiàn)場處置時，用榔頭敲擊鎖鉤頭即可正常解鎖，后續(xù)扳動道岔良好，且在很長一段時間內(nèi)不易復發(fā)，導致問題不能有效處理，存在重復發(fā)生的可能。

1 心軌轉(zhuǎn)換動作原理

心軌解鎖過程包含轉(zhuǎn)換設備機內(nèi)解鎖，動作過程時間節(jié)點分布見圖1。

圖1 心軌轉(zhuǎn)換動作過程時間節(jié)點分布

以客專線（07）009型道岔為例，心軌轉(zhuǎn)換時長約8 s，兩點牽引心軌轉(zhuǎn)換過程對應的3個時間分布為：①階段1（0～3 s），機內(nèi)以及外鎖閉解鎖過程；②階段2（3～6.5 s），轉(zhuǎn)轍設備帶載轉(zhuǎn)換過程；③階段3（6.5～8 s），轉(zhuǎn)換到位完成鎖閉行程。

現(xiàn)場在對10件客專線（07）009型道岔心軌卡阻故障排查中發(fā)現(xiàn)了3個共性問題：一是心軌的2個牽引點在啟動后動作不同步，心2明顯快于心1；二是故障位鎖鉤和鎖閉桿凸臺重合面（鎖閉量）均有不同程度的異常磨痕［2］；三是鎖閉桿與動作桿連接處（鴨嘴鐵）發(fā)生形變，轉(zhuǎn)換設備在拉入或伸出位置時，動作桿與鎖閉桿連接處別勁，螺栓銷絕緣管墊兩側(cè)無間隙且發(fā)生變形。

2 心軌卡阻分析

2.1 道岔阻力

外鎖閉道岔的轉(zhuǎn)換阻力受多種因素影響［3］，其表達式為：

式中：F為道岔轉(zhuǎn)換阻力；Fm為由道岔可動部件滑動摩擦引起反映到牽引點的阻力；Ft為道岔可動部件反映到牽引點處的反彈力；Fq為其他因素引起反映到牽引點處的阻力；Fe為轉(zhuǎn)換阻力理論計算值；K為考慮實際使用中各種因素的系數(shù)。

現(xiàn)場模擬故障情形：在心軌第2牽引點鎖閉位（伸出側(cè)和拉入側(cè)）的鎖鉤和鎖閉桿凸臺內(nèi)，分別卡入直徑不小于1 mm的異物，用三相交流轉(zhuǎn)轍機拉力測試儀對心軌2個牽引點輸出力進行測試（見圖2）。綜合2個牽引點轉(zhuǎn)換力分析可得：在道岔外鎖閉解鎖時，心2除需克服阻力Fm外，還需提供更多的力來克服異物引起反映在牽引點的反彈力Ft和阻力Fq，此時又因兩牽引點存在明顯動作不同步，可動心軌在兩牽引點的相互作用下產(chǎn)生形變，心2鎖鉤別卡不解鎖造成道岔無法正常轉(zhuǎn)換。

圖2 模擬鎖閉桿與鎖鉤卡異物時道岔扳動推拉力

2.2 磨痕產(chǎn)生原因

心軌第2牽引點外鎖閉結(jié)構(gòu)見圖3。通過分析對比鎖鉤與鎖閉桿凸臺的磨痕形狀，兩者完全重合。列車高速過岔，輪對撞擊牽引點處時鎖閉位的鎖鉤和鎖閉桿間會出現(xiàn)間隙，伴隨巨大的風力形成渦流現(xiàn)象，將道床以及岔槽內(nèi)的不規(guī)則顆粒異物卷入鎖鉤與鎖閉桿的縫隙和外鎖閉裝置的有害空間內(nèi)，當?shù)啦碓俅螁訒r，顆粒物被帶入鎖鉤與鎖閉桿凸臺內(nèi)，使得鎖閉側(cè)鎖鉤位置上升，接觸面由原來的面接觸變?yōu)榱司€或點接觸，來回多次扳動道岔，鎖閉桿帶著異物動作就造成鎖閉桿凸臺和鎖鉤磨痕［4］。

圖3 心軌第2牽引點外鎖閉結(jié)構(gòu)

2.3 心2受力

1）道岔轉(zhuǎn)換初始，正常鎖閉位時的鎖閉桿凸臺與鎖鉤為面接觸，當鎖閉桿凸臺和鎖鉤間混入異物時，就使鎖閉桿凸臺與鎖鉤摩擦面由原來的面接觸變?yōu)榫€或點接觸，鎖鉤整體高度稍有升高，且鎖鉤傾斜，與鎖閉鐵形成夾角。又因列車運行對牽引點處撞擊，造成心軌第2牽引點鎖鉤向一側(cè)偏移，偏移量越大，夾角越大，下一次道岔扳動時，就必須克服這部分額外的阻力，即道岔動作時，其額外增加的滑動摩擦阻力，造成道岔啟動時功率曲線急劇上升，甚至發(fā)生不解鎖故障。功率曲線上升的開始時間為道岔啟動后的2.2～2.8 s，而該時間外鎖閉還未完全解鎖。

現(xiàn)場通過三相轉(zhuǎn)轍機拉力測試儀進行推拉力測試，心軌第1，2牽引點轉(zhuǎn)換設備額定轉(zhuǎn)換力分別為2500 N和4200 N?，F(xiàn)場測試在不同溢流壓力下心軌牽引點轉(zhuǎn)換設備的輸出力見表1。

表1 不同溢流壓力下轉(zhuǎn)換設備的輸出力

結(jié)合表1和圖2綜合分析可以得出：①轉(zhuǎn)換設備的輸出力與溢流壓力成正比；②心2動作快且提供的力不足以克服轉(zhuǎn)換阻力時，導致兩牽引動作不同步，心2鎖鉤無法解鎖。現(xiàn)場對故障道岔使用了上述方法測試，結(jié)果和模擬情形基本一致。

2）設計以及制造工藝缺陷［5］。鎖閉桿接頭處設計尺寸為：動作連桿開口30 mm，鎖閉桿連接彎頭寬度22 mm，兩側(cè)絕緣墊厚度各為3.5 mm，在φ25 mm螺栓緊固后應有1 mm的余量（圖4）。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)故障道岔的動作桿開口均不足30 mm，最小的甚至不足28 mm，導致鎖閉桿接頭處別死，絕緣管墊受擠壓變薄，甚至破損，動作桿連接處不能自由擺動。

圖4 心軌動作桿與鎖閉桿連接處結(jié)構(gòu)及尺寸

通過測試φ25 mm螺栓銷尺寸，發(fā)現(xiàn)其無絲部分長度不足，導致動作桿開口變小，施工及維修時為滿足防松防脫的要求，螺栓銷復緊后造成鎖閉桿接頭變形，改變了外鎖閉設計結(jié)構(gòu)。在列車高速過岔時，因振動等原因使得鎖鉤發(fā)生一定的偏移，動作桿、鎖閉桿和鎖鉤不在一條直線上形成夾角，造成鎖鉤別勁，存在垂直于動作桿和鎖閉桿方向的力。在道岔動作過程中，需要克服這部分額外的力才能順暢的做扇形運動，這也是外鎖閉別卡的又一重要因素。

3 整治方案及措施

3.1 使用改進型心軌鎖鉤

通過現(xiàn)場對外鎖閉裝置分解檢查對比分析，目前在用鎖鉤強度雖然在設計的強度范圍內(nèi)，但基本處于外鎖閉裝置強度設計的下限［6］，通過和相關(guān)專家共同研討，對目前在用外鎖閉裝置進行優(yōu)化。

1）提高外鎖閉裝置摩擦面的強度和耐磨度，對鎖鉤鎖閉面、鎖閉桿凸臺，以及鎖閉鐵鎖閉斜面進行不小于0.8 mm激光淬火處理，并在其表面滲鋅0.4～0.6 mm，使其達到良好的防腐防銹效果。

2）心軌鎖鉤優(yōu)化改型，在心軌第2牽引點鎖鉤上增加擋板（見圖5），在列車高速過岔時，將鎖鉤的橫向偏移限定在一定范圍內(nèi)。現(xiàn)場維護人員定期對外鎖閉裝置進行分解檢查，對磨耗超標的外鎖閉裝置進行成套更換［7］。

圖5 帶有擋板的改進型鎖鉤

2020年下半年，將成綿樂城際鐵路90組道岔的心軌第2牽引點鎖鉤更換為擋板鎖鉤，并在更換后的6個月對原發(fā)生過卡阻故障的外鎖閉裝置分解檢查，未發(fā)現(xiàn)異常劃痕；鎖鉤基本在鎖閉鐵斜面中心位置，偏移量比使用老式鎖鉤偏移量明顯減少。

3.2 更換動作桿連接銷螺栓

現(xiàn)用動作桿與鎖閉桿連接銷螺栓規(guī)格為長度102 mm，無絲長度為49 mm，有絲長度為25 mm，通過和廠家共同研討，將動作桿連接銷螺栓的無絲長度增長1 mm，上道前經(jīng)過線下試驗，將螺栓銷螺母擰到底后也不會造成連接頭（鴨嘴）變形，滿足施工和現(xiàn)場作業(yè)習慣。更換內(nèi)、外動作桿連接銷螺栓（垂直于道床、φ22 mm），外動作桿和鎖閉桿連接銷螺栓（平行于基本軌（翼軌）、φ25 mm），緊固螺母在規(guī)定扭力值緊固后，動作桿連接頭（鴨嘴鐵）仍然有1 mm的間隙，無論道岔在拉入或伸出位，手搖連接頭處能自由擺動，保證道岔扳動時順暢做扇形運動。

采用上述方法整治后，使用三相交流轉(zhuǎn)轍機拉力測試儀進行推拉力測試（圖6），同圖2對比分析，兩牽引點的同步性和心軌第2牽引點的推拉力最大值明顯降低，較整治前有明顯改善。

圖6 整治后心軌兩牽引點轉(zhuǎn)換力

4 結(jié)束語

經(jīng)過對成錦樂客專道岔心軌的鎖鉤和螺栓銷更換后，從根本上解決了心軌啟動卡阻問題。同時對管內(nèi)其他客專線路的外鎖閉道岔心軌采取上述方法進行整治，并在時隔半年后，對更換后的道岔外鎖閉裝置分解檢查，發(fā)現(xiàn)劃痕已基本消除，整治效果顯著。