既有普速鐵路合金鋼轍叉優(yōu)化研究

喬神路 劉婷林

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

轍叉是鐵路道岔的關(guān)鍵組成部分。為適應(yīng)運(yùn)量增大、軸重增加的運(yùn)營(yíng)需求，合金鋼轍叉近年來在普速鐵路正線道岔上得到了廣泛應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)高錳鋼轍叉，合金鋼轍叉強(qiáng)度高、耐磨性好，使用壽命較長(zhǎng)[1-2]，且可實(shí)現(xiàn)無縫化，已成為普速鐵路正線道岔的主型轍叉，并應(yīng)用于重載鐵路及城市軌道交通[3-4]，發(fā)展出多種結(jié)構(gòu)形式[5]。

鍛制合金鋼心軌組合轍叉是合金鋼組合轍叉的基本型式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，目前應(yīng)用最為普遍。鍛制合金鋼心軌組合轍叉由翼軌、鍛造心軌、叉跟軌等通過高強(qiáng)螺栓聯(lián)結(jié)而成，其中鍛造心軌采用合金鋼坯制造；翼軌、叉跟軌采用普通鋼軌制造。由于翼軌強(qiáng)度較低，現(xiàn)場(chǎng)轍叉多因翼軌過量磨耗或心軌傷損提前下道，造成更換作業(yè)頻繁，難以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高密度、大運(yùn)量的運(yùn)輸條件，已成為工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修的重點(diǎn)和難點(diǎn)[6-7]。目前合金鋼組合轍叉既有研究集中于養(yǎng)護(hù)維修措施的強(qiáng)化[8-11]，也對(duì)合金鋼轍叉新結(jié)構(gòu)新方案有所關(guān)注[12-13]，但較少考慮既有轍叉的優(yōu)化完善。

根據(jù)實(shí)際需求，以普速鐵路60 kg/m鋼軌12號(hào)道岔(SC330)某型既有合金鋼轍叉為基礎(chǔ)，對(duì)鍛制合金鋼心軌組合轍叉進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以期改善轍叉服役性能，延長(zhǎng)轍叉使用壽命。

1 既有轍叉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

既有鍛制合金鋼心軌組合轍叉趾長(zhǎng)m=2 192 mm，跟長(zhǎng)n=3 800 mm，平面布置見圖1，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下。

圖1 既有鍛制合金鋼組合轍叉

(1)心軌為合金鋼鍛造叉心與叉跟軌組合式結(jié)構(gòu)，翼軌、叉跟軌采用普通鋼軌制造。

(2)翼軌平直段由心軌20 mm斷面至心軌50 mm斷面；翼軌設(shè)置抬高6 mm，抬高過渡段由咽喉至心軌50 mm斷面。

(3)鋼軌件采用M27高強(qiáng)度螺栓副、間隔鐵及鋼軌墊圈聯(lián)結(jié)。

(4)采用Ⅱ型彈條分開式可調(diào)扣件，利用軌距塊調(diào)距。

(5)轍叉下設(shè)5 mm厚橡膠墊板，鐵墊板下設(shè)10 mm厚橡膠墊板。

2 現(xiàn)場(chǎng)典型病害

(1)翼軌磨耗過快，心軌剝離掉塊情況見圖2。翼軌最大磨耗出現(xiàn)在心軌、翼軌之間的輪載過渡范圍，此處輪軌沖擊作用強(qiáng)，鋼軌承載面積有限。翼軌磨耗超限是既有轍叉下道的主要原因。

圖2 翼軌磨耗及心軌傷損

(2)心軌端部軌下膠墊壓潰竄出情況見圖3。心軌端部軌下膠墊在輪載長(zhǎng)期反復(fù)作用下發(fā)生壓潰失效，影響叉心承載能力，加劇輪軌沖擊及翼軌磨耗。

圖3 心軌端部軌下膠墊失效

(3)間隔鐵螺栓剪斷情況見圖4。輪載過渡范圍輪軌沖擊作用顯著，該范圍內(nèi)心軌與翼軌聯(lián)結(jié)的單根螺栓間隔鐵承載能力不足，易發(fā)生剪斷。

圖4 間隔鐵螺栓斷裂

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

(1)轍叉趾長(zhǎng)、跟長(zhǎng)保持不變。

(2)墊板釘孔與既有轍叉一致。

(3)扣件采用II型彈條扣件。

(4)盡量利用既有通用零部件。

(5)適用于跨區(qū)間無縫線路。

3.1 翼軌平直段設(shè)置

既有轍叉翼軌平直段范圍由叉心20 mm斷面至50 mm斷面，是我國(guó)普速道岔轍叉普遍采用的設(shè)置方式[14]?？紤]過岔速度不高，本次優(yōu)化合金鋼組合轍叉翼軌平直段起點(diǎn)可由既有轍叉的心軌20 mm斷面移至心軌理論尖端，增加翼軌在輪載過渡范圍的有效承載面積，減小輪軌接觸應(yīng)力，進(jìn)而延緩翼軌垂向磨耗，延長(zhǎng)其使用壽命。平直段起點(diǎn)改變后，翼軌輪載過渡段的沖擊角有所增大，但此部分位于護(hù)軌平直段范圍內(nèi)，不會(huì)增大列車對(duì)翼軌沖擊作用。

3.2 翼軌軌頭刨切

既有轍叉翼軌軌頭未進(jìn)行加工，由于軌頭廓形的影響，車輪踏面與翼軌軌頂?shù)膶?shí)際接觸面積有限。本次優(yōu)化對(duì)軌頭工作邊進(jìn)行機(jī)加工，在咽喉至心軌50 mm斷面范圍內(nèi)，對(duì)軌頭工作邊豎向刨切0～4 mm(見圖5)，減小軌頭側(cè)面連接圓弧所占寬度，增加車輪踏面在翼軌頂面上的有效碾壓寬度，避免翼軌及心軌的快速磨耗。

圖5 翼軌軌頭刨切(單位：mm)

3.3 叉心結(jié)構(gòu)及軌下支承方式

既有轍叉叉心始端僅部分支承在鐵墊板處，叉心在荷載作用下的變形及軌下膠墊局部受力較大。為提高叉心承載力，減小結(jié)構(gòu)變形，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)將叉心向轍叉趾端延長(zhǎng)至鐵墊板邊緣，增加叉心始端的支承面積；為避免軌下膠墊壓潰竄出等病害，叉心前端軌下取消膠墊，采用相同厚度的剛性臺(tái)板。

3.4 間隔鐵布置

既有轍叉在咽喉與叉心理論尖端之間、叉心理論尖端與心軌50 mm斷面之間、心軌70 mm斷面附近均只設(shè)1個(gè)單根螺栓間隔鐵，聯(lián)結(jié)強(qiáng)度不足，本次優(yōu)化改為雙螺栓間隔鐵，保證結(jié)構(gòu)在車輛沖擊荷載下的穩(wěn)定性。轍叉水平聯(lián)結(jié)螺栓數(shù)量由15根增加至18根，可提高轍叉承受及傳遞鋼軌溫度、制動(dòng)等縱向力作用的能力，適應(yīng)無縫化需求。

轍叉優(yōu)化后的間隔鐵分別設(shè)置于咽喉前、咽喉后、理論尖端后、心軌70 mm斷面、叉跟軌50 mm斷面、翼軌跟端、叉跟軌跟端處，見圖6。除叉跟軌50 mm斷面、叉跟軌整軌頭處為單螺栓間隔鐵外，其余位置均為雙螺栓間隔鐵。

圖6 優(yōu)化后的間隔鐵布置

3.5 螺栓防松措施

轍叉間隔鐵高強(qiáng)螺栓垂直于轍叉角平分線，為保證螺栓正常安裝，既有轍叉鋼軌墊圈在與鋼軌接觸一側(cè)設(shè)置斜差，但高度不變，現(xiàn)場(chǎng)安裝不易區(qū)分。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)[15]，在鋼軌墊圈裝反的情況下，M27高強(qiáng)螺栓應(yīng)力增幅可達(dá)30%，在車輛荷載長(zhǎng)期反復(fù)作用下，轍叉螺栓發(fā)生斷裂的可能性顯著增加。為此，本次優(yōu)化采用結(jié)構(gòu)高度隨斜差變化的鋼軌墊圈，方便現(xiàn)場(chǎng)正確安裝，同時(shí)設(shè)置防轉(zhuǎn)片，避免螺栓發(fā)生松動(dòng)，見圖7。

圖7 優(yōu)化前后的鋼軌墊圈示意

3.6 整體墊板

既有轍叉軌件鐵墊板支撐設(shè)在岔枕處，在車輛荷載作用下，輪載過渡范圍內(nèi)的叉心、翼軌等軌件難以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形，造成翼軌或心軌磨耗傷損，影響轍叉使用壽命，增加現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修量。

本次優(yōu)化設(shè)計(jì)整體鐵墊板，跨枕設(shè)置于輪載過渡段范圍，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況替換使用，見圖8。鐵墊板頂面與翼軌軌底接觸的部分設(shè)置縱坡，并在縱坡范圍內(nèi)設(shè)置鐵座，保證彈條對(duì)翼軌軌底的正常扣壓；由于叉心沒有抬高，且為保證鐵墊板與岔枕聯(lián)結(jié)螺栓的正常安裝，鐵墊板在與叉心軌底接觸及聯(lián)結(jié)螺栓安裝范圍內(nèi)保持平面。為避免軌下彈性墊板壓潰，影響結(jié)構(gòu)正常使用，整體鐵墊板不設(shè)軌下彈性墊板，鋼軌與鐵墊板剛性接觸，通過增加鐵墊板厚度保證軌面高度不變。

圖8 整體墊板

4 結(jié)論與建議

針對(duì)既有普速合金鋼轍叉的典型病害，對(duì)合金鋼轍叉進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，提出延長(zhǎng)翼軌平直段范圍、翼軌軌頭刨切、強(qiáng)化叉心結(jié)構(gòu)及下部支承、優(yōu)化間隔鐵布置及螺栓防松措施、采用整體墊板等結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，可有效延長(zhǎng)轍叉使用壽命。優(yōu)化后的轍叉保持墊板釘孔不變，可與既有合金鋼轍叉互換使用，具有較好的實(shí)施性。

合金鋼組合轍叉型式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件較多，更換作業(yè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)天窗時(shí)間短的實(shí)際條件，影響線路開通質(zhì)量。為此，建議結(jié)合對(duì)鍛制合金鋼心軌組合轍叉、合金鋼鋼軌組合轍叉、鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉、焊接式翼軌加強(qiáng)型合金鋼組合轍叉的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)合金鋼組合轍叉在線更換技術(shù)進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)不同型式合金鋼組合轍叉易損軌件的單獨(dú)更換，降低轍叉養(yǎng)護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。