客貨共線鐵路60 kg/m鋼軌9號與12號道岔統(tǒng)型與結構優(yōu)化

張曉陽 王樹國

1.中國國家鐵路集團有限公司工電部，北京 100844；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

目前國家鐵路鋪設60 kg∕m鋼軌9號道岔約2.2萬組，60 kg∕m鋼軌12號道岔約6.7萬組，約占普速線路60 kg∕m鋼軌系列道岔的90%。這兩個型號道岔的鋪設數量與占比較大［1-3］，具體產品圖號與對應用量見表1和表2。

表1 60 kg/m鋼軌9號道岔主型產品鋪設數量

表2 60 kg/m鋼軌12號道岔主型產品鋪設數量

CZ577是根據2002年原鐵道部運輸局組織召開的改進型60 kg∕m鋼軌9號單開道岔設計方案審查會的審查意見設計的。SC390和CZ577均屬于“92改進型”道岔，這兩種圖號的道岔主體結構設計完全相同，僅因生產廠家不同而采用了不同的圖號。在原鐵路總公司印發(fā)的《鐵路道岔使用規(guī)定》中采用了原設計圖號CZ577，該型道岔全長及前、后長均與原92型木枕道岔（專線4115）、其他92改進型9號道岔（專線4194∕專線4204）相同，岔枕間距、轉轍器結構做了優(yōu)化，適用于速度v≤120 km∕h的鐵路，側向通過速度為35 km∕h。SC330是根據2001年原鐵道部運輸局組織召開的92型60 kg∕m鋼軌12號木枕道岔改進設計方案審查會的審查意見設計的。道岔前、后長與原木枕道岔相同，可以滿足現場整組換鋪需要。道岔容許通過速度為旅客列車直向v≤120 km∕h、貨物列車v≤90 km∕h（軸重23 t），所有列車側向v≤50 km∕h。專線4249是根據原鐵道部鐵建函〔1998〕43號文下達的標準設計計劃設計的，適用于直向通過速度160 km∕h旅客列車、軸重25 t貨物列車運行，側向設計通過速度為50 km∕h，道岔前、后長與專線4228、鐵聯線004完全相同。

調研發(fā)現，目前60 kg∕m鋼軌9號、12號道岔鋪設量大，且多用于客貨共線I級鐵路正線、到發(fā)線，重載鐵路到發(fā)線及其他站線，在使用過程中暴露出的問題較為突出，主要表現在道岔幾何尺寸保持能力差、部件使用壽命短、養(yǎng)護維修工作量大等方面［4-6］。因此，提高60 kg∕m鋼軌9號、12號道岔產品性能成為了鐵路工務部門的迫切需要。

對于60 kg∕m鋼軌系列道岔產品，在92型、提速型道岔設計研發(fā)中保證了道岔平面尺寸的一致性，為道岔升級改造設計預留了一定便利性；且60 kg∕m鋼軌道岔主要集中于幾個主型道岔，因而僅需對主型道岔進行優(yōu)化設計，即可滿足絕大部分同型號道岔的改造要求。

基于60 kg∕m鋼軌9號、12號道岔需要改造且具備優(yōu)化可行性的情況，中國國家鐵路集團工電部主持對主型道岔CZ577、SC330、專線4249共計3個圖號的產品進行了改進設計［7-8］。

1 道岔整體設計

新型60 kg∕m鋼軌9號、12號道岔擬采用的平面線型與結構尺寸設計分述如下。

1.1 9號道岔

道岔尺寸及配軌長度見圖1，新型道岔采用60 kg∕m鋼軌制造基本軌、導軌，采用60AT2鋼軌制造尖軌（為滑床板強化預留空間），轍叉為直線型固定型轍叉，分高錳鋼和合金鋼兩種結構形式，護軌采用33 kg∕m槽型鋼制造。鋼軌采用U75V在線熱處理鋼軌。

圖1 新型60 kg∕m鋼軌9號道岔平面尺寸及配軌（單位：mm）

道岔導曲線為半徑195 m的單圓曲線，采用相離半切線型，相離值為30 mm，半切點位置軌頭寬度為54.9 mm；采用11.85 m彈性可彎尖軌，尖軌尖端為藏尖式，跟端可采用限位器或間隔鐵結構（2種轍跟傳力結構軌件通用），限位器子母塊間隙值為10 mm。

岔區(qū)設1∶40軌底坡或軌頂坡，扣件采用分開式彈條Ⅱ型扣件。

道岔配軌按普通接頭設計，軌縫8 mm，滿足跨區(qū)間無縫線路的鋪設要求，適應年軌溫差100℃。按無縫道岔供貨時，取消相應的鋼軌軌端鉆孔。

道岔絕緣接頭預設置在直股或曲股的連接部分。

道岔軌下基礎采用混凝土岔枕，按垂直于直股方向布置，側股末端設扭轉枕，其后的岔枕按垂直側股工作邊布置。受岔枕長度限制，用于單渡線時，線間距需大于等于5 m；線間距小于5 m時，岔后長岔枕需單獨設計。

道岔按聯動內鎖和分動外鎖兩種方式設計，轉轍器設置2個牽引點，動程分別為160 mm和85 mm。牽引點間距為3 625 mm，內鎖連桿安裝位置在距第一牽引點中心線1 800 mm處。

1.2 12號道岔

道岔尺寸及配軌長度見圖2，新型12號道岔采用的鋼軌、轍叉類型與9號道岔相同。鋼軌采用U75V在線熱處理鋼軌。

圖2 新型60 kg∕m鋼軌12號道岔平面尺寸及配軌（單位：mm）

道岔導曲線為半徑360 m的單圓曲線，采用相離半切線型，相離值為36 mm，半切點位置軌頭寬度為65.6 mm；采用14.85 m彈性可彎尖軌，尖軌尖端為藏尖式，跟端可采用限位器或間隔鐵結構（2種轍跟傳力結構軌件通用），限位器子母塊間隙值為10 mm。

岔區(qū)設1∶40軌底坡或軌頂坡，扣件采用分開式彈條Ⅱ型扣件。

道岔配軌按普通接頭設計，軌縫8 mm，滿足跨區(qū)間無縫線路的鋪設要求，適應年軌溫差100℃。按無縫道岔供貨時，取消相應的鋼軌軌端鉆孔。

道岔絕緣接頭預設置在直股或曲股的連接部分。

道岔軌下基礎采用混凝土岔枕，按垂直于直股方向布置，側股末端設扭轉枕，其后的岔枕按垂直側股工作邊布置。受岔枕長度限制，用于單渡線時，線間距需大于等于5 m；線間距小于5 m時，岔后長岔枕需另行設計。

道岔按聯動內鎖和分動外鎖兩種方式設計，轉轍器設置2個牽引點，動程分別為160 mm和80 mm。牽引點間距為4 200 mm，內鎖連桿安裝位置在距第一牽引點中心線1 900 mm處。

2 通用件設計與部件引用

2.1 普通墊板

適用于預埋鐵座式彈條Ⅱ型分開式扣件系統(tǒng)的普通鐵墊板引用研線1115-107（重載60 kg∕m鋼軌12號、18號道岔用鐵墊板），組裝結構和尺寸見圖3。

圖3 普通墊板的組裝結構和尺寸（單位：mm）

鐵墊板主要結構特征如下：

①鐵墊板設置1∶40軌底坡，厚度25∕29 mm，名義尺寸為27 mm；

②混凝土岔枕上預埋鐵座，在鐵座上用T型螺栓安裝Ⅱ型彈條扣壓鐵墊板；

③鐵墊板上設有鐵座，在鐵座上用T型螺栓安裝Ⅱ型彈條扣壓鋼軌；

④設5 mm軌下墊層，起緩沖作用；板下設10 mm彈性墊層，起彈性作用；

⑤鐵墊板鐵座與鋼軌軌底間設軌距塊，用于鋼軌軌距調整；

⑥岔枕鐵座與鐵墊板之間設絕緣軌距塊，用于絕緣及調整軌距；

⑦接頭處采用B型接頭彈條（HYT-LU-2），軌距塊采用專線4232-10A（11號∕13號）。

鋼軌兩側軌距塊有4種規(guī)格：9、11、13、15 mm。鐵墊板兩側軌距塊有5種規(guī)格：8、10、12、14、16 mm。正常安裝時，鋼軌工作邊和非工作邊側分別安裝13、11 mm軌距塊，鐵墊板兩側安裝12 mm軌距塊，利用其他規(guī)格軌距塊可實現單股鋼軌位置調整。單股鋼軌調距能力見表3。

表3 單股鋼軌軌距調整量 mm

道岔側股鐵墊板偏斜值設置與使用見表4，研線1115-107鐵墊板原有A—G型，在重載道岔研發(fā)初期，為探索預埋鐵座式扣件系統(tǒng)鐵墊板偏斜值適應性，原設計按1 mm偏斜值晉級，在重載18號道岔研發(fā)時，試驗了偏斜值相差5 mm（B型與G型的偏斜值差距）也能滿足拆裝需求。因此本次9號、12號道岔研發(fā)中本著減少部件種類的原則，普通鐵墊板采用引用結構，同時減少墊板種類，方便工廠制造與現場備料。

表4 研線1115-107鐵墊板偏斜值與新型道岔采用位置

直股鐵墊板采用A型。9號道岔側股采用E型鋪設于連接部分前部，F型鋪設于岔后側股長枕位置，新增H型用于連接部分后部，扭轉枕位置采用B型過渡。12號道岔側股采用B型鋪設于連接部分前部，E型鋪設于連接部分后部和岔后側股長枕位置，扭轉枕位置采用G型過渡。

2.2 滑床板

滑床板結構如圖4所示，其中基本軌非工作邊側與普通墊板位置相同，采用彈條扣壓，工作邊一側采用彈性夾扣壓，與60 kg∕m鋼軌重載道岔相比，新型客貨共線道岔采用了60AT2鋼軌，較60AT1鋼軌全高減小了10 mm。該部分高度差可用于補強滑床臺頂面，臺板厚度可加厚至41 mm。

圖4 轉轍器滑床板位置組裝狀態(tài)

在重載道岔應用過程中，發(fā)現滑床臺頂板預留凈空較小，導致彈性夾尾部拆裝不便，如圖5（a）所示，由于該滑床臺受60AT1鋼軌和彈性夾安裝空間限制，臺板的頂板厚度設計如圖5（b）所示。

圖5 重載60 kg∕m鋼軌道岔滑床臺（單位：mm）

新型60 kg∕m鋼軌客貨共線道岔，滑床臺型腔可采用重載60 kg∕m鋼軌道岔用滑床臺，滑床臺加厚至41 mm，頂板尾部凈空可進一步提高，如圖6（a）所示，頂板主體厚度由重載道岔的5.5 mm加厚至12.5 mm，強度大幅提升。頂板尾部厚度取值按照75 kg∕m鋼軌預設的凈空高度修改，如圖6（b）所示，按10.5 mm設計，彈性夾尾部安裝空間增加3 mm。

圖6 道岔滑床臺側剖面（單位：mm）

由于轉轍器側股鋼軌偏斜量較小，因此滑床板偏斜值設置從0～8 mm，每2 mm晉一級。

2.3 護軌墊板

護軌墊板引用重載60 kg∕m鋼軌道岔的護軌臺板、撐板結構，組裝狀態(tài)如圖7（a）所示，其中護軌為33 kg∕m槽型鋼，頂面高于基本軌頂面12 mm，基本軌非工作邊一側與普通墊板相同采用彈條扣壓，安裝11號軌距塊，工作邊一側采用長380 mm彈性夾扣壓，為方便護軌墊板拆裝，將正常狀態(tài)下不承受荷載的護軌臺板壓舌減短，即由重載道岔采用的25 mm縮減至6 mm。

護軌墊板尺寸如圖7（b）所示，底板長度與重載道岔護軌底板相同（板下膠墊可通用），撐板長度為200 mm，較既有道岔提高了強度。

圖7 新型客貨共線60 kg∕m鋼軌道岔護軌墊板（單位：mm）

承軌槽寬度過去通常按照157 mm設計（鋼軌工作邊軌底與臺板邊緣預留1 mm縫隙），并按0～+1 mm的公差控制制造，在實際組裝中，由于承軌槽寬度正公差和鋼軌軌底負公差的疊加作用，經常出現縫隙過大現象，需調換更大號碼的軌距塊才能保持密貼的情況，因此本次設計承軌槽寬度采用156 mm。

9號、12號道岔側股鋼軌偏斜值較大，為保證側股鋼軌安裝空間，側股護軌墊板承軌槽寬度適量加寬，規(guī)格與尺寸如表5和圖8所示。9號、12號道岔的側股滑床板由于偏斜量較大，臺板邊緣已接近底板邊緣，因此將后端左右兩側做70 mm×10 mm的斜角，方便焊接。

表5 護軌墊板型號

圖8 兩種道岔側股用護軌墊板平面設計（單位：mm）

3 轉轍器軌件與扣件系統(tǒng)設計

3.1 轉轍器軌件主要尺寸與結構

采用“刨切基本軌加厚尖軌”技術［9-10］，如圖9所示，在不增加轉轍始角的情況下，使尖軌軌頭薄弱斷面快速加寬。

圖9 直基本軌刨切和曲線尖軌尖端沖擊角

刨切基本軌會引起直股軌距變化。9號、12號道岔直股軌距變化如圖10所示。

9號道岔直基本軌前端按照1∶150斜度刨切，刨切過渡段長度750 mm，深度5 mm，平直段長度6 000 mm，平直段長度考慮到滿足曲尖軌斥離狀態(tài)時最小輪緣槽要求，做了延長處理，后端過渡段長度1 000 mm。直股軌距在尖軌尖端由1 435 mm加寬至1 445 mm，直尖軌在尖端至軌頭刨切起點（全斷面頂寬72.2 mm）軌距均勻過渡，直尖軌工作邊距線路中心線距離由727.5 mm過渡到717.5 mm，軌距最大構造加寬位置為刨切平直段起點，最大值為1 448.2 mm，其后軌距隨直尖軌軌距過渡而減小，至直尖軌全斷面位置軌距過渡至1 440 mm，至直基本軌刨切終點軌距過渡至1 435 mm。

12號道岔直基本軌前端按照1∶150斜度刨切，刨切過渡段長度750 mm，深度5 mm，平直段長度6 000 mm，平直段長度考慮到滿足曲尖軌縱向伸縮而少量延長，后端過渡段長度2 000 mm。直股軌距在尖軌尖端由1 435 mm加寬至1 440 mm，直尖軌在尖端至軌頭刨切起點（全斷面頂寬72.2 mm）軌距均勻過渡，直尖軌工作邊距線路中心線距離由727.5 mm過渡到717.5 mm，軌距最大位置為刨切平直段起點，最大值為1 444.3 mm，其后軌距隨直尖軌軌距過渡而減小，至直尖軌全斷面位置軌距過渡至1 440 mm，至直基本軌刨切終點軌距過渡至1 435 mm。

3.2 尖軌跟端扣壓方式

尖軌固定端開始需要有扣件扣壓，由于尖軌、基本軌支距較大，無法通過設置更長的彈性夾實現對基本軌的扣壓，因此尖軌固定端選擇如圖11（a）所示的扣壓方式?；拒壏枪ぷ鬟呉粋瓤蹓盒问讲蛔儯ぷ鬟呉粋炔捎脛傂耘_板扣壓，臺板壓舌長度12 mm，臺板上固定60AT2鋼軌，采用彈條扣壓，軌距塊采用客專線-V-44軌距塊，工作邊一側安裝11號軌距塊，非工作邊一側安裝10號軌距塊，另提供9-12號、8-13號兩種規(guī)格的軌距塊作為備件。

在尖軌支距較大的位置，基尖軌之間滿足安裝2個鐵座的空間，可設置為如圖11（b）所示的扣壓形式，實現基本軌兩側彈性扣壓。

圖11 尖軌固定端扣壓形式

3.3 轉轍器其他聯結零件設計

基尖軌間頂鐵每間隔1根枕間設置1組，引用研線50 kg∕m鋼軌系列道岔頂鐵。

采用外鎖閉時，牽引點后1根枕設置防跳限位裝置，采用專線4232-66組件。內鎖連桿用接頭鐵采用專線4171，可實現與60AT2鋼軌匹配，如圖12所示。

表5 為依據透明度（SD）、葉綠素 a（Chla）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）、總氮（TN）計算得到的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數。

圖12 專線4171接頭鐵與60AT2鋼軌組裝

轉轍器后部支距墊板長度對應重載道岔采用的長度，以減少板下膠墊型號。轉轍器跟端鐵墊板較長，為保持其穩(wěn)定性，在鐵墊板中部增加1根岔枕螺栓，引用研線0405組件，如圖13所示。

圖13 轉轍器跟端長墊板

4 轍叉、護軌與聯結零件結構設計

轍叉采用合金鋼組合轍叉和高錳鋼轍叉兩種結構，兩種轍叉軌下基礎相同。轍叉區(qū)采用槽型護軌結構，直側向等長。轍叉主要尺寸見表6。

表6 轍叉主要尺寸 mm

4.1 合金鋼組合轍叉

1）合金鋼組合轍叉結構形式

合金鋼組合轍叉設計四種結構（圖14）：鍛制合金鋼心軌組合轍叉、焊接式翼軌加強型合金鋼組合轍叉、合金鋼鋼軌組合轍叉和鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉。除鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉外，其余三種轍叉可共用鐵墊板。

鍛制合金鋼心軌組合轍叉：心軌采用合金鋼鋼坯制造，翼軌、叉跟軌采用普通60 kg∕m鋼軌在線淬火軌制造。采用間隔鐵、高強螺栓副將軌件組裝為整體。

焊接式翼軌加強型合金鋼組合轍叉：心軌、叉跟軌結構與鍛制心軌轍叉相同，翼軌輪載轉換區(qū)域采用合金鋼材料，前后用閃光焊與普通鋼軌焊接，前端焊縫設置夾板保護。采用間隔鐵、高強螺栓副將軌件組裝為整體。除心軌尖端間隔鐵外，其余間隔鐵與鍛制心軌轍叉通用。

合金鋼鋼軌組合轍叉：合金鋼鋼軌組合轍叉采用長、短心軌拼裝結構，心軌采用60 kg∕m高型特種斷面鋼軌制造，翼軌采用60 kg∕m在線熱處理鋼軌或合金鋼鋼軌制造。采用間隔鐵、高強螺栓副將軌件組裝為整體。

鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉：心軌、叉跟軌結構與鍛制心軌轍叉相同，翼軌采用鑲嵌式結構，鑲嵌塊與心軌可鍛制為整體，也可分體組裝，均采用合金鋼材料制造。采用間隔鐵、高強螺栓副將軌件組裝為整體。

2）細部結構設計

轍叉細部結構設計與鐵墊板尺寸相關，采用合金鋼統(tǒng)型轍叉研究成果確定主要結構尺寸。

轍叉咽喉：轍叉咽喉為翼軌第一彎折點，將第一彎折點位置確定為兩翼軌工作邊距離為61 mm處，翼軌彎折點將在彎折點前后各150 mm范圍內形成圓弧，圓弧間最近距離為65 mm。

翼軌平直段起點：為降低翼軌趾端緩沖段沖角，將翼軌輪緣槽平直段起點確定為心軌軌頭寬20 mm斷面位置。

翼軌抬高起點及抬高值：根據合金鋼組合轍叉研究成果，采用擬合車輪確定翼軌抬高起點及抬高值，自咽喉后100 mm開始抬高，至心軌50 mm斷面抬高6 mm。

心軌與叉跟軌聯結：心軌與叉跟軌的聯結在水平方向為燕尾結構，在垂直方向上取消心軌最大截面后的縮頸變截面結構。

4.2 高錳鋼轍叉

新設計的12號高錳鋼轍叉采用整鑄和拼裝兩種結構，如圖15所示。

4.3 護軌結構設計

護軌采用33 kg∕m槽型鋼制造，直側股等長但不能互換，尺寸見表7，其中60-12號道岔護軌為對稱結構，區(qū)別在于直側股釘孔位置。

表7 護軌參數尺寸 mm

護軌采用33 kg∕m槽型鋼制造，頂面高出基本軌12 mm，工作邊進行淬火處理，平直段輪緣槽寬42 mm，緩沖段開口65 mm，開口段輪緣槽寬80 mm。

5 岔枕設計

采用新型客貨共線鐵路道岔用岔枕截面及配筋，前期研發(fā)的50 kg∕m鋼軌系列道岔（50-9、50-12、50-18三種型號）也采用了此結構，如圖16所示。該岔枕與提速道岔岔枕強度相同，與重載鐵路道岔相比質量較輕，使用鋼絲數量較少，在保證強度的同時縮短預應力中心與形心高差，可減緩徐變上拱。該型岔枕適合于普速鐵路運行條件。

圖16 新型客貨共線鐵路道岔用岔枕截面（單位：mm）

6 結論

本文針對60 kg∕m鋼軌9號、12號道岔，從整體線型、通用件、轉轍器軌件與扣件系統(tǒng)、轍叉護軌與聯結零件四個方面進行了結構優(yōu)化研究。主要結論如下：

1）9號道岔前長13.839 m，后長15.730 m，全長29.569 m；道岔采用相離半切線型，導曲線半徑195 m，采用60AT2彈性可彎尖軌，曲線尖軌為直曲組合型，采用直線型轍叉，左右開可通用。

2）12號道岔前長16.592 m，后長21.208 m，全長37.800 m；道岔采用相離半切線型，導曲線半徑350 m，采用60AT2彈性可彎尖軌，曲線尖軌為直曲組合型，采用直線型轍叉，左右開可通用。

3）固定轍叉可選用高錳鋼轍叉和合金鋼組合轍叉，岔枕通用。

4）9號、12號道岔均采用兩點牽引布置，9號道岔采用聯動內鎖轉換方式，12號道岔可采用聯動內鎖或分動外鎖轉換方式。

5）道岔采用預埋鐵座彈性分開式扣件系統(tǒng)，岔枕沿用新型客貨共線鐵路道岔用岔枕截面及配筋。