高速道岔長心軌折斷對轍叉狀態(tài)的影響

易強(qiáng) 楊東升 楊亮 王樹國

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

道岔是實(shí)現(xiàn)列車轉(zhuǎn)線運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，也是軌道結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。高速鐵路道岔過車速度高，輪軌沖擊劇烈，長期服役后軌件不可避免地存在疲勞損傷，在長期循環(huán)荷載作用下可能發(fā)展為軌件折斷，嚴(yán)重威脅行車安全［1-2］。高速道岔號(hào)碼較大，尖軌和心軌較普速道岔更長，轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)零部件也更多，因此高速道岔可動(dòng)軌件發(fā)生折斷的位置更加難以預(yù)測。此外，尖軌、心軌制造過程中需要對鋼軌進(jìn)行彎折以及非均勻機(jī)加工以實(shí)現(xiàn)變截面［3］，軌腰還需多處鉆孔，多道加工工序使鋼軌內(nèi)部存在復(fù)雜的初始應(yīng)力［4］。高速道岔可動(dòng)軌件發(fā)生折斷將導(dǎo)致道岔幾何尺寸難以保持，因此開展高速道岔可動(dòng)軌件折斷對道岔狀態(tài)的影響研究具有重要的工程意義。

高速道岔軌件傷損一直是鐵路工務(wù)部門的關(guān)注重點(diǎn)，但目前的研究主要關(guān)注岔區(qū)輪軌接觸導(dǎo)致的鋼軌表面疲勞損傷，而對于軌件折斷的研究相對較少。王平等［5］開展了基于彈性波傳播的高速道岔尖軌斷軌識(shí)別研究，對比分析了不同激勵(lì)頻率、尖軌斷軌位置及密貼狀態(tài)等因素對高速道岔尖軌彈性波傳播特性的影響。蘇躍斌［6］采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解理論對道岔的隨機(jī)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，結(jié)合粗糙集理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方法，研究基于振動(dòng)信號(hào)的高速道岔損傷識(shí)別。此外，基于聲發(fā)射［7-8］、超聲導(dǎo)波［9-10］等技術(shù)的高速鐵路道岔軌件傷損識(shí)別技術(shù)也得到了廣泛的關(guān)注和探索。目前，這些研究尚處于起步階段，未能實(shí)現(xiàn)高速道岔軌件折斷的精確監(jiān)測。司道林等［11］開展道岔尖軌折斷試驗(yàn)，在尖軌不同位置設(shè)置斷縫，分析尖軌折斷對鋼軌錯(cuò)動(dòng)以及道岔開行的影響，為道岔運(yùn)營安全評估提供參考。

對于高速道岔長心軌，由于轍叉區(qū)零部件較多，還需考慮長短心軌配合。因此，本文開展轍叉區(qū)長心軌折斷的試驗(yàn)研究，探究長心軌斷裂對轍叉幾何形位以及轉(zhuǎn)換性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

采用常用的客運(yùn)專線18號(hào)高速道岔可動(dòng)心軌轍叉進(jìn)行試驗(yàn)，轍叉圖號(hào)為客專線（07）004-Ⅲ。該型號(hào)可動(dòng)心軌轍叉全長20 992 mm，翼軌采用軋制60TY1鋼軌制造，長短心軌采用60AT2鋼軌制造，叉跟尖軌采用60 kg/m鋼軌制造。在工廠內(nèi)的組裝平臺(tái)上對轍叉各部件進(jìn)行組裝，同時(shí)裝配轉(zhuǎn)轍設(shè)備，以確保與實(shí)際服役情況相符。

高速道岔轍叉零部件較多，長心軌存在多處薄弱斷面，一旦發(fā)生折斷，對高速列車行車安全造成嚴(yán)重威脅。因此，在長心軌不同位置設(shè)置斷縫以模擬心軌折斷，探明不同位置的折斷對轍叉幾何形位及其轉(zhuǎn)換性能的影響。從長心軌彈性可彎段至心軌尖端依次設(shè)置1#—6#共6處斷縫，如圖1和圖2所示。

圖1 斷縫設(shè)置

1#斷縫距長心軌實(shí)際尖端7 895 mm，位于心軌固定端前軌底刨切圓?。ò霃絉=1 000 mm）位置，模擬長心軌彈性可彎段刨切起點(diǎn)處折斷工況。2#斷縫距長心軌實(shí)際尖端6 800 mm，位于24號(hào)和25號(hào)頂鐵之間，模擬頂鐵間長心軌折斷工況。3#斷縫距長心軌實(shí)際尖端2 000 mm，位于長短心軌第1和第2水平螺栓之間，模擬長心軌折斷后僅有一顆螺栓與短心軌連接的工況。4#斷縫距長心軌實(shí)際尖端1 820 mm，頂寬70 mm，模擬長心軌與短心軌配合段軌底刨切或長短心軌硬接觸引起斷裂的工況。5#斷縫距長心軌實(shí)際尖端185 mm，心軌頂寬16 mm，模擬一動(dòng)工電接口后端心軌軌底刨切圓?。≧=125 mm）存在加工缺陷引起心軌疲勞斷裂工況。6#斷縫位于第一牽引點(diǎn)前80 mm，模擬一動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿和表示桿之間心軌薄弱斷面斷裂的工況。

主要試驗(yàn)步驟（圖3）如下。

1）在不鋸切長心軌的條件下，對轍叉進(jìn)行組裝并調(diào)試至規(guī)范要求的狀態(tài)；

2）拆除長心軌，按預(yù)設(shè)斷縫位置鋸切心軌；

3）對心軌斷縫采用特制夾板固定，組裝回轍叉后調(diào)試幾何尺寸，并將轍叉轉(zhuǎn)換至直向開通狀態(tài)；

圖3 試驗(yàn)步驟

4）拆卸夾板，測試心軌折斷時(shí)的道岔幾何狀態(tài)；

5）進(jìn)行轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，采集多次轉(zhuǎn)換過程中扳動(dòng)力曲線及折斷心軌的幾何狀態(tài)；

6）再次組裝夾板，轉(zhuǎn)換至側(cè)股開通狀態(tài)模擬心軌折斷并測試；

7）拆卸長心軌，并進(jìn)行下一位置斷縫試驗(yàn)。

對于5#、6#斷縫，由于受轉(zhuǎn)轍設(shè)備等因素的干涉無法安裝夾板，因此鋸切后直接將長心軌前端擺正，使之與翼軌保持自然密貼狀態(tài)，多次轉(zhuǎn)換試驗(yàn)結(jié)束以后再進(jìn)行焊接。

試驗(yàn)中測試的數(shù)據(jù)包括轍叉幾何狀態(tài)以及轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力。幾何尺寸包括鋸切后與多次扳動(dòng)后的斷縫位置鋼軌錯(cuò)牙（軌頂錯(cuò)牙與工作邊錯(cuò)牙）和斷縫寬度。扳動(dòng)力包括心軌折斷前后轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 長心軌折斷對轍叉初始幾何形位的影響

圖4 斷縫狀態(tài)測試

如圖4所示，首先將長心軌扳動(dòng)至直向過岔方向，解除固定夾板后模擬軌件折斷，測試長心軌發(fā)生折斷時(shí)轍叉的初始幾何形位；然后再重新安裝固定夾板并扳動(dòng)心軌至側(cè)向過岔方向，模擬長心軌位于側(cè)股時(shí)發(fā)生折斷的情況，分析兩種工況下長心軌折斷對轍叉初始幾何形位的影響。由于5#和6#斷縫無法安裝固定夾板，只對1#—4#斷縫展開分析。

長心軌不同位置折斷引起的轍叉幾何形位變化見表1。

表1 長心軌不同位置折斷引起的轍叉幾何形位變化

由表1可知：

1）長心軌處于直股開通時(shí)，對于長心軌彈性可彎段刨切起點(diǎn)處的1#斷縫，解開夾板后斷縫前端長心軌向工作邊偏移，斷縫位置工作邊錯(cuò)牙2.1 mm，同時(shí)長心軌產(chǎn)生翹曲變形，軌頂錯(cuò)牙0.7 mm，斷縫寬度為2.1 mm；對于長心軌彈性可彎區(qū)域的2#斷縫，解開夾板后斷縫處鋼軌工作邊有少量錯(cuò)牙，約1.0 mm，兩側(cè)鋼軌均無翹曲，斷縫寬度約4.5 mm；3#斷縫位于短心軌尖端第1與第2水平螺栓之間，長心軌在此處斷裂后與短心軌仍有一顆螺栓連接，幾何位置與正常軌件無異；對于長心軌與短心軌尖端密貼位置的4#斷縫，長心軌折斷后工作邊直線度能得到保證，但軌頂錯(cuò)牙2.6 mm，斷縫寬度1.5 mm。可見，1#斷縫導(dǎo)致的工作邊錯(cuò)牙最大，4#斷縫導(dǎo)致的軌頂錯(cuò)牙最大，1#、2#、4#斷縫均導(dǎo)致明顯的軌縫，3#斷縫位置由于有心軌螺栓約束，無明顯錯(cuò)動(dòng)。

2）長心軌處于側(cè)股開通時(shí)，折斷導(dǎo)致的錯(cuò)牙以及軌縫寬度明顯降低。

綜上，除3#斷縫外，其余位置長心軌折斷均造成嚴(yán)重錯(cuò)動(dòng)或軌縫，影響行車安全。此外，折斷后長心軌與滑床板最大離縫為2.3 mm，由長心軌前端的下拉作用引起。

2.2 長心軌折斷對道岔轉(zhuǎn)換性能的影響

在轍叉多次轉(zhuǎn)換后，分別對斷縫處的錯(cuò)牙、斷縫寬度進(jìn)行測量，同時(shí)記錄轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力。

2.2.1 多次轉(zhuǎn)換后轍叉幾何形位變化

考慮兩種工況：①直股工況，指初始狀態(tài)為長心軌處于直股開通，反復(fù)扳動(dòng)后，仍回到直股開通狀態(tài)進(jìn)行測量；②側(cè)股工況，指初始狀態(tài)為長心軌處于側(cè)股開通，反復(fù)扳動(dòng)后，仍回到側(cè)股開通狀態(tài)進(jìn)行測量。

轍叉多次轉(zhuǎn)換后1#—4#斷縫引起的轍叉幾何形位變化見表2。

表2 多次轉(zhuǎn)換后轍叉幾何形位變化

由表2可知：

1）對于1#斷縫，直股工況下轍叉多次轉(zhuǎn)換后工作邊錯(cuò)牙、軌頂錯(cuò)牙、斷縫寬度分別增至6.5、1.1、3.1 mm，側(cè)股工況下多次轉(zhuǎn)換后分別增至6.7、1.1、3.1 mm，兩種工況下幾何形位差別不大。

2）對于2#斷縫，直股工況下轍叉多次轉(zhuǎn)換后工作邊錯(cuò)牙、軌頂錯(cuò)牙、斷縫寬度分別增至4.7、0.3、4.5 mm，側(cè)股工況下轍叉幾何形位與直股工況接近。

3）對于3#斷縫，由于短心軌之間螺栓連接，轍叉幾何形位與正常軌件無異。

4）對于4#斷縫，由于處于兩個(gè)牽引點(diǎn)中間，轍叉多次轉(zhuǎn)換后斷縫處錯(cuò)位嚴(yán)重，直股工況、側(cè)股工況下工作邊錯(cuò)牙分別高達(dá)29.5、55.5 mm。

5）對于5#斷縫，經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換后心軌尖端開口增大至20 mm，并且還存在心軌斷縫前端后移導(dǎo)致斷縫處干涉卡阻的情況。

6）對于6#斷縫，長心軌前端保持原位，不隨轉(zhuǎn)換發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

綜上，長心軌折斷情況下，轍叉進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換后斷縫處錯(cuò)牙及斷縫寬度增大，長心軌初始狀態(tài)為直股開通或側(cè)股開通對多次轉(zhuǎn)換后的轍叉狀態(tài)影響不明顯。

2.2.2 長心軌折斷對轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力的影響

長心軌在不同位置折斷時(shí)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力見表3。

表3 斷軌前后轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力

可知：

1）對于1#斷縫，斷軌前后一動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力變化不大，均為1.0 kN；二動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力略有增加，由4.3 kN增至4.6 kN。這是因?yàn)殚L心軌存在初始應(yīng)力，折斷后向工作邊偏移，導(dǎo)致轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力增大。此處發(fā)生折斷時(shí)，電務(wù)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉入、伸出均有表示，雖然有鋼軌存在錯(cuò)牙但不影響電務(wù)轉(zhuǎn)轍機(jī)工作，因此無法從轉(zhuǎn)轍機(jī)信號(hào)中發(fā)現(xiàn)長心軌折斷。

2）對于2#斷縫，斷軌前后一動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力變化不大，由1.1 kN減至0.7 kN；二動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力有所增加，由4.2 kN增至4.4 kN，這主要是受長心軌內(nèi)部初始應(yīng)力影響。此處發(fā)生折斷時(shí)，電務(wù)轉(zhuǎn)轍機(jī)拉入、伸出均有表示，也無法從轉(zhuǎn)轍機(jī)信號(hào)發(fā)現(xiàn)長心軌折斷。

3）對于3#斷縫，因與短心軌螺栓連接，斷軌對轍叉幾何尺寸無影響，斷軌前后一動(dòng)、二動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力差別不大，電務(wù)轉(zhuǎn)轍機(jī)均有表示。

4）對于4#斷縫，斷軌后一動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力明顯增大，由1.0 kN增至3.5 kN，這是因?yàn)閿嘬壓箝L心軌前端錯(cuò)位，一動(dòng)表示桿無表示，導(dǎo)致一動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)持續(xù)動(dòng)作。長心軌在此位置發(fā)生折斷時(shí)一動(dòng)電務(wù)轉(zhuǎn)轍機(jī)無表示，因此能及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害并進(jìn)行搶修。

5）對于5#斷縫，斷軌后一動(dòng)、二動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力明顯增大。一動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力由1.0 kN增至4.4 kN，這是因?yàn)檎蹟嗪箝L心軌前端錯(cuò)位，一動(dòng)表示桿無表示，導(dǎo)致一動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)持續(xù)動(dòng)作，扳動(dòng)力增大；二動(dòng)扳動(dòng)力由3.0 kN增至7.0 kN，這是因?yàn)閿嘬壓箝L心軌無法密貼，導(dǎo)致二動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)持續(xù)動(dòng)作。雖然轍叉幾何錯(cuò)位較大，但電務(wù)轉(zhuǎn)轍機(jī)無表示，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害。

6）對于6#斷縫，斷軌后一動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力有所減小，二動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力變化不大。在此處折斷時(shí)，長心軌前端保持不動(dòng)，對后端轉(zhuǎn)換無影響。但此時(shí)一動(dòng)表示桿保持原位，轉(zhuǎn)轍機(jī)無表示，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害。

綜上，長心軌在4#—6#斷縫位置（長心軌尖端至短心軌尖端范圍內(nèi)）折斷后轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)轍機(jī)無表示或扳動(dòng)力明顯異常，可通過轉(zhuǎn)轍機(jī)信號(hào)發(fā)現(xiàn)軌件折斷；而在1#—3#斷縫位置（長短心軌配合段至跟端范圍內(nèi)）折斷后無法根據(jù)轉(zhuǎn)轍機(jī)信號(hào)進(jìn)行判斷和報(bào)警。

3 結(jié)論

1）長心軌折斷后，高速道岔轍叉幾何形位變化與斷縫位置以及初始狀態(tài)有關(guān)。長心軌初始狀態(tài)為直股開通時(shí)，長心軌彈性可彎段、長短心軌密貼位置發(fā)生斷裂會(huì)導(dǎo)致道岔產(chǎn)生明顯錯(cuò)牙和斷縫，而短心軌尖端第1與第2水平螺栓之間對應(yīng)位置的長心軌發(fā)生斷裂基本不會(huì)導(dǎo)致轍叉幾何形位變化。長心軌初始狀態(tài)為側(cè)股開通時(shí)，斷軌導(dǎo)致的錯(cuò)牙以及斷縫寬度明顯降低。

2）軌件折斷后再次扳動(dòng)道岔將導(dǎo)致斷縫進(jìn)一步劣化，工作邊錯(cuò)牙、軌頂錯(cuò)牙、斷縫寬度均有所增大，其中長心軌與短心軌尖端密貼位置發(fā)生斷裂時(shí)，多次轉(zhuǎn)換后工作邊最大錯(cuò)牙達(dá)到55.5 mm；對于一動(dòng)工電接口后端心軌軌底圓弧位置軌件斷裂工況，多次轉(zhuǎn)換后心軌尖端開口量達(dá)到20 mm。

3）在長心軌尖端至短心軌尖端范圍內(nèi)發(fā)生軌件折斷時(shí)，可從轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力及表示信號(hào)判斷軌件狀態(tài)；在長短心軌配合段至跟端范圍內(nèi)發(fā)生折斷時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)扳動(dòng)力無明顯變化，無法從電務(wù)信號(hào)中發(fā)現(xiàn)病害。