張東風(fēng)

(1.北京交通大學(xué)，北京 100044;2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

重載鐵路是實現(xiàn)大宗貨物高效運輸?shù)挠行Х绞?，在國?nèi)外得到了快速發(fā)展［1-3］。國內(nèi)大秦線、朔黃線的道岔主要采用提速道岔的技術(shù)標準，其結(jié)構(gòu)形式與提速道岔基本相同，由于沒有針對重載鐵路的特點進行專門的研究，道岔的強度低、穩(wěn)定性差，使用壽命短，現(xiàn)場的養(yǎng)護維修的工作量也較大。尤其是可動心軌道岔，由于轍叉?zhèn)麚p較快，且現(xiàn)場更換不便，更換費用較高，難以適應(yīng)重載運輸?shù)男枰?，目前大秦線已將75 kg/m鋼軌12號、18號可動心軌轍叉全部更換為固定型轍叉。

隨著國內(nèi)大規(guī)?？瓦\專線建設(shè)的完成，既有線運能得到了有效的釋放，有條件實現(xiàn)客貨分離，大量的既有線將以貨運為主，具備了大量采用重載運輸?shù)臈l件。同時很多新建鐵路也為重載運輸線路，如山西中南部鐵路等，對重載道岔提出了很高的要求［4-5］。結(jié)合山西中南部鐵路建設(shè)和需要，前期研究設(shè)計了60 kg/m鋼軌12號、18號重載道岔，并于2012年10月在北同蒲線和京包線進行上道試驗(60 kg/m鋼軌12號、18號重載道岔各2組)，經(jīng)過1年多的實際運營，試驗道岔總體使用狀態(tài)穩(wěn)定、良好。但根據(jù)目前的相關(guān)技術(shù)標準，30 t軸重重載線路應(yīng)使用75 kg/m鋼軌，為進一步加深重載道岔的研究，為其他重載鐵路作技術(shù)準備，又進行了75 kg/m鋼軌重載道岔平面線型及結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究開發(fā)適合30t軸重重載鐵路75 kg/m鋼軌12號、18號道岔，提高道岔的強度和穩(wěn)定性，延長道岔的使用壽命，減少現(xiàn)場的養(yǎng)護維修工作量，節(jié)省養(yǎng)護維修的成本，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列重載道岔產(chǎn)品，滿足國內(nèi)重載鐵路運輸?shù)男枰?，并為國際市場的開發(fā)創(chuàng)造條件。

2 道岔平面設(shè)計

山西中南部鐵路通道工程目前采用60 kg/m鋼軌，部分線路采用75 kg/m鋼軌?？紤]到該線遠期運量、軸重要求，軌道設(shè)計預(yù)留了該線將來更換為75 kg/m鋼軌的條件，因此也存在著將60 kg/m鋼軌重載道岔更換為75 kg/m鋼軌重載道岔的可能性。因此，75 kg/m鋼軌重載道岔的平面設(shè)計充分吸收60 kg/m鋼軌12號、18號重載道岔的設(shè)計、制造、試驗的成功經(jīng)驗和現(xiàn)場測試成果，盡量保持與60 kg/m鋼軌12號、18號重載道岔技術(shù)標準的統(tǒng)一［6-7］。

2.1 道岔平面主要尺寸

道岔平面線型的確定既要考慮與既有道岔主要尺寸的統(tǒng)一，以方便互換使用和站場設(shè)計，又要考慮重載道岔的使用要求。由于山西中南部鐵路通道工程是目前國內(nèi)主要的30 t軸重重載線路，因此道岔的平面設(shè)計要充分考慮山西中南部鐵路道岔的設(shè)計情況，以便于將來可能的道岔更換。下面以75 kg/m鋼軌12號重載道岔平面線型設(shè)計為例進行說明。

(1)既有重載道岔平面線型

既有60 kg/m鋼軌12號重載道岔總長37.8 m，前長16.592 m，后長21.208 m，在保證道岔主要尺寸與既有道岔相同的條件下，將導(dǎo)曲線半徑加大到400 m，欠超高由84.3 mm降為73.8 mm，有利于改善列車側(cè)向通過狀態(tài)，減輕曲尖軌和曲導(dǎo)軌的磨耗。該方案的優(yōu)點是道岔的主要尺寸不變，便于與既有道岔互換使用，站場設(shè)計不用變更。缺點是加大導(dǎo)曲線半徑以后，轍叉為曲線轍叉，左右開需分別備料。

(2)75 kg/m鋼軌12號重載道岔平面線型設(shè)計

75 kg/m鋼軌12號道岔平面線型與60 kg/m鋼軌12號重載道岔保持一致，以方便大修更換，道岔全長37.8 m，前長16.592 m，后長 21.208 m，導(dǎo)曲線半徑為400 m。

2.2 尖軌加厚技術(shù)研究

當列車側(cè)向通過較多時，尤其是順向出岔較多的道岔，曲尖軌磨耗較為嚴重，影響曲尖軌的使用壽命。曲尖軌的磨耗除與鋼軌材質(zhì)有關(guān)外，也與平面線型和道岔結(jié)構(gòu)有關(guān)。本設(shè)計采用合金鋼材質(zhì)的尖軌，可有效延長尖軌的使用壽命。但從道岔平面線型上，也進行了一定的研究。

目前常用的尖軌加厚技術(shù)主要有2種方案。

方案一是動態(tài)軌距優(yōu)化技術(shù)(FAKOP)，以加厚尖軌軌頭寬度，提高其抗磨耗能力。同時軌距優(yōu)化技術(shù)可以部分修正車輪運行軌跡，減少輪緣貼靠尖軌走形的長度和力度，減輕對尖軌的磨耗，從而延長尖軌的使用壽命。

方案二是切削基本軌加厚尖軌的技術(shù)，在尖軌和基本軌密貼區(qū)段，將基本軌軌頭切削0～5 mm，尖軌軌頭寬度相應(yīng)增加0～5 mm，并在密貼段嵌入基本軌，尖軌厚度增加，尤其是尖軌尖端厚度的增加可以防止尖端的快速磨耗和掉塊，增大安全儲備。

這2個方案中，方案一對提高尖軌抗彎剛度是最有利的，尖軌加厚10～15 mm。但該方案結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對道岔制造、鋪設(shè)均有較高的要求。考慮到曲尖軌磨耗嚴重的道岔數(shù)量極少，本著制造簡單、養(yǎng)護方便的原則，本道岔采用了第二方案，尖軌在結(jié)構(gòu)上加寬3 mm，以增加尖軌厚度，延長其使用壽命。同時，該方案在原60 kg/m鋼軌12號重載道岔平面線型基礎(chǔ)上軌距加寬5 mm，可以改善車輪通過曲線的內(nèi)接條件，仿真分析結(jié)果表明，軌距加寬對改善曲尖軌側(cè)磨是有利的，缺點是不利于車輛直向過岔的平穩(wěn)性，由于道岔直向旅客列車容許通過速度為120 km/h，計算結(jié)果也表明，軌距加寬對行車影響不大。

本道岔采用的尖軌加寬具體措施為:尖軌尖端處軌距加寬5 mm(圖1)?；拒壟俚? mm，尖軌加厚3 mm，其他線形不變。優(yōu)點為從改善行車條件和加厚尖軌自身兩個方面同時考慮增加尖軌耐磨方案，在尖軌密貼段前后3 mm寬度向前、向后多刨切一段長度，兼顧鋼軌伸縮時密貼的保持，同時3 mm過渡斜度取值考慮了輪軌沖擊的影響，在尖軌尖端為1∶150，尖軌整軌頭斷面為1∶400，與法國、英國客貨混跑道岔相比，尖軌、基本軌加工簡單。

圖1 尖軌加厚示意(單位:mm)

2.3 總布置圖設(shè)計

75 kg/m鋼軌12號道岔采用單圓曲線的平面線型，導(dǎo)曲線半徑400 m，尖軌半切斷面34 mm。

(1)道岔的主要尺寸

道岔的主要尺寸與提速道岔相同。即道岔前長16 592 mm，后長21 208 mm，總長37 800 mm。導(dǎo)曲線半徑采用400 m。

(2)轉(zhuǎn)轍器部分的尺寸確定

根據(jù)道岔的主要尺寸和岔枕布置，確定尖軌尖端至基本軌的距離為2 551 mm，尖軌從34 mm斷面作半切線，從尖軌尖端向后200 mm作藏尖刨切。

(3)轍叉部分的尺寸確定

轍叉趾端至理論尖端距離2 038 mm，跟端至理論尖端距離3 954 mm。直向護軌長7.1 m，側(cè)向護軌長4.8 m，護軌沖擊角為 0°50'2″。

(4)牽引點布置

尖軌設(shè)2個牽引點，牽引點之間的距離為4.2 m，第二牽引點至尖軌固定位置的距離為5.075 m。

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 道岔主要結(jié)構(gòu)特點

(1)道岔區(qū)設(shè)置1∶20軌底坡(或軌頂坡)

60 kg/m鋼軌12號，18號重載道岔采用了1∶20軌底坡(在尖軌和固定轍叉部分設(shè)軌頂坡)，其目的一是改善軌軌接觸關(guān)系，使軌頂光帶居中，以延長鋼軌的使用壽命。二是減小鋼軌所受的橫向力。道岔與兩端線路的連接用順坡墊板過渡。經(jīng)過現(xiàn)場試用發(fā)現(xiàn)，基本軌、導(dǎo)曲線鋼軌等光帶均勻、居中(圖2)，導(dǎo)曲線鋼軌使用狀態(tài)良好，鋼軌側(cè)面沒有明顯的磨耗，初步說明使用1∶20軌底坡對改善輪軌接觸條件和鋼軌受力是有利的。此次75 kg/m鋼軌的12、18號道岔仍采用1∶20的軌底坡，以進行進一步的試驗和驗證。

(2)基本軌、導(dǎo)軌、翼軌、叉跟軌采用75 kg/m鋼軌制造，尖軌采用60AT合金鋼軌制造，導(dǎo)曲線其他鋼軌采用U75V在線淬火軌，護軌采用33 kg/m槽型鋼軌制造，材質(zhì)采用合金鋼。

(3)基本軌外側(cè)間隔設(shè)置軌撐

圖2 60 kg/m鋼軌重載道岔現(xiàn)場光帶

60 kg/m鋼軌12號，18號道岔設(shè)計時，考慮到彈性夾扣壓力較大，因此在基本軌外側(cè)未設(shè)置軌撐。但根據(jù)大秦線道岔使用經(jīng)驗，建議在基本軌外側(cè)設(shè)置軌撐。本次專門研究設(shè)計了新的軌撐結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖3 75 kg/m重載道岔新設(shè)計軌撐

(4)尖軌跟端結(jié)構(gòu)

尖軌采用60AT合金鋼軌制造，尖軌跟端需鍛壓成標準75 kg/m鋼軌斷面，目前國內(nèi)的AT軌跟端加工，成型段長度為520 mm，過渡段長度為170 mm，尖軌跟端加工成型段設(shè)1∶20軌底坡。

(5)尖軌跟端傳力結(jié)構(gòu)

對于尖軌跟端的傳力機構(gòu)目前主要有3種形式。一是采用限位器結(jié)構(gòu)，可以允許尖軌相對基本軌有少量位移，基本軌承受的附加力較小，但當限位器受力較大時，容易引起尖軌、基本軌方向的變化，影響行車的平穩(wěn)性;二是采用間隔鐵時，基本軌承受的附加力較大;三是只用扣件固定時，可以保證尖軌伸縮時，不影響列車通過時的平穩(wěn)性，但當尖軌的伸縮位移較大時，容易造成轉(zhuǎn)換設(shè)備的卡阻。為此60 kg/m鋼軌12號、18號重載道岔設(shè)計時，參考高速道岔的作法，采用了限位器、間隔鐵和不設(shè)傳力機構(gòu)3種方式，由線路設(shè)計單位確定具體采用哪種方式［8］。

從高速道岔的使用情況來看，線路設(shè)計單位一般均選用限位器結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)場部分不設(shè)傳力機構(gòu)的尖軌伸縮位移較大，影響道岔使用。而采用3種結(jié)構(gòu)，給道岔設(shè)計、制造均造成了不便?？紤]到重載道岔直向通過速度較低，此次75 kg/m鋼軌重載道岔尖軌跟端統(tǒng)一采用限位器結(jié)構(gòu)(圖4)，以滿足跨區(qū)間無縫線路的需要。

圖4 尖軌跟端傳力結(jié)構(gòu)

(6)滑床板的彈性扣壓

提速以前，國內(nèi)道岔轉(zhuǎn)轍器部分的基本軌內(nèi)側(cè)主要采用滑床臺剛性扣壓，從提速道岔開始，采用彈片和銷釘?shù)姆绞娇蹓骸氖褂眯Ч麃砜?，個別彈片和銷釘有折斷現(xiàn)象，但數(shù)量較少，且多與道岔狀態(tài)不良(吊板)有關(guān)。彈片方式的優(yōu)點是技術(shù)較為成熟，現(xiàn)場有豐富的使用經(jīng)驗，所需的滑床臺高度較小。缺點是拆裝不太方便，且由于寬度較大，與輥輪配合較為困難。

我國自主研發(fā)的高速道岔采用了彈性夾扣壓基本軌(圖5)，扣壓力較大，安裝、拆缷均較為方便，使用效果也較好。缺點是要求滑床臺要達到一定的高度。由于本道岔尖軌設(shè)1∶20軌底坡，滑床臺較高，為采用彈性夾扣壓提供了條件。因此本設(shè)計采用彈性夾扣壓基本軌［8］。

圖5 施維格彈性夾

(7)固定型轍叉采用鑲嵌翼軌式合金鋼組合及高錳鋼組合2種方式;固定型轍叉趾端扭轉(zhuǎn)設(shè)置1∶20軌底坡，轍叉跟端設(shè)1∶20軌底坡，其他部分設(shè)軌頂坡。

鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉由鍛制合金鋼叉心、叉跟軌、翼軌、翼軌鑲塊、鐵墊板及連接零部件等組成［9］。與普通鍛制心軌合金鋼組合轍叉的主要區(qū)別是在翼軌磨耗較為嚴重的部分鑲嵌了合金鋼，用以提高翼軌的強度和耐磨性能，從而提高了轍叉的使用壽命。心軌結(jié)構(gòu)與普通合金鋼轍叉的心軌相同(圖6)。該結(jié)構(gòu)形式的75 kg/m鋼軌12號、18號轍叉均已在大秦線上道使用，總體使用情況良好。

高錳鋼組合轍叉是采用鑄造的錳鋼叉心(帶部分翼軌)與翼軌、叉跟軌用高強螺栓組合，其中錳鋼叉心頂面采用爆炸硬化處理。其整體結(jié)構(gòu)與合金鋼組合轍叉類似(圖7)。該結(jié)構(gòu)在北美重載鐵路使用較多。

圖6 鑲嵌式合金鋼組合轍叉

圖7 高錳鋼組合轍叉(爆炸硬化)

(8)扣件采用Ⅱ型彈條，在鐵墊板上設(shè)鐵座，通過T形螺栓緊固彈條(圖8)，與提速道岔相同。鐵墊板采用最小25 mm厚的焊接墊板，鐵墊板上設(shè)1∶20軌底坡(轍叉墊板上不設(shè)軌底坡)。

圖8 預(yù)埋鐵座墊板扣壓方式

(9)在護軌基本軌外側(cè)增設(shè)可調(diào)式軌撐，軌撐與轉(zhuǎn)轍器基本軌所用軌撐相同;為提高護軌墊板強度，底板材料采用16Mn，寬度由原來的180 mm增大到220 mm。

(10)彈性墊板

為提高墊板的強度和使用壽命，本設(shè)計軌下和板下彈性墊層采用熱塑性彈性體墊板，該墊板已在大秦線上使用，取得了較好的效果。

3.2 混凝土岔枕設(shè)計

(1)岔枕長度由2.6 m變化至4.9 m，原則上按照0.1 m進級，岔后采用2.5 m短岔枕向2.6 m長度的區(qū)間線路軌枕過渡，牽引點處的岔枕長度按轉(zhuǎn)換設(shè)備的要求確定。岔枕垂直于直股線路，岔后曲股由2～3根短枕轉(zhuǎn)角過渡。岔枕鋪設(shè)間距為600 mm。

(2)轉(zhuǎn)轍器前端、岔后過渡短岔枕、長岔枕承受偏載時的端部，特別是長岔枕端部的下沉量很大。加大岔枕的寬度可以達到減少道床壓應(yīng)力的目的。本次設(shè)計將岔枕底面寬度由提速岔枕的300 mm增加至320 mm(圖9)。

圖9 岔枕斷面(單位:mm)

(3)在軌枕承載能力可以滿足外荷載要求的前提下，盡可能地降低岔枕高度以減小岔枕重力，岔枕高度由結(jié)構(gòu)強度確定。

(4)新設(shè)計的重載岔枕承載能力最大正彎矩為29.2 kN·m，最大負彎矩為 23.0 kN·m，較提速岔枕提高25%以上。

3.3 工電接口

(1)12號道岔尖軌設(shè)2個牽引點，18號道岔尖軌設(shè)3個牽引點，見表1。

表1 75 kg/m鋼軌重載道岔牽引點動程及轉(zhuǎn)換力

(2)牽引點采用分動外鎖閉裝置。

(3)轉(zhuǎn)轍機安裝在混凝土岔枕上。

4 重載道岔動力學(xué)仿真分析

隨著列車運載重量和運輸密度的大幅度提高，使得列車與道岔系統(tǒng)的動力學(xué)問題更加突出，也更趨復(fù)雜。列車運載重量的提高，輪軌之間的動力作用增強，使列車對道岔結(jié)構(gòu)的破壞作用加大，要求道岔具有更高的強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;列車運輸密度的提高，道岔所受荷載頻次增大，同時可供上道維修的時間縮短，要求道岔具有更高的可靠性［10-13］。

基于車輛/道岔系統(tǒng)耦合動力學(xué)理論，運用動力學(xué)仿真程序計算分析車輛通過75 kg/m鋼軌重載道岔系統(tǒng)的安全性指標。動力學(xué)仿真分析結(jié)果以75 kg/m鋼軌12號重載道岔為例。

4.1 直向過岔

為了研究30 t軸重貨車直向通過12號道岔時軌道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)情況，分別模擬了列車以70 km/h、90 km/h、100 km/h、110 km/h 速度直向通過的情況，所得結(jié)果如下。

(1)對于安全指標，隨著行車速度的提高，重載貨車直向過岔時，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌垂向力、輪軌橫向力的總體趨勢都隨著車速的增大而增大，有關(guān)安全的各項指標均未超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的限值。

(2)對于鋼軌的位移指標，重載貨車直向過岔時，鋼軌垂向位移總體趨勢隨著行車速度的增加而增大，最大的位移沒有超限，滿足規(guī)范要求。

(3)對于鋼軌加速度，隨著車速的增加，鋼軌加速度增加顯著。當車速從70 km/h增加至110 km/h時，尖軌一動、尖軌二動及心軌處的鋼軌加速度分別增加13%、44%和16%，增加幅度較大。

4.2 側(cè)向過岔

為了研究30 t軸重貨車側(cè)向通過12號道岔時軌道結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)情況，分別模擬了列車以40、50、60 km/h速度側(cè)向通過的情況，所得結(jié)果如下。

(1)對于安全指標，隨著行車速度的增加，重載貨車側(cè)向過岔時，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌垂向力、輪軌橫向力的總體趨勢都是隨著車速的增大而增大，有關(guān)安全的各項指標均未超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的限值［14-15］;當車速達60 km/h時，輪軌橫向力超過規(guī)范規(guī)定的輪軌橫向力限值(彈性極限)，經(jīng)時程曲線知，該最大值出現(xiàn)在轍叉區(qū)域內(nèi)，故該輪軌會對護軌產(chǎn)生較大的橫向沖擊。

(2)對于鋼軌的位移指標，隨著行車速度的增加，尖軌一動、二動、心軌處的鋼軌垂向位移分別增加了0.07、0.04 mm 和 0.06 mm，最大的位移沒有超限，滿足規(guī)范要求。

(3)對于鋼軌加速度，隨著車速的增加，鋼軌加速度增加顯著。當車速從30 km/h增加至60 km/h時，尖軌一動、尖軌二動處的鋼軌加速度分別增加9%、13%和20%。其中心軌處由于間隔鐵存在導(dǎo)致其整體剛度較大，故相同速度條件下，該處鋼軌加速度較道岔其他區(qū)域內(nèi)加速度更大。

5 75 kg/m鋼軌重載道岔創(chuàng)新點

本次研究設(shè)計的75 kg/m鋼軌重載道岔充分吸收了60 kg/m鋼軌重載道岔的設(shè)計、制造、試驗的成功經(jīng)驗和現(xiàn)場測試成果，較60 kg/m鋼軌重載道岔有以下創(chuàng)新點。

(1)在60 kg/m鋼軌12號、18號重載道岔平面線型基礎(chǔ)上，采用了軌距加寬、尖軌加厚等優(yōu)化設(shè)計措施，以提高重載道岔尖軌使用壽命。

(2)轍叉采用鑲嵌式合金鋼組合轍叉和高錳鋼組合轍叉(爆炸硬化)2種結(jié)構(gòu)形式。

(3)在分析總結(jié)60 kg/m鋼軌12號、18號重載道岔使用經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，對道岔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，主要包括基本軌外側(cè)設(shè)置軌撐、尖軌跟端統(tǒng)一為限位器結(jié)構(gòu)、護軌墊板加強設(shè)計等，以減緩重載道岔傷損的發(fā)生和發(fā)展。

(4)彈性墊層采用熱塑性彈性體墊板，以提高其使用壽命。

6 結(jié)語

75 kg/m鋼軌重載道岔的研究，是在60 kg/m鋼軌重載道岔的基礎(chǔ)上進行的，并針對該道岔的試用情況，有針對性地進行了改進與優(yōu)化。目前75 kg/m鋼軌12號、18號重載道岔已完成廠內(nèi)試制、試鋪，將在山西中南部重載線路上道試用和試驗。下一步將進行長期跟蹤觀測和現(xiàn)場動力測試，為重載道岔的持續(xù)改進積累經(jīng)驗，真正為我國重載道岔的進一步發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)［16］。

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