黃振宇,費維周

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西寶雞　721006)

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新型重載道岔研制

黃振宇,費維周

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西寶雞721006)

摘要：重載道岔是重載鐵路的關(guān)鍵設備,也是線路的薄弱環(huán)節(jié),其尖軌、轍叉心軌的壽命是影響重載道岔壽命的決定因素。針對既有重載道岔調(diào)研情況,研究近年來我國重載道岔關(guān)鍵部件(尖軌、轍叉)的結(jié)構(gòu)改進技術(shù)方案,并且結(jié)合上道試用驗證。實際效果證明,改進后的方案能夠適應我國重載鐵路“大軸重、高密度和超大運量”的使用要求,且大大延長了主要部件的壽命,提高了重載鐵路運能,減少了養(yǎng)護維修工作量。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；重載道岔；嵌入式整鑄叉心；高錳鋼轍叉；基本軌切削；尖軌加厚

1重載鐵路與重載道岔

2005年國際重載協(xié)會修訂的重載鐵路新標準是滿足下列3條中的2條，即為重載鐵路[1]：(1)列車質(zhì)量不小于8 000 t；(2)軸重大于270 kN以上；(3)在長度不小于150 km的線路上面運量不低于4 000萬t。

大秦鐵路自山西省大同市至河北省秦皇島市，全長653 km，是中國西煤東運的主要通道之一。1992年底全線通車，2002年運量達到1億t設計能力。自2004年起，原鐵道部對大秦鐵路實施持續(xù)擴能技術(shù)改造，大量開行1萬t和2萬t重載組合列車，全線運量逐年大幅度提高，2008年運量突破3.4億t，成為世界上年運量最大的鐵路線[2]。2010年12月26日，大秦鐵路提前完成年運量4億t的目標，為原設計能力的4倍[3]。從重載鐵路的運輸量和列車牽引質(zhì)量來講，我國的大秦、神朔、朔黃、包神、大準鐵路均為重載鐵路，在重載鐵路重車線路上鋪設的道岔，即為重載道岔。重載鐵路是一種效率甚高的運輸方式，已引起鐵路部門的重視，其上最薄弱的軌道設備——重載道岔是影響重載鐵路運輸效率的關(guān)鍵設備，如何提升該關(guān)鍵設備的壽命，對保障重載鐵路的運營意義重大。目前國內(nèi)正在新建的山西中南部鐵路通道、蒙西至華中地區(qū)煤運通道鐵路，均是重載鐵路。

2既有重載鐵路所用道岔產(chǎn)品的基本情況及存在問題

通過對既有重載鐵路進行調(diào)研和技術(shù)考察，基本情況如下。

(1)目前，我國主要重載鐵路大秦、神朔、朔黃、包神、大準鐵路等，其列車質(zhì)量和運量均超過上述重載鐵路的指標，投入運營的總里程約2 000 km。其中道岔使用情況是[4]：

正線以“75-12號固定型單開道岔(圖號：CZ714)”、“60-12號單開道岔(圖號：專線4249，CZ545)”為主。一般重車方向鋪設75 kg/m道岔，空車方向鋪設60 kg/m道岔。

站線以“60-9號單開道岔(圖號：CZ577)”為主。

(2)上述道岔存在尖軌，固定轍叉的心軌、翼軌磨損，剝落掉塊及軌頂面魚鱗紋等病害，增大了用戶的養(yǎng)護維修工作量和頻次，另外，既有的合金鋼轍叉使用狀況尚不能滿足線路大運量要求，使用效果與用戶期望值存在差距。

(3)存在扣件系統(tǒng)岔枕螺栓折斷現(xiàn)象。

3新型重載道岔關(guān)鍵技術(shù)及研制

3.1關(guān)鍵技術(shù)

為克服上述尖軌，固定轍叉的心軌、翼軌磨損，剝落掉塊及岔枕螺栓折斷等病害，重點圍繞“提升道岔整體性能”這一目標，研制采用了如下關(guān)鍵技術(shù)。

(1)三次爆炸預硬化嵌入式整鑄叉心高錳鋼轍叉

既有道岔轍叉采用高錳鋼整鑄結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)尺寸較大，斷面變化復雜，保證鑄件內(nèi)部質(zhì)量困難，爆炸預硬化時，往往出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。為此，需要從轍叉結(jié)構(gòu)上進行改進，提出嵌入式整鑄叉心高錳鋼轍叉。該轍叉以高錳鋼材質(zhì)為主體，由整鑄叉心、叉跟軌、翼軌及高強度螺栓連接而成(圖1)。

圖1　嵌入式高錳鋼轍叉

為解決心、翼軌磨損及剝落掉塊的病害，主要采用了以下4項關(guān)鍵技術(shù)。

①叉心采用嵌入式整鑄結(jié)構(gòu)，心、翼軌沖擊部位采用整體錳鋼化結(jié)構(gòu)(圖2)，實現(xiàn)了同材料、同強度、同壽命[5]。

圖2　高錳鋼轍叉叉心

②采用心軌加寬技術(shù)，對心軌兩側(cè)適當加寬，可增加車輪過渡區(qū)車輪踏面與心軌接觸面積約30%，降低叉尖單位面積壓力，提高叉心的穩(wěn)定性。

③采用雙咽喉結(jié)構(gòu)(圖3)，可增大翼軌承載面積5%，縮短轍叉有害空間距離50%，減輕或延緩轍叉翼軌的磨耗。另外，可減小逆向進岔沖擊角，提高轍叉的整體使用壽命。

圖3　雙咽喉結(jié)構(gòu)(單位：mm)

④采用三次爆炸預硬化工藝，使轍叉表面硬度達到HB350以上。

高錳鋼轍叉在使用初期，由于沖擊硬化特性未有效發(fā)揮，強度較低，耐磨性較差，受車輪的沖擊和摩擦，轍叉表面易出現(xiàn)磨損和塑性變形。因此，為提高初期抗磨損和抗變形能力，對高錳鋼轍叉軌頂面采用爆炸預硬化處理。

高錳鋼轍叉爆炸硬化是通過炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的高能爆轟壓力沖擊作用于轍叉表面，使高錳鋼奧氏體的孿晶組織產(chǎn)生形變位錯、粗大晶粒組織細化，促使轍叉表面迅速發(fā)生硬化，從而提高轍叉上道前的初始硬度，有利于提高轍叉表面的耐磨性，減輕轍叉的初期磨損，可使高錳鋼轍叉使用壽命提高30%～50%。

該技術(shù)在美國、英國、捷克和日本等國家鐵路中廣泛使用。我國在20世紀80年代開始高錳鋼轍叉爆炸預硬化方面的研究工作，中鐵寶橋集團有限公司于1996年成功應用這一技術(shù)，并擁有轍叉全長爆炸預硬化技術(shù)，實現(xiàn)了爆炸精密控制，爆炸后免機加工，保證了硬化質(zhì)量。截止目前，采用此工藝供貨的高錳鋼轍叉約20 000組 ，性能穩(wěn)定，主要出口北美市場。

爆炸預硬化前后，轍叉表面內(nèi)部組織對比如圖4、圖5所示。

圖4　爆炸預硬化前轍叉材質(zhì)晶粒度

圖5　爆炸預硬化后轍叉材質(zhì)晶粒度

高錳鋼轍叉爆炸預硬化后，軌頂面約有0.8 mm的收縮，形成了致密的硬化層，深度在30 mm以上，在使用過程中，隨著車輪沖擊，沖擊載荷又會產(chǎn)生新的硬化層，進而大大提高轍叉的耐磨性和使用壽命。采用此工藝后，預計高錳鋼轍叉的通過運量可達到3.0億t以上。另外，此工藝對鑄件質(zhì)量要求高，若轍叉存在皮下和內(nèi)在缺陷，很難適應爆炸預硬化要求，在爆炸時將出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。所以，可以說采用爆炸預硬化工藝可間接促進轍叉內(nèi)部質(zhì)量。

(2)尖軌加厚，基本軌切削技術(shù)(圖6)

為減小尖軌側(cè)磨，對基本軌軌頭側(cè)面進行一定量切削，同時尖軌軌頭非工作邊相應增厚，提高尖軌使用壽命，該技術(shù)為中鐵寶橋集團有限公司專利技術(shù)，目前在大秦線上試用，效果良好。

圖6　尖軌與基本軌密貼段結(jié)構(gòu)示意

為確保切削后的基本軌強度滿足運營要求，有限元計算結(jié)果表明基本軌的強度仍然滿足運營要求。

(3)尖軌線型優(yōu)化技術(shù)

既有道岔尖軌分曲線尖軌和直線尖軌，曲線尖軌有利于提高列車通過道岔的平穩(wěn)性；直線尖軌，可有效增大尖軌的粗壯度，但是列車的平穩(wěn)性降低。

我國既有重載鐵路多采用曲線尖軌，在重載鐵路上的運營實踐表明，該尖軌小斷面耐磨性差，不能滿足重載鐵路的運營要求，特別是順向出岔時，對尖軌前端磨耗更嚴重。針對該情況，提出采用直線尖軌和曲線尖軌復合尖軌，即在尖軌大斷面位置采用圓曲線，在尖軌小斷面采用直線線型，合理設置切點位置。此時既提高尖軌小斷面的粗壯度，提高其耐磨性，另一方面切點位置位于尖軌大斷面處，在大斷面處即對列車進行了轉(zhuǎn)轍引導，降低了車輪對切點以前的尖軌磨耗，有效地保護了尖軌小斷面，該技術(shù)在大秦線上試用，效果良好。

(4)預埋鐵座重載扣件系統(tǒng)

結(jié)合調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的岔枕螺栓剪斷等扣件失效問題，采用了重載道岔用新型扣件系統(tǒng)[6](圖7)。

圖7　新型扣件系統(tǒng)

該扣件系統(tǒng)鐵墊板長度縮短，墊板與岔枕之間采用彈性連接，在岔枕上預埋了鐵座，該系統(tǒng)具備足夠的抗橫向荷載的能力，結(jié)構(gòu)簡單，能最大限度減少養(yǎng)護維修工作量，通過200萬次組裝疲勞試驗。

3.2國內(nèi)新型重載道岔的研制歷程

從2009年開始，中鐵寶橋集團有限公司聯(lián)合西南交通大學研制新型重載道岔。2010年12月完成首組75 kg/m鋼軌12號重載道岔的廠內(nèi)試制、試鋪，在國內(nèi)同行業(yè)率先采用了尖軌加厚、三次爆炸預硬化嵌入式組合高錳鋼轍叉等關(guān)鍵技術(shù)，并申報了專利，經(jīng)專利查新可知該道岔是國內(nèi)新型重載道岔的原型。該道岔設計軸重250 kN，直向通過速度90 km/h，側(cè)向通過速度40 km/h，尖軌采用復合圓曲線，采用預埋套管岔枕，前長16 592 mm、后長21 208 mm、全長37 800 mm，可以與線路既有的CZ714整體互換[7]。

2012年，中鐵寶橋參與了太原鐵路局、鐵道科學研究院聯(lián)合承擔的原鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題《大秦線重載技術(shù)深化研究——延長鋼軌和道岔修理周期關(guān)鍵技術(shù)研究》(合同編號2010G013-B)。中鐵寶橋集團有限公司參與新型重載道岔的設計和負責首批道岔及備件(75-12號道岔，60-12號道岔)的試制試鋪工作。2012年9月28日、12月11日，首批道岔通過了原鐵道部科技司會同運輸局工務部組織的方案評審和試驗評審。該道岔采用了尖軌加厚、三次爆炸預硬化嵌入式組合高錳鋼轍叉、預埋鐵座重載扣件系統(tǒng)。該批道岔2013年4月27日在大秦線大同南站、遷安北站上道試用。該道岔設計軸重270 kN，直向通過速度100 km/h，側(cè)向通過速度45 km/h，尖軌采用直曲復合線型，采用預埋鐵座岔枕，前長16 592 mm、后長21 208 mm、全長37 800 mm，可以與線路既有的CZ714、專線4249/CZ545整體分別互換。

2013年，中鐵寶橋集團有限公司與鐵道科學研究院、朔黃鐵路公司合作研制

開發(fā)神華鐵路大軸重重載運輸成套技術(shù)研究—基礎(chǔ)設施強化改造技術(shù)研究—75 kg/m鋼軌12號、18號單開道岔。2013年4月10日，兩種道岔設計方案通過朔黃鐵路公司組織的設計評審。2013年7月16日完成上述兩種道岔的試制、試鋪工作，并通過了朔黃鐵路公司組織召開的試制試鋪審查會，該批道岔除了采用上述3項關(guān)鍵技術(shù)外，還對道岔進行無縫化優(yōu)化，使得道岔能夠適應無縫鋪設的要求，目前道岔正在上道試用，效果良好。該道岔設計軸重300 kN，采用預埋鐵座岔枕。其中12號道岔直向通過速度100 km/h，側(cè)向通過速度45 km/h，尖軌采用直曲復合線型，采用預埋鐵座岔枕，前長16 592 mm、后長21 208 mm、全長37 800 mm，可以與線路既有的CZ714整體互換；18號道岔直向通過速度100 km/h，側(cè)向通過速度80 km/h，尖軌采用直曲復合線型，采用預埋鐵座岔枕，前長28 600 mm、后長31 400 mm、全長60 000 mm，與GLC(09)05幾何尺寸一致。

2013年5月，中鐵寶橋集團為神朔線神木北站生產(chǎn)了1組75 kg/m鋼軌12號單開道岔的尖軌基本軌組件和嵌入式高錳鋼轍叉，于2013年7月中旬上道使用，替換既有75-12(CZ714)道岔的尖軌基本軌、轍叉2大主要部件，采用了尖軌加厚、三次爆炸預硬化嵌入式組合高錳鋼轍叉等關(guān)鍵技術(shù)，效果良好。

山西中南部運煤通道重載道岔的研制。該課題由中鐵咨詢牽頭，中鐵寶橋、山橋集團，鐵科院，北京交通大學等多家單位參與，主要針對300 kN軸重山西中南部運煤通道線路而研制的重載道岔[8]，該課題研制的產(chǎn)品，經(jīng)過了設計審查、上道試驗審查、試驗評審，目前進入了試用階段，在山西中南部鐵路建設的前期工程上使用，其主要的關(guān)鍵技術(shù)如下：轍叉采用三次爆炸預硬化嵌入式整鑄叉心高錳鋼轍叉和組合式合金鋼轍叉兩種形式；扣件系統(tǒng)采用預埋鐵座重載扣件系統(tǒng)；尖軌基本軌、合金鋼轍叉[9]采用合金鋼鋼軌及1∶20軌頂坡型式。上述道岔適用于300 kN軸重重載鐵路使用[10]，其主要參數(shù)見表1。

表1　300 kN軸重重載鐵路用道岔主要參數(shù)

4關(guān)鍵技術(shù)的應用效果

(1)三次爆炸預硬化嵌入式整鑄叉心高錳鋼轍叉

中鐵寶橋集團有限公司自20世紀90年代就開始為北美市場重載鐵路供應該類轍叉。在美國的運營中，通過補焊等維護手段，正常使用壽命為4～6億t，最高可達10億t。美國鐵路線路90%以上為嵌入式高錳鋼轍叉。

截止目前，中鐵寶橋集團有限公司出口北美115RE、132RE鋼軌等型號的嵌入式高錳鋼轍叉50余種，平均每年供貨數(shù)量在1 500根左右，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，平均通過運量4億t以上，使用壽命達到國際先進水平，得到美國Scheppler Engineering公司和CTM(Cleveland Track Material)公司的肯定。

(2)大秦線重載道岔上道效果

2013年4月底，為大秦線研制的重載道岔上道試用。為充分掌握上述關(guān)鍵技術(shù)的效果，從2013年4月25日起，中鐵寶橋集團有限公司每月1～2次，派專人對道岔運營初期的養(yǎng)護及磨耗整治等進行指導和現(xiàn)場服務。截止2014年1月22月，重載道岔上道9個多月，總體狀態(tài)良好。

①遷安北站17號岔位。鋪設的75-12號固定型轍叉單開道岔自2013年4月25日起，截止2014年1月22日，上道270 d，通過運量約2.34億t，直、曲尖軌10 mm段面前無磨耗，高錳鋼組合轍叉使用狀況良好。僅存在少量飛邊，現(xiàn)場進行打磨處理，無剝落、掉塊、魚鱗紋等病害。

②大同南站36號岔位。鋪設的60-12號固定型轍叉單開道岔自2013年4月29日起，截止2014年1月月22日，上道265 d，通過運量約1.9億t，直線、曲線尖軌10 mm斷面前基本無磨耗，轍叉使用狀況良好。

(3)神木北站

換鋪的75 kg/m鋼軌12號單開道岔部件嵌入式組合高錳鋼轍叉，尖軌、基本軌分別于2013年7月2日、2013年7月15日上道試用，截止2013年9月22日，通過運量約為1.2億t，尖軌、基本軌、轍叉總體狀態(tài)良好：

上述道岔與既有線路道岔相比較，上道的嵌入式高錳鋼轍叉已經(jīng)遠遠大于既有重載鐵路上高錳鋼轍叉平均使用壽命：3個月、1億t左右，預測通過量可以達到3億t以上；尖軌性能也有大幅提升，遠遠超過既有重載鐵路尖軌平均使用壽命：僅1個月，通過量0.3億t左右。壽命的大幅提高，大大降低了用戶的養(yǎng)護維修工作量，提高了線路的運營效率。

5結(jié)語

重載道岔，其尖軌磨耗、心軌磨耗一直是其主要病害。近幾年，重載道岔技術(shù)發(fā)展迅速，形成以結(jié)構(gòu)改進和材料提升雙管齊下的技術(shù)策略。其中結(jié)構(gòu)改進主要從尖軌粗壯度、尖軌線形、轍叉結(jié)構(gòu)、軌頂坡等方面進行改進[11]，出現(xiàn)如三次爆炸預硬化嵌入式整鑄叉心高錳鋼轍叉、轍叉車輪踏面優(yōu)化[12]、基本軌切削尖軌加厚技術(shù)、直曲復合型尖軌、嵌入式組合合金鋼轍叉等結(jié)構(gòu)；另一方面開發(fā)出來U20Mn2SiCrNiMo貝氏體鋼軌、U78CrV、U75V在線熱處理鋼軌等新型鋼軌，同時對高錳鋼轍叉的鑄造工藝進行優(yōu)化，形成了細晶粒高錳鋼內(nèi)在組織，大大提升了高錳鋼轍叉的內(nèi)部質(zhì)量[13]，適應了爆炸預硬化對高錳鋼轍叉內(nèi)在質(zhì)量的要求。通過上道研制三次爆炸預硬化嵌入式整鑄叉心高錳鋼轍叉、直曲復合型基本軌切削尖軌加寬結(jié)構(gòu)、嵌入式組合合金鋼轍叉、預埋鐵座重載扣件系統(tǒng)等適應了我國重載鐵路的運營要求，壽命的大幅提高大大降低了用戶的養(yǎng)護維修工作量，提高了線路的運營效能，上述關(guān)鍵技術(shù)將是我國重載道岔未來的主要技術(shù)路線。

參考文獻：

[1]趙洪雁.大秦線重載鐵路道岔技術(shù)指標探討[J].鐵道建筑，2010(S1):89-91．

[2]吳彩蘭.重載鐵路擴能研究[J].鐵道標準設計，2005(6):14-17．

[3]王建強，楊毅.客貨混跑鐵路重載運輸對軌道設備的影響分析及強化措施[J].鐵道標準設計，2012(2):26-30．

[4]李培剛，王平，劉學毅.重載鐵路嵌入式高錳鋼轍叉強度分析研究[J].鐵道標準設計，2012(2):1-3.

[5]陳嶸，王平.75 kg/m鋼軌12號高錳鋼固定轍叉單開道岔剛度均勻化設計研究[J].鐵道標準設計，2012(8):1-4.

[6]陳嶸，王平，李成輝.75 kg/m鋼軌12號重載道岔服役性能優(yōu)化分析[J].鐵道科學與工程學報，2011.

[7]趙天運，駱焱，許有全.大秦重載鐵路75 kg/m鋼軌18號固定轍叉研究設計[J].鐵道標準設計，2012(2):7-10.

[8]中國鐵路總公司.30 t軸重合金鋼組合轍叉技術(shù)條件(暫行)[S].北京：中國鐵道出版社，2013．

[9]中國鐵路總公司.30 t軸重重載道岔技術(shù)條件(暫行)[S].北京：中國鐵道出版社，2013.

[10]鐵道部第三勘察設計院.道岔設計手冊[M].北京：人民鐵道出版社，1975．

[11]中華人民共和國鐵道部.TB449—2003機車車輛車輪輪緣踏面外形[S].北京：中國鐵道出版社，2003.

[12]中華人民共和國鐵道部.TB447—2004高錳鋼轍叉技術(shù)條件[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

The Development of New Heavy Haul TurnoutHUANG Zhen-yu, FEI Wei-zhou

(China Railway Baoji Bridge Group Co., Ltd., Baoji721006, Shaanxi, China)

Abstract：The heavy haul turnout is a key equipment of the heavy haul railway, and also a weak link of the track. The service life of the switch rail and crossing nose is the determinant that affects the life of the heavy haul turnout. Based on the survey of the existing heavy haul turnouts, this paper focuses on the structure improvement plans of the key components (switch rail, frog) of China’s heavy haul turnouts in recent years and verify them with on-track tests. The actual results prove that the improved plans can meet the requirements of heavy axle load, high density and large traffic volume of China’s heavy haul railway, greatly extend the life of the main components, improve the transport capacity of the heavy haul railway, and reduce the workload of maintenance and repair.

Key words：Heavy haul railway, Heavy haul turnout, Embedded cast crossing, High manganese steel crossing, Cutting of stock rail, Thickening of switch rail

中圖分類號：U239.4; U213.6

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.010

文章編號：1004-2954(2015)01-0042-05

作者簡介：黃振宇(1961—)，男，高級工程師，1983年畢業(yè)于上海鐵道學院機械設計專業(yè)，工學學士，E-mail：hzy@crbbi.com。

收稿日期：2014-02-27； 修回日期：2014-03-30