楊東升 錢坤 司道林

（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）

道岔是重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)的重要設備和最薄弱環(huán)節(jié)，其關鍵部件的壽命制約了鐵路的運輸效率。目前我國已經(jīng)成功研發(fā)并推廣應用了容許最高軸重30 t的重載道岔系列產(chǎn)品［1-3］，在30 t軸重道岔的設計和運用方面積累了豐富的經(jīng)驗。目前中國正在籌建幾內(nèi)亞西芒杜的礦山鐵路［4］，該鐵路的最高設計軸重為40 t，而我國尚無適用于該軸重的道岔產(chǎn)品，因此需要設計適應40 t軸重的新一代18號道岔。

1 設計原則與結(jié)構(gòu)選型

依據(jù)幾內(nèi)亞西芒杜鐵路軌道結(jié)構(gòu)設計參數(shù)［5］，新道岔需滿足以下運行條件：①道岔用的普通走行鋼軌采用68 kg/m鋼軌（136RE鋼軌），特殊斷面鋼軌應與區(qū)間線路采用的鋼軌順接；②設計軸重≤400 kN；③運行速度，35 t軸重（不含）以下列車直向通過速度≤100 km/h，35～40 t軸重列車直向通過速度≤80 km/h，側(cè)向通過速度≤80 km/h；④滿足跨區(qū)間無縫線路設計，無縫線路年最大軌溫差為60℃。

新設計的18號道岔轍叉形式采用可動心軌轍叉。根據(jù)北美和澳大利亞重載鐵路的運營經(jīng)驗，軸重在36 t以上或年通過總重超過1億t的鐵路采用可動心軌轍叉經(jīng)濟效益更好。

隨著我國提速系列、高速系列道岔的成功研發(fā)與推廣應用，可動心軌轍叉的多項優(yōu)化技術日趨成熟，如特種斷面翼軌、心軌轉(zhuǎn)換結(jié)合部優(yōu)化、心軌水平藏尖等［6-7］。從運營實踐的經(jīng)驗來看，我國25 t軸重客貨共線鐵路采用的GLC系列道岔應用效果良好，可動心軌轍叉使用壽命超過7億t，說明我國可動心軌轍叉結(jié)構(gòu)設計達到了較高水平，為研發(fā)重載鐵路可動心軌道岔作出了技術儲備。

2 平面線型設計

根據(jù)我國常用18號可動心軌道岔平面線型，提出4種設計方案，見表1。

表1 18號道岔線型方案 mm

方案1是我國早期設計采用的平面線型，其優(yōu)點在于全長較短，節(jié)省站場布置空間；缺點是該線型尖軌沖角較大，導曲線半徑較小，曲上股鋼軌使用壽命較短，不宜采用。方案2是我國高速道岔和提速道岔通常采用的線型，其優(yōu)點是平順性較高；缺點是曲線尖軌的薄弱區(qū)段也要參與導向作用，使曲線尖軌的使用壽命較短。方案3是在我國27 t軸重重載18號道岔（圖號：研線1302）的線型基礎上設計了可動心軌轍叉，其優(yōu)勢是曲線尖軌直線段較長，承載斷面較寬，可顯著延長使用壽命；缺點是該線型改造為可動心軌轍叉時，心軌一動牽引點位置不夠合理，對心軌實際尖端密貼可能產(chǎn)生不利影響。方案4是在方案2的基礎上增大了相離量，為延長曲線尖軌壽命留出改造空間，同時吸收了方案2成熟的可動心軌轍叉布置方式。通過定性分析，方案4具有較大的技術優(yōu)勢。

采用仿真軟件，模擬分析方案2—方案4的線型對40 t軸重車輛過岔的影響。

逆向過岔時，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)，車輛的動力學參數(shù)與運行軌跡如圖1所示，圖中里程50 m的位置對應尖軌尖端。動力學性能上3種方案的減載率都很小，未超過0.3。方案2受橫向力影響脫軌系數(shù)和輪軸橫向力明顯小于其他2種方案。方案4的動力學性能略好于方案3。在車輛第1軸運行軌跡方面，3種方案的平順性也呈相同趨勢。

圖1 車輛逆向通過轉(zhuǎn)轍器的動力學參數(shù)與運行軌跡

在轍叉區(qū)，車輛的動力學參數(shù)如圖2所示。方案2、方案4的轍叉實際咽喉對應里程為103 m，方案3對應里程為101 m。橫向力數(shù)據(jù)受護軌影響參考價值較小，3種方案的脫軌系數(shù)量級基本一致，均小于0.15。轍叉區(qū)減載率波動較大，其中方案3的減載率最大，方案4的平順性最優(yōu)。

圖2 車輛逆向通過轍叉的動力學參數(shù)

圖3 車輛順向通過轉(zhuǎn)轍器的動力學參數(shù)與運行軌跡

順向通過時，車輛的動力學參數(shù)與運行軌跡如圖3所示，道岔尖軌尖端對應的里程位置為110 m。明顯可以觀察到，方案2線型中輪對貼靠曲尖軌運行的距離更長，作用力更大，而采用相離值較大的方案3和方案4，曲尖軌前部具有超過7 m的直線段，可有效降低輪對沖擊尖軌。

綜上所述，新型18號道岔（圖號：研線1910）采用方案4的平面線型，該線型尖軌沖角為0°23'45″，尖軌直線段長度7 276 mm，未被平衡的離心加速度0.45 m/s2，未被平衡的離心加速度增量0.55 m/s3，動能損失0.31 km2/h2，設計欠超高68.6 mm。

道岔岔枕按照垂直于道岔直股布置，岔枕中心線間距為600 mm，在牽引點位置為配合轉(zhuǎn)轍機安裝調(diào)整為650 mm，相鄰兩側(cè)的岔枕間距調(diào)整為575 mm。

尖軌設3個外鎖閉牽引點，牽引點之間的距離均為5.4 m，第3牽引點至尖軌固定位置的距離為8.075 m。3個牽引點尖軌設計動程分別為160.0，112.5，64.0 mm。心軌設2個外鎖閉牽引點，牽引點之間的距離為3.6 m，第2牽引點至心軌彈性可彎中心的距離為3.92 m。2個牽引點心軌設計動程分別為118，59 mm。

3 轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)設計

基于選定線型，研線1910轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)布置如圖4所示?；拒壊捎?8 kg/m鋼軌制造，尖軌采用60AT1鋼軌制造。轉(zhuǎn)轍器全長（基本軌長度）為24 592 mm，尖軌尖端至基本軌始端軌縫中心線的距離（Q值）為1 955 mm，尖軌尖端至其后一根岔枕中心的距離為120 mm。曲線尖軌從軌頭寬55.3 mm斷面做半切線，至尖端部分取直，形成“直曲組合型”曲尖軌，直線段長度為7 276 mm。從尖軌尖端向后200 mm，尖軌寬1.4 mm斷面處做藏尖補充刨切，尖軌尖端藏尖量3 mm。直曲尖軌長度為22 041 mm。

圖4 研線1910轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)設計示意（單位：mm）

為進一步延長尖軌使用壽命，采用了刨切基本軌加厚尖軌的技術，如圖5所示。尖軌本身的沖角由線型設計決定，工作邊寬度變化率為1∶145，非工作邊寬度變化受車輛順向出岔限制，不易設置過大，因此變化率采用1∶200，最大刨切深度為5 mm，此區(qū)段的名義軌距相應變?yōu)? 440 mm，刨切至尖軌密貼段結(jié)束后，以相同的變化率過渡。根據(jù)前文所作的仿真分析，采用加寬技術的方案3和方案4，其尖軌開始與車輪接觸位置為尖軌頂寬18.9 mm和17.3 mm處，未采用加寬技術的方案2，接觸位置在13.5 mm處相應斷面寬度提升達30%，可顯著提高該處尖軌的強度與可磨耗寬度。

圖5 刨切基本軌加厚尖軌示意

尖軌軌頭工作邊加工廓形如圖6所示，為優(yōu)化輪軌接觸狀態(tài)，尖軌設1∶40軌頂坡，按照68 kg/m鋼軌軌頭工作邊廓形進行加工。尖軌工作邊側(cè)面順接斜度為1∶4的直線，尖軌薄弱斷面最大豎向切削深度為50 mm。尖軌非工作邊密貼段按照1∶4斜度加工，非工作邊的1∶4直線與軌頭加工輪廓相交出的尖角位置應進行R2倒圓弧，防止在此處產(chǎn)生應力集中。

圖6 尖軌軌頭加工輪廓

尖軌跟端連續(xù)設置2個15 mm位移量的限位器，用于約束由列車荷載和溫度作用造成的尖軌爬行，當尖軌的爬行量超過15 mm時，限位器子母塊接觸，限制尖軌進一步爬行。連續(xù)設置2組限位器，目的是消除單組限位器作用時引起尖軌產(chǎn)生的扭曲。根據(jù)文獻［8］中的理論計算，在幾內(nèi)亞地區(qū)年最大軌溫差不超過60℃的條件下，18號道岔可選擇不設轍跟限位裝置。

4 轍叉及護軌結(jié)構(gòu)設計

研線1910可動心軌轍叉翼軌采用TY鋼軌制造，長短心軌采用60AT1鋼軌制造，叉跟尖軌采用68 kg/m鋼軌制造，其中特種斷面鋼軌通過鍛壓實現(xiàn)與68 kg/m鋼軌順接。轍叉全長17 392 mm，趾端開口值為276.0 mm，跟端開口值為633.5 mm。采用長、短心軌與叉跟尖軌拼裝的可動心軌轍叉。直向不設護軌，側(cè)向設2段護軌。

可動心軌轍叉采用水平藏尖結(jié)構(gòu)，翼軌實際咽喉寬度為113 mm。與豎直藏尖結(jié)構(gòu)對比，水平藏尖的心軌尖端降低值由23 mm提升至16 mm，心軌實際尖端至頂寬20 mm斷面的長度為360 mm，薄弱區(qū)段的長度縮短了248 mm，對心軌豎向抗彎剛度和強度都有一定提升。

心軌一動位置為與鎖鉤配合，須將60AT1鋼軌軌腰由44 mm寬加工至32 mm寬，與鎖鉤接觸面為R16弧面。短心軌與長心軌密貼區(qū)段，由于長短心軌均由60AT1鋼軌加工，兩鋼軌等高，須切削密貼部分的軌底，一般的切削方式如圖7（a）所示，保證長心軌軌底短肢少加工。短心軌采用爬坡式配合結(jié)構(gòu)，配合面為R25弧面，該結(jié)構(gòu)在實際加工中公差不易控制，因此在研線1910的設計中，采用切軌底式配合結(jié)構(gòu)。短心軌非工作邊軌底切削至軌腰等寬位置，長短心軌軌底部分保留1 mm離縫，軌腰中間插入2 mm墊片，保持長短心軌整體性。

心軌軌頂設1∶40軌頂坡，長短心軌工作邊軌頭側(cè)面采用斜度為1∶8的直線順接68 kg/m鋼軌加工廓形。短心軌非工作邊加工廓形由既有的垂直密貼變?yōu)?∶8傾斜密貼，如圖7所示，增加短心軌尖端軌頭厚度，防止長短心軌密貼力過大，損壞短心軌尖端。叉跟尖軌設1∶40軌底坡，非工作邊與短心軌工作邊軌距線下1∶4補充刨切密貼區(qū)段，采用斜度為1∶4.47的直線加工，叉跟尖軌工作邊軌頭側(cè)面按照1∶4斜度加工。

圖7 短心軌尖端斷面（單位：mm）

大號碼道岔導曲線終點通常位于可動心軌轍叉短心軌后段，因此輪對在通過轍叉?zhèn)裙蓵r，無護軌作用的區(qū)段鋼軌件側(cè)磨較嚴重。根據(jù)可動心軌轍叉多年的運營經(jīng)驗，列車順向通過為主時轍叉趾端磨耗較快，逆向通過為主時叉跟尖軌尖端磨耗較快。可動心軌轍叉單獨更換軌件技術難度大，整組更換成本極高，因此研線1910的護軌設計為2段，如圖8所示。側(cè)向護軌總長為9 300 mm，用于防止轍叉趾端及心軌側(cè)磨，叉跟防磨護軌總長為5 800 mm，用于防止叉跟尖軌尖端側(cè)磨。依據(jù)幾內(nèi)亞西芒杜礦山鐵路機車車輛選型數(shù)據(jù)，輪對內(nèi)側(cè)距為1 347 mm，護軌輪緣槽相應控制位置需加寬3 mm。

圖8 可動心軌轍叉?zhèn)认蜃o軌設置示意

5 扣件系統(tǒng)

扣件系統(tǒng)采用預埋鐵座分開式C6型彈條無螺栓扣件，如圖9所示?？奂慕Y(jié)構(gòu)特點為：鐵墊板通過混凝土枕上預埋鐵座扣壓，鋼軌通過鐵墊板上焊接鐵座扣壓，彈條可直接插入鐵座，無需螺栓固定，鐵座與彈條后肢有自鎖結(jié)構(gòu)防止彈條脫落；鋼軌下設軌下墊板緩沖，鐵墊板下設彈性墊層提供彈性；板上鐵座與鋼軌之間設有軌距塊，可直接調(diào)整軌距，預埋鐵座和鐵墊板之間設絕緣軌距塊，用于絕緣并調(diào)整鐵墊板橫向位置；彈條和鐵座之間的特殊設計可有效防止過大橫向荷載作用時鋼軌傾覆。在美國TTCI重載試驗線進行試用考核，基本可滿足40 t軸重重載線路使用要求［5］。

圖9 預埋鐵座分開式C6型彈條無螺栓扣件

基本軌內(nèi)側(cè)采用彈性夾扣壓，其中轉(zhuǎn)轍器基本軌除彈性可彎段設2組長度為380 mm彈性夾外，其余采用長度為320 mm的彈性夾扣壓，護軌基本軌均采用長度為380 mm彈性夾扣壓，如圖10所示。

圖10 彈性夾扣壓方式

6 鍛壓結(jié)構(gòu)設計

AT軌和TY軌為了與前后的普通標準鋼軌連接，采用模型鍛造的工藝方式實現(xiàn)2種軌型端頭順接。根據(jù)鍛壓成型斷面的圖形，利用軟件分別對2種軌型的鍛壓成型進行仿真模擬，并對鍛壓成型方案模擬結(jié)果進行分析。

60AT1鋼軌鍛壓為68 kg/m鋼軌的鍛壓成型與鍛壓為60 kg/m鋼軌基本類似，可行性高，須采用整體模腔成型的模具進行鍛造并理化檢驗，鍛壓過渡段如圖11（a）所示。TY鋼軌鍛壓為68 kg/m鋼軌時因2個截面有較大區(qū)別，過渡段設置如圖11（b）所示，在模擬前期須根據(jù)金屬量對60TY翼軌金屬量進行適當?shù)娜コ跐M足成型的基礎上減少鍛壓成型的難度。因此對翼軌趾端工作邊進行了加工，由全斷面鋼軌逐步過渡至與68 kg/m鋼軌等寬狀態(tài)，再進行鍛壓。

圖11 特種斷面鋼軌鍛壓為68 kg/m鋼軌

7 結(jié)論

1）40 t軸重的重載鐵路道岔（圖號：研線1910），全長69 m，前長31 729 mm，后長37 971 mm，平面線型采用相離量24 mm、半徑1 100 m的單圓曲線。仿真分析驗證了該線型具有較好的防磨性能，可延長曲線尖軌使用壽命。

2）鋼軌采用68 kg/m鋼軌制造；尖軌采用60AT1鋼軌制造，曲線尖軌為“直曲組合型”，直線段長度7 276 mm，直曲尖軌采用刨切基本軌加厚尖軌技術；轍叉采用可動心軌轍叉，翼軌采用TY鋼軌、心軌采用60AT1鋼軌制造，直向不設護軌，側(cè)向增設一段護軌，用于保護叉跟尖軌的薄弱斷面。

3）采用預埋鐵座分開式C6型彈條無螺栓扣件。該型扣件具有高穩(wěn)定、少維護的特征。

4）尖軌、長心軌、翼軌通過跟端鍛壓實現(xiàn)與68 kg/m鋼軌順接。