王猛 ， 楊東升， 司道林

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司研究生部，北京 100081；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）

0 引言

道岔是重載鐵路線路的核心關鍵設備，也是軌道結構中理論研究、結構設計和線路養(yǎng)護維修的重點和難點。長期以來我國重載鐵路道岔面臨以下問題：（1）軸重25 t以上的道岔為空白，嚴重制約了重載鐵路大軸重的發(fā)展和需求；（2）我國既有重載道岔設計方法、制造工藝和材料技術嚴重落后于重載鐵路發(fā)達國家；（3）既有重載道岔尖軌、轍叉等核心部件壽命過短，頻繁出現(xiàn)傷損且發(fā)展迅速，嚴重威脅行車安全與運輸效率，運維成本高昂［1］。近年來，隨著瓦日鐵路、張?zhí)畦F路和浩吉鐵路的開通運營，我國重載鐵路線路里程大幅度增加，重載鐵路軌道結構的理論研究及技術創(chuàng)新有了長足的進步［2］。

2010—2017 年，中國鐵道科學研究院集團有限公司聯(lián)合“產、學、研、用”多家單位，歷時7年科技攻關，攻克輪軌關系、結構強度、動力學性能、材料與工藝、產品可靠性5 大技術難題，研發(fā)6 種重載鐵路系列道岔產品，形成了具有完全自主知識產權的重載鐵路道岔產品與成套技術體系。

1 道岔基本設計參數(shù)

1.1 型號與設計速度

重載鐵路道岔包含12 號、15 號和18 號3 種道岔號數(shù)，道岔軌型包括60、75 kg/m 鋼軌2 種類型，共計6個圖號（見表1）。

1.2 平面線型及尺寸

重載鐵路道岔用于有砟軌道時采用固定型轍叉，用于無砟軌道時采用可動心軌轍叉，道岔側線線型均為相離單圓曲線線型。重載鐵路系列道岔平面線型及尺寸見表2。

表1 重載鐵路系列道岔型號與設計速度

表2 重載鐵路系列道岔平面線型及尺寸

1.3 主要結構特征

（2）道岔轉轍器區(qū)滑床板范圍內的基本軌采用彈性夾扣壓其內側軌底（見圖2）。

圖1 基本軌工作邊一側刨切

圖2 滑床板結構

（3）道岔采用分動鉤型外鎖閉裝置。①12號固定型轍叉道岔轉轍器設2個牽引點，動程分別為160、80 mm。②12號可動心軌轍叉道岔轉轍器設2個牽引點，動程分別為160、80 mm；可動心軌設2個牽引點，動程分別為122.9、75.9 mm。③15號和18號固定型轍叉道岔轉轍器均設3 個牽引點，15 號道岔尖軌動程分別為160、117、72 mm；18號道岔尖軌動程分別為160、115、69 mm。

（4）轉轍器跟端采用大位移量限位器結構，子母塊間隙15 mm（見圖3）。

圖3 限位器結構

（5）固定型轍叉按高錳鋼組合轍叉和翼軌加強型合金鋼組合轍叉2 種設計。轍叉心軌軌頭寬20～50 mm，單側加寬最大4 mm，雙側最大加寬8 mm。加寬后心軌軌頭寬28～58 mm，查照斷面間隔要求不小于1 388 mm［4-5］，護背距離不大于1 348 mm。

（6）可動心軌轍叉為長、短心軌拼接式，全長13.8 m。

（7）護軌采用33 kg/m 槽型鋼制造，高出基本軌頂面12 mm，采用彈性夾扣壓基本軌內側軌底（見圖4）。

（8）岔區(qū)采用岔枕帶預埋鐵座的彈性分開式扣件系統(tǒng)。墊板無螺栓孔，鐵墊板與預埋鐵座之間安裝絕緣軌距塊，鐵墊板上鐵座與鋼軌之間安裝普通軌距塊。軌距調整時，使用不同規(guī)格絕緣軌距塊和普通軌距塊可實現(xiàn)單股鋼軌-8～+6 mm 的調整。用于有砟軌道基礎時，采用Ⅱ型彈條扣壓鋼軌與鐵墊板，下設10 mm厚度彈性墊層；用于無砟軌道基礎時，采用W1型彈條扣壓鐵墊板（采用Ⅱ型彈條扣壓鋼軌），鐵墊板下設20 mm 厚度彈性墊層，可實現(xiàn)0～+20 mm 的高程調整［6］。

自DNA條形碼技術提出以來，一直是分子分類學研究的熱點[15]。研究表明，一段相對較短、標準且具有足夠變異、易擴增的DNA片段，能夠對植物進行快速、準確地鑒定。目前植物中還沒有一條被廣泛認可的DNA條形碼。陳士林等[16]提出以ITS2序列作為鑒定藥用植物標準的DNA條形碼。劉安莉等[10]對貴州蜘蛛抱蛋屬植物進行核基因序列ITS和ITS2的研究，發(fā)現(xiàn)樣品序列擴增效果不理想，本研究也嘗試采用該序列對蜘蛛抱蛋屬植物進行分析，但只有少量樣品擴增成功，物種無法進行有效的區(qū)分。因此，有關核基因序列ITS和ITS2是否適用于蜘蛛抱蛋屬植物的分類還有待進一步探討。

（9）道岔鋼軌設置1∶40軌底坡或軌頂坡。

（10）有砟軌道混凝土岔枕底寬為310 mm，頂寬為260 mm，高為230 mm。岔枕上預埋鐵座，用絕緣軌距塊、Ⅱ型彈條、T形螺栓等聯(lián)結件與鐵墊板固定（見圖5）。

（11）無砟軌道混凝土岔枕截面上、下寬度及高度分別為270、300、140 mm。岔枕上預埋鐵座，用絕緣軌距塊、W1 型彈條、T 形螺栓等聯(lián)結件與鐵墊板固定（見圖6）。

2 主要創(chuàng)新技術

2.1 建立了重載鐵路道岔設計理論體系

理論模型是動力學研究的核心，基于輪軌系統(tǒng)動力學和道岔區(qū)復雜的多點接觸輪軌關系，建立較完善的列車-道岔系統(tǒng)空間精細化耦合動力學模型（見圖7）、岔區(qū)剛度力學模型（見圖8）。綜合研究列車通過道岔時的動態(tài)運行行為及其對道岔結構的動力破壞作用，有效指導了道岔線型比選、尖軌和心軌降低值設計、翼軌抬高值設計、鋼軌件磨耗規(guī)律預測、扣件、岔枕和轉換設備參數(shù)選取等工作。

圖6 無砟軌道混凝土岔枕及扣件系統(tǒng)結構

圖7 車輛-道岔動力學耦合模型與輪軌多點接觸模型

2.2 形成了道岔結構優(yōu)化技術體系

首次提出以下優(yōu)化技術：增大道岔曲尖軌的相離值、“直曲組合型”曲線尖軌［7］、刨切基本軌加厚尖軌技術、依據(jù)“磨耗型”車輪優(yōu)化轍叉縱橫斷面技術、轍叉心軌加寬技術、預埋鐵座彈條分開式扣件以及高強度有砟、無砟混凝土岔枕系統(tǒng)。以上關鍵結構優(yōu)化技術有效補強道岔各部件的短板，延長道岔關鍵部件使用壽命。

圖8 岔區(qū)剛度力學模型

相離半切線型與“直曲組合型”曲線尖軌，有效降低輪軌橫向沖擊，并將沖擊最大位置轉移至曲尖軌的粗壯區(qū)段，保護了尖軌薄弱斷面（見圖9、圖10），使用通過總重達1.2 億t，對比既有曲尖軌使用通過總重約0.3億t，延長使用壽命2～4倍。

刨切基本軌加厚尖軌技術可在不影響道岔平順性和基本軌壽命的前提下快速加厚尖軌，增強尖軌抗磨耗的能力，采用該技術的直尖軌使用通過總重普遍超過5億t。

圖9 既有12號重載道岔服役不足1個月的曲尖軌尖端已出現(xiàn)嚴重掉塊

圖10 新型12號重載道岔服役6個月后狀態(tài)良好

采用“磨耗型”車輪踏面優(yōu)化轍叉縱橫斷面廓形，顯著改善心軌、翼軌的受力分布，提高轍叉平順性；轍叉心軌加寬技術將心軌頂寬20～50 mm斷面兩側各加寬4 mm，顯著增強心軌的承載能力，徹底解決轍叉心軌、翼軌行車踏面磨耗速率快、壓塌、剝離掉塊等病害。采用該系列技術的轍叉壽命普遍超過3 億t，是既有轍叉壽命的2倍以上，使用通過總重最大1組為7.96億t。

預埋鐵座式扣件與岔枕系統(tǒng)有效增強了扣件的穩(wěn)定性，避免預埋件竄出引起扣件失效等影響行車安全的病害，大幅降低養(yǎng)護維修成本，實現(xiàn)扣件系統(tǒng)全部組件通過總重7 億t 內免維修的目標。有砟與無砟重載道岔扣件剛度均勻化技術，解決了尖軌、轍叉跟端壓潰、肥邊等影響使用壽命的病害。

2.3 取得了材料工藝突破性成果

攻克了貝氏體材料精煉與熱處理技術、貝氏體鋼與U75V 鋼材閃光焊技術，在此基礎上研發(fā)了焊接翼軌式加強型合金鋼組合轍叉。有效避免了翼軌強度不足導致轍叉提前下道的問題，進一步提高轍叉使用壽命。

針對高錳鋼組合轍叉的行車表面進行全長3次爆炸預硬化技術，預硬化后表面硬度≥321 HBW。該技術顯著降低了高錳鋼轍叉的磨耗速率，使壽命達到非硬化轍叉的2倍［8-9］。

3 現(xiàn)場應用與前景

整組道岔主要應用單位詳細情況見表3，應用情況如下：

（1）重載60、75 kg/m 鋼軌12 號單開道岔在大秦、朔黃、京哈鐵路共試鋪12組。通過長期跟蹤觀測，曲尖軌壽命提升2～3倍，轍叉壽命提升40%，零部件與岔枕狀態(tài)良好，大幅降低了檢修時間與成本。重載75 kg/m鋼軌15號單開道岔在朔黃鐵路共鋪設2組，道岔使用狀態(tài)良好，有效提升了中間站運輸效率。重載60、75 kg/m鋼軌18號單開道岔在大秦、北同蒲、京廣、朔黃線等多條線路共鋪設20組，直曲尖軌和轍叉壽命顯著提高，零部件與岔枕狀態(tài)良好。客貨共線鐵路60 kg/m鋼軌12號道岔無砟軌道道岔生產3組，并于2015年12月鋪設于天平鐵路麻庵河車站。新產品整體達到直尖軌通過總重4 億t、曲尖軌1 億t、固定型轍叉3 億t、可動心軌轍叉7億t的預期目標，滿足線路使用要求。

（2）在大秦、朔黃等貨運專線應用10 余組固定型心軌加寬轍叉，加寬后心軌、翼軌的磨耗速率明顯下降，壽命較不加寬的轍叉延長40%，2014年1月在東冶站16#岔位試用的心軌加寬翼軌焊接式合金鋼組合轍叉，通過總重達到7.96億t（正常養(yǎng)護、無焊補）。

（3）在浩吉鐵路正線道岔全面采用，該鐵路為國內最長的運煤專線，2019 年9 月已全面建成通車。全線共計采用60 kg/m鋼軌12號固定型轍叉單開道岔（研線1115）368 組，60 kg/m 鋼軌18 號固定型轍叉單開道岔（研線1302）208組。

表3 主要應用單位詳細情況

（4）靖神鐵路正線道岔全面采用，該鐵路與浩吉鐵路接軌，同步建設開通。全線共計采用60 kg/m 鋼軌12 號固定型轍叉單開道岔（研線1115）48 組，60 kg/m鋼軌18號固定型轍叉單開道岔（研線1302）65組。

除新建重載鐵路外，既有鐵路客貨分流、貨運重載化是發(fā)展大趨勢，中國國家鐵路集團有限公司計劃在既有干線開行27 t軸重的C80貨車。既有線在用的12 號、18 號道岔約 4 萬組，設計軸重普遍在 23 t 及以下，軌道結構尤其是道岔承載能力不足，增加了部件傷損率與養(yǎng)護維修工作量。在既有鐵路換鋪重載道岔，能夠適應貨運重載化的趨勢，延長道岔關鍵部件使用壽命，減小養(yǎng)護維修工作量，提升經濟效益。

4 結束語

為適應重載鐵路線路大軸重、高密度和大運量的特殊運輸條件，重載鐵路道岔研發(fā)時以提升軌道結構強度、降低養(yǎng)護維修工作量為核心出發(fā)點，研發(fā)了6種重載鐵路道岔產品。其中，側向允許通過速度為70 km/h的15 號道岔為我國首次應用，可有效優(yōu)化站場布置，提升運輸效率，填補國內重載鐵路道岔產品的空白。

在大秦、朔黃和浩吉鐵路等線路的試用及推廣實踐證明，重載鐵路道岔整體強度較高，可有效降低養(yǎng)護維修工作量。采用心軌加寬技術（限用于貨運線路）的固定型轍叉平均壽命比非加寬轍叉增加40%。新型“直曲組合型”曲尖軌較既有曲尖軌壽命長2～4倍，道岔核心部件壽命明顯增強，可以達到直尖軌通過總重4 億t、曲尖軌1 億t、固定型轍叉3 億t、可動心軌轍叉7億t的預期目標。