大秦铁路用75 kg/m钢轨18号翼轨镶嵌式合金钢辙叉的结构设计和使用

蒋 昕

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

重载运输是国际上公认的铁路货物运输的有效方式之一,大秦铁路是中国第一条双线电气化开行重载单元列车的运煤专线,具有重(开行重载列车)、大(大通道、大运量)、高(高质量、高效率)的特点。2012年运量达到4.5亿t,重载列车开行数量、密度均达到世界先进水平,这就对铁路轨道结构提出了更高的要求,作为轨道结构中重要设备的道岔也面临着与之适应的新课题。

大秦铁路开行万吨重载列车,高锰钢辙叉平均寿命仅为1～1.5亿t通过总重,而可动心轨辙叉的平均寿命仅为1.5～3亿t,且养护维修的工作量大,更换轨件十分困难,必须依靠较长的天窗时间才能完成,增加了工务部门的养护维修工作量。因此研制高强度、高韧性、高耐磨的长寿命辙叉已是当务之急。为配合大秦铁路技术改造,针对大秦铁路重载运输条件的特点,吸收了近年来合金钢辙叉的成熟经验,采用翼轨镶嵌合金钢式组合的结构形式,开发了75 kg/m钢轨18号固定型合金钢辙叉,利用合金钢材料良好的力学性能延长辙叉使用寿命,结构合理,效果良好。

2 设计原则

(1)辙叉能够适应25 t轴重货车以V≤90 km/h速度通过的运行条件。

(2)辙叉预留高锰钢整铸辙叉的互换条件。

(3)辙叉趾、跟端设1∶40的轨底坡,可以和线路平顺连接。

(4)扣件采用弹条Ⅱ型扣件。

(5)辙叉能够适应无缝化的要求。

3 结构设计

3.1 翼轨镶嵌式合金钢辙叉整体结构(图1)

翼轨镶嵌式合金钢辙叉主要包括以下几部分：合金钢叉心、翼轨、合金钢翼轨镶块、叉跟轨、间隔铁、铁垫板、高强螺栓、弹性扣件、轨下及板下垫层等部件组成。

图1 翼轨镶嵌式合金钢辙叉整体结构

3.2 合金钢锻造叉心

合金钢叉心采用强度高、韧性好、耐磨性强的合金钢锻造并机加工,见图2。叉心经过锻压,其材质质密均匀,避免因材质内部缺陷造成辙叉破损,另外合金钢锻造叉心磨耗均匀,不存在高锰钢初期快速磨损阶段。

图2 合金钢叉心

3.3 翼轨与合金钢翼轨镶块的设计

(1)翼轨

由75 kg/m U75V钢轨加工制造,见图3。为了保证辙叉咽喉处合金钢翼轨镶块能够单独承担车轮荷载的能力,减小翼轨的弯折角度,翼轨的刨切起点取在咽喉前,这样也可避免因弯折角度大造成弯折点处垂直裂纹,同时也保证了车轮在离开翼轨前钢轨轨头没有被削弱。

图3 翼轨

(2)合金钢翼轨镶块的设计

由于大秦铁路特殊的运营条件,早期使用的合金钢拼装辙叉,翼轨采用的是U75V钢轨,而心轨是合金钢,心轨的强度高于翼轨,表现在翼轨磨耗严重,为解决普通翼轨强度和寿命较低的问题,翼轨上镶嵌部分合金钢,提高了翼轨强度和使用寿命,实现了心轨和翼轨等寿命。

翼轨轨头与合金钢镶块贴合面处采用贴尖式,为防止轮缘冲击,贴合面的前端采用适当降低值。见图4。

图4 合金钢镶块尖端

合金钢镶块冲击段的末端采用镶尖式,这是考虑当采用贴尖式时,因采用降低值而断线,造成轮背二次冲击。

(3)翼轨与合金钢翼轨镶块组合后顶面坡度设计(图5)。

图5 翼轨与合金钢翼轨镶块组合

列车在经过辙叉时,锥形车轮由翼轨滚向心轨时,因车轮逐渐离开翼轨工作边,使车轮逐渐下降(在对心轨宽10、20 mm处),当车轮踏面完全滚过心轨后,车轮又回升到原来的高度。反之车轮由心轨滚向翼轨时,情况也是如此。因此轮对经过辙叉时,必然会使车体发生振动和摇摆。而且这种情况随着翼轨和心轨的磨耗而加剧,因此改善轮轨匹配关系是提高辙叉使用寿命的有效措施。为改善列车通过辙叉的运行条件,普通合金钢拼装辙叉是将翼轨从咽喉部位开始纵向顶弯抬高6 mm,而本设计不将翼轨作纵向顶弯,翼轨加高是由合金钢锻造翼轨来完成。当轮对由心轨滚向翼轨时,首先合金钢翼轨镶块承载轮对,然后逐渐过渡到钢轨上。见图6。

图6 合金钢翼轨镶块顶面坡度(单位：mm)

关于心轨与翼轨接触轮对的受力分配是设计的难点,由于轮对在心轨与翼轨转移时的受力分配较为复杂,心轨与翼轨之间的高差,直接影响到2个部件的使用寿命。经过长期研究论证采用了合理匹配的纵坡设计。从实际运营的光带和磨损来看,心轨与翼轨的受力部位较为均匀,没有出现偏磨的情况,见图7。

为保证咽喉处翼轨单独承担车轮荷载的能力,在有害空间的受力区域和接触力最大的部位,考虑到车轮和钢轨的真实几何形状和边界情况,取翼轨的最宽处为66 mm。

图7 心轨、翼轨受力光带

(4)叉心和合金钢翼轨镶块沉孔设计

为了避免因升降温产生的温度力直接作用到螺栓上,在叉心工作边两侧设计了3个φ80 mm的沉孔,合金钢翼轨镶块也设计了6个沉孔,与间隔铁上的凸台镶嵌在一起,,将力直接传递到翼轨,避免螺栓直接受力,见图8。

图8 叉心和合金钢翼轨镶块沉孔

3.4 叉心与叉跟轨部分

叉心与叉跟轨的连接方式采用镶尖式,镶尖式在拼接处将叉心跟部切成弧形缺口,同时叉跟轨头部也削成相应的形状,镶在缺口中。这种方式,可保持叉心工作边为一连续的直线,避免了轮背二次冲击。在叉心的跟部做成喇叭口,具有限制叉心与叉跟轨相互移动的作用。

3.5 间隔铁及螺栓的布置

间隔铁和高强度螺栓是保证整个辙叉使用性能的重要部件,辙叉共设置22块间隔铁,材料为铸钢,采用28根M27、10.9级高强度螺栓和10级的防松螺母组装联结,提高了辙叉整体框架刚度,最大限度地减小辙叉各部件的相对位移,保证辙叉的整体性。螺栓扭矩为1 100～1 200 N·m。

3.6 轨底坡设置

为了与线路平顺连接,辙叉趾、跟端设1∶40的轨底坡,辙叉趾端的轨底坡是由翼轨前接头夹板后250 mm扭转过渡,跟端轨底坡是由叉跟轨接头夹板前250 mm扭转过渡。

3.7 铁垫板设计

采用焊接垫板,辙叉垫板厚度为26 mm,宽度200 mm。

3.8 螺栓的防松

由于各连接螺栓均为高强度螺栓,且扭矩较大,因此螺栓的防松应主要靠螺栓的紧固力提供。辙叉组装时应严格按工艺规程安装螺栓,确保辙叉使用过程中螺栓不松动。

3.9 辙叉部分轨下及板下垫层

钢轨下设5 mm厚橡胶垫板,铁垫板下设10 mm厚橡胶垫板。

4 主要创新点

首次采用镶嵌式合金钢辙叉,利用合金钢材料良好力学性能,可提高辙叉的使用寿命。研究设计了新的辙叉结构型式,翼轨加高由合金钢翼轨镶块来完成,其受力最恶劣的心轨及翼轨部位采用耐磨合金钢,并研究设计出了合理匹配的纵坡,改善了轮轨配合关系。辙叉能够适应无缝化的要求。

5 上道使用情况

2010年10月4日开始在大秦铁路铺设75 kg/m 18号翼轨镶嵌合金钢辙叉,目前已经2年多的时间,茶坞工务段管辖内75 kg/m 18号合金钢辙叉上道使用情况的统计见表1。

表1 茶坞工务段管辖内75 kg/m 18号合金钢辙叉上道使用情况统计

从表1统计的数据来看,75 kg/m 18号翼轨镶嵌式合金钢辙叉平均使用260.18 d,换算平均通过总重达到3.2亿t以上。通过上道运营,不仅极大地减少了现场的养护维修工作量,延长了设备的使用寿命,而且节省了可观的养护维修费用,具有极高的推广价值,为重载道岔的深入研究打下了良好的基础。

6 结语

镶嵌合金钢翼轨辙叉是一种新近发展的辙叉制造技术,即根据辙叉各个部位受力情况的不同,用不同的材料组合拼装而成,其受力最恶劣的心轨及翼轨部位采用特殊炼制的耐磨合金钢,具有高强度、高韧性、高硬度、可焊性好等特点,成为大秦铁路辙叉快速发展的一种新的结构形式。这种镶嵌合金钢翼轨的辙叉正逐渐得到认可而广泛应用,它可以形成不同钢轨类型、不同号数、不同品种的辙叉系列产品,产生显著的经济效益, 其市场前景广阔。此外,合金钢辙叉使用寿命的延长,将减少更换次数和维修养护工作量,节约了养护维修费用,相信经过不断改进和完善,翼轨镶嵌式合金钢辙叉将在我国重载线路上得到更为广泛的应用。

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