神朔铁路重载道岔病害成因分析及整治措施

2014-09-26李瑞俊韩治平魏朝雄

铁道标准设计 2014年9期

关键词：轨距轨枕扣件

李瑞俊，韩治平，魏朝雄，肖宏，王璞

(1.神朔铁路分公司河东运输段，山西忻州 036200;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

神朔铁路重载道岔病害成因分析及整治措施

李瑞俊1，韩治平1，魏朝雄1，肖宏2，王璞2

(1.神朔铁路分公司河东运输段，山西忻州 036200;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

道岔区病害形式多种多样，重载铁路由于其大轴重、高密度和大运量的性质，道岔部件的伤损更为严重，因而其平均使用寿命要短于普通线路相同型号的道岔。通过对神朔重载铁路现场调研，发现重载铁路道岔常见的几种病害有尖轨与基本轨不密贴，轨距、水平超限，钢轨剥离掉块，钢轨疲劳裂纹，扣件及轨枕伤损等。通过道岔病害产生机理分析，提出定期检测、更换和调整部件、定期打磨钢轨等一系列整治措施，并对重载道岔养护维修方式提出建议。

重载铁路；道岔；病害；整治措施；养护维修

神朔铁路是我国“八五”计划重点建设项目之一，是中国神华能源股份公司矿、电、路、港、航系统工程的重要组成部分[1]。它是我国继大秦铁路之后的第二条西煤东运的大通道。神朔铁路为国家Ⅰ级电气化重载铁路。最小曲线半径为400 m，最大限制坡度12‰。由于道岔区结构复杂，零配件较多，日常养护维修不足，因此造成了道岔区的多种病害[2-4]，道岔区逐渐成为养护维修重点地段。主要对神朔重载铁路忻州市阴塔车站咽喉区道岔进行了现场调研分析，并总结了重载道岔常见的几种病害以及相应的整治措施，为道岔的养护维修提出了建议。

1 道岔区调研内容

根据相关规范[5-6]和文献资料[7-12]，选取神朔铁路忻州市阴塔车站上行方向道岔区2条单渡线共4组道岔(1、3、5、7号道岔)为对象，主要对以下内容进行调研和测量：

(1)转辙器区尖轨与基本轨密贴程度；

(2)尖轨轨头宽度变化规律；

(3)转辙器区及辙叉区典型断面钢轨轨头轮廓测试；

(4)道岔区典型位置几何形位；

(5)道岔区钢轨接头处轨缝宽度以及其他接头病害；

(6)道岔区钢轨擦伤、剥离掉块、波磨、侧磨、飞边等伤损情况；

(7)扣件伤损及轨枕裂纹、破损等情况；

(8)岔前曲线地段病害。

2 调研结果

以3号道岔为例，调研结果如下。

2.1 尖轨密贴程度

对3号道岔列车侧向过岔时曲尖轨与直基本轨密贴程度以及列车直向过岔时直尖轨与曲基本轨密贴程度进行了测量。各枕位处尖轨基本轨之间的缝隙值如图1所示。

图1 尖轨密贴变化趋势

由图1可知，列车直向过岔时，锁闭状态下3号道岔直尖轨与曲基本轨密贴状况不良。除了转辙机位置尖轨密贴值为0之外，在其他位置尖轨基本轨均不密贴，在尖轨1动后第6枕位和第8枕位处，尖轨基本轨间隙值达到最大，为0.65 mm。

列车侧向过岔时，锁闭状态下3号道岔曲尖轨与直基本轨密贴状况也欠佳。转辙机位置及尖轨一动后1、2枕位尖轨密贴值为0，在其他位置尖轨基本轨均不密贴，在尖轨1动后第8枕位尖轨基本轨间隙值达到最大，为0.60 mm。

2.2 尖轨轨头宽度

对3号道岔的曲尖轨以及直尖轨轨头顶宽进行了测量。各枕位断面尖轨轨头顶宽值如图2所示。

图2 尖轨轨头顶宽变化趋势

由图2可知，尖轨一动位于尖轨尖端，该位置处直曲尖轨轨头宽度均为0 cm。随着轨枕号的增加，尖轨轨头顶宽逐渐增大。9枕位接近尖轨二动位置，该位置处直尖轨轨头顶宽达到2.386 cm，曲尖轨轨头顶宽达到2.454 cm。总体来看，3号道岔直曲尖轨轨头顶宽变化情况均在合理范围内。

2.3 轨缝宽度

3号道岔型号为12号道岔，道岔区一共有14个接头，道岔区配轨及各接头编号如图3所示。

图3 道岔区配轨及接头编号

对3号道岔岔区每个接头处的轨缝宽度进行了测量，具体测量结果如表1所示。

由表1可知，3号道岔岔区各接头位置轨缝宽度均较大，其中8号接头处轨缝值最大，达到了15.14 mm。行车条件下，过大的轨缝会激起轨道结构的剧烈振动，加速接头位置钢轨磨耗及掉块等伤损的产生和发展。频繁冲击荷载作用下，可能引起接头夹板螺栓断裂以及其他接头病害的产生。

表1 轨缝宽度测量结果 mm

2.4 轨头轮廓

在3号道岔转辙器区选取尖轨顶宽20、30、50 mm三个断面对曲尖轨轨头轮廓进行了测量，并在辙叉区选取心轨顶宽20、70、110 mm三个断面对心轨轨头轮廓进行了测量。

通过将实测廓形与标准廓形对比(图4、图5)，3号道岔心轨轨头磨耗较为明显，心轨顶宽20 mm位置断面轨头垂向磨耗达到4 mm左右，顶宽70 mm位置断面轨头垂向磨耗达到2.5 mm左右，顶宽110 mm位置断面轨头垂向磨耗为2 mm左右。

图4 尖轨轨头宽20 mm处实测与标准轮廓对比

图5 心轨顶宽70 mm处实测与标准轮廓对比

随着心轨顶宽不断增加，在轨头两侧出现较为明显的飞边。

2.5 岔区轨距、水平

在调研过程中选取3号道岔岔区一些典型断面对钢轨轨距、水平几何形位要素进行了测量，结果如表2所示。

表2 3号道岔典型位置轨距、水平 mm

由表2可知，对于3号道岔，在各个测量位置轨道水平测量值基本均在合理范围内。在间隔铁位置水平测量值最大，为5 mm，但仍在容许范围内。

轨距测量值在岔区多个测量位置达到+9 mm，根据《铁路线路修理规则》已经达到了临时补修的标准。可以看出， 3号道岔岔区钢轨轨距超限的情况普遍存在。在间隔铁位置，出现轨距减小的情况，轨距测量值为-5 mm，也超过了容许限值。

2.6 钢轨、扣件、轨枕伤损情况

对3号道岔进行了系统全面的观测，3号道岔钢轨、扣件、轨枕伤损情况主要表现在以下几个方面。

(1)道岔岔区基本轨、尖轨剥离掉块现象普遍存在。见图6。

图6 曲尖轨轨角剥离掉块

(2)接头位置钢轨磨耗严重、剥离掉块，存在低接头等病害。见图7。

(3)扣件位置异常，不能很好地扣压钢轨。见图8。

图7 低接头，接头位置磨耗严重，光带异常

图8 扣件位置异常

3 道岔病害机理分析及整治措施

3.1 尖轨与基本轨不密贴、尖轨侧拱及上拱等

通过现场调研情况发现，尖轨同基本轨间不密贴情况较为严重，可能原因有如下几种：尖轨50 mm断面内剖切长度不够；尖轨顶铁长度不合理；尖轨补强板螺栓突出；扳道器或转辙机的位置与尖轨动作拉杆的位置不在同一水平线上；基本轨弯折点错后；基本轨内侧存在飞边；基本轨或尖轨存在硬弯等。出现尖轨与基本轨不密贴的情况下，在重载列车荷载作用下，尖轨出现侧拱及上拱现象。

建议定期针对各组道岔尖轨及基本轨的密贴情况进行检查，对尖轨发生侧拱及上拱的区段按照其伤损的级别分别进行整治。对于尖轨侧拱或上拱不严重的区域，可以通过调整连接杆的长度、调整连接转辙机上拉杆的调整螺母、整修顶铁、整修辙跟螺栓、更换滑床台、校正基本轨弯折点的位置与弯折量、及时打磨掉基本轨内侧飞边、及时清除尖轨与基本轨之间的杂物等方式进行调整，使之满足设计要求。当尖轨的侧拱及上拱较为严重时，无法通过现场采取措施消除或减弱此种病害，建议对尖轨进行返场整修或下道更换新的道岔。

3.2 轨距、水平超限

经现场调研发现，岔区转辙区、辙叉区的轨距、水平超限情况较为明显，经初步分析认为，产生此种病害的原因有护轨及翼轨轮缘槽宽度不合格、捣固不实或排水不良等因素导致的道床不足、附带曲线正矢不良导致列车进出道床时剧烈摇晃造成道岔轨距和水平的变化、岔群内道岔轨距递减不良进而在列车经过时相互影响。

建议结合人工定期检测，对岔区的几何形位进行监测，随时掌握岔区转辙区及辙叉区的轨距、水平的发展情况，对岔区出现轨距、水平超限时，可通过将曲基本轨弯折好以保持各部轨距间隔尺寸正确、加强道岔及前后各50 m范围内线路的锁定、加强道砟道床的维护等途径进行修正，以避免轨距、水平病害进一步发展引起岔区受力恶化，影响道岔的使用寿命。

3.3 钢轨剥离、掉块

目前研究表明，钢轨的剥离掉块大多源于轮轨接触应力超过了钢轨材料的疲劳应力，在长期循环荷载的作用下导致钢轨发生疲劳破坏，出现剥离、掉块的现象。对于钢轨剥离掉块已经发生并较为严重的区段，为了避免剥离掉块进一步发展导致钢轨折断等问题，建议对其进行更换；对于钢轨剥离掉块较为轻微的阶段，建议对钢轨表面进行打磨，改善轮轨接触关系，减小轮轨接触应力。

3.4 接头病害

对于重载道岔，其接头主要分布在岔前及岔后与基本轨相接处，以及岔区内尖轨同翼轨相接处。从现场调研结果来看，目前现场接头各处的轨缝均已超限，且夹板螺栓有多处发生因振动导致的松动甚至折断，迎车一侧钢轨同送车一侧钢轨已形成较为明显额错牙接头，迎车一侧钢轨压溃情况严重。因此建议对已出现的轨端压溃，要用角磨机打磨并倒棱；整治接头上下错牙，原有错牙接头，轨面压溃的也要进行整治，同时，建议在条件允许情况下开展重载道岔无缝化研究，取消重载道岔的接头。

3.5 钢轨疲劳裂纹

钢轨轨面出现裂纹的主要原因是钢轨材质缺陷(偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹)在轮载的反复作用下逐步发展并最终导致轨面裂纹的产生，在钢轨材质较好的部分，裂纹出现的原因则是由高应力引起轨面发生棘轮效应，发生剪切破坏，并最终导致裂纹产生。裂纹发展情况主要与列车轴重、钢轨材质、轮轨接触情况及轨下支撑类型有关。与疲劳裂纹有关的外界因素主要有循环应力幅及循环次数。由于生产的需要，荷载循环的次数无法降低甚至会继续增加，只能通过降低循环应力幅值来减缓裂纹的产生。

建议通过定期钢轨打磨、合理设置轨底坡等方式，改善轮轨接触关系、降低轮轨间摩擦系数，以达到减小钢轨在列车荷载下的轮轨接触应力，减缓裂纹的开展速率。

3.6 翼轨、心轨侧磨飞边

翼轨、心轨出现的侧磨飞边病害是线路钢轨比较常见的病害类型之一，通常是由于钢轨在列车荷载作用下，轨面产生塑性流变现象，长时间的循环荷载下积累产生飞边。飞边的产生，与查照间隔也有很大的关系，不合理的查照间隔会使轮对过岔时对翼轨或者心轨产生侧向冲击作用，进而加速了飞边现象的产生。建议对尖轨、心轨及翼轨等不同断面开展定期人工监测，尤其注意查照间隔设置是否合理，并及时进行调整，及时对出现飞边的地方进行人工打磨。对飞边现象严重的地方，用游标卡尺测量其磨耗值，当尖轨、心轨及翼轨磨耗异常时对其进行更换工作。

3.7 扣件、轨枕伤损

产生扣件、轨枕伤损的主要原因如下：轨缝处动力荷载较大容易造成道砟的粉碎并出现暗坑和吊板的情况，同时，辙叉部分捣固不易，在对道岔进行定期的养护维修工作的时候，由于天窗时间的限制，短时间内不能保证此处道砟密实，从而导致列车通过时钢轨、轨枕有较大的垂向位移，轨枕和钢轨间通过扣件约束，因此，扣件在反复较大的循环荷载作用下容易发生断裂，轨枕循环拍打道砟也会引起轨枕出现伤损。建议定期检测岔区扣件、轨撑的工作情况，对列车通过时位移过大的轨枕处进行重点捣固，必要时可在轨缝附近采用宽枕，对于发生破损的扣件及轨枕进行及时更换。

4 结论

根据大量的现场调研，神朔铁路道岔伤损类型主要有尖轨与基本轨不密贴、尖轨侧拱及上拱，轨距、水平超限，钢轨剥离、掉块，接头病害，钢轨疲劳裂纹，翼轨、心轨侧磨飞边，扣件、轨枕伤损等。经过对不同病害成因及其对道岔使用寿命的影响分析，建议在对道岔的病害整治过程中应该重点关注岔区钢轨磨耗情况、查照间隔、尖轨滑床台等。关注岔区钢轨磨耗情况并及时对产生的磨耗、飞边情况进行打磨，可以减轻尖轨、心轨病害，并且及时的打磨还能降低钢轨裂纹的开展、劣化；关注查照间隔，主要是为了防止过大或不足的查照间隔导致轮对过岔时冲击心轨、护轨，对减轻心轨掉块、护轨侧磨具有重要的意义；关注尖轨处滑床台有无杂物、是否需要涂油，对防止尖轨与基本轨不密贴及尖轨侧拱、上拱具有很大的作用。

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