阿拉山口站宽轨50 kg/m钢轨9号单开道岔改进研究

2014-12-25白建国

铁道建筑 2014年11期

白建国

(乌鲁木齐铁路局工务处，新疆乌鲁木齐 830011)

1 概述

1992年10月，我国西部第一个铁路口岸编组站阿拉山口站建成运营。当时建有准轨场、宽轨场和换装场，采用平面调车作业方式。既有宽轨道岔主要分布在宽轨场，采用图号为专线9827的50 kg/m钢轨9号木枕单开道岔。宽轨场又分为到达场和编组场，编组场作业量最大。换装场以尽端式线路为主，有少量宽轨木枕道岔。随着口岸过货量的不断增长，2005年又增建了一个准轨场和一个宽轨场，新建宽轨场全部铺设图号为CZ267的50 kg/m钢轨9号混凝土枕单开道岔。

1999年、2002年和2012年口岸货运量分别为354.3，581.1和1658.6万t。宽轨编组场咽喉道岔始终处于钢轨侧面磨耗加剧的状态。每组道岔存在3个侧磨位置:①直股基本轨的前顺坡段，磨耗长度在5.0 m左右，分布在接头两侧，与尖轨侧磨连续;②直基本轨侧的尖轨，磨耗长度为尖轨全长(6.45 m);③导曲线上股钢轨全长范围。由于道岔钢轨侧面磨耗加剧，加大了维修成本和工作量。

2003年，为了适应货运量的不断增长，乌鲁木齐铁路局利用阿拉山口站扩能改造项目，与中铁宝桥合作，将木枕宽轨道岔升级改造为目前的1 520 mm轨距50 kg/m钢轨9号混凝土枕单开道岔，图号CZ267。改造后道岔磨耗情况明显好于原有木枕道岔，这是第一阶段的改进，满足了当时500万t/年过货量的要求。

2002年至2012年过货量增长1.85倍，原有的三个侧磨位置磨耗继续加剧。以宽轨咽喉道岔(编号208)为例，由于磨耗情况严重，各轨件使用寿命仅为1年。2013年10月在阿拉山口编组场西端咽喉道岔试铺一组在CZ267型号的基础上改进后的道岔，更换了整组轨件，这是第二阶段的改进，还处在试验当中，目前使用情况良好。本文对造成宽轨道岔钢轨侧面严重磨耗的主要原因进行分析，并总结分析二次改进情况，探讨下一步改造思路。

2 宽轨道岔磨耗原因分析

在阿拉山口站我国与哈萨克斯坦两国机车、车辆并存。宽轨场到达解编的车辆均为哈方车辆(主要是前苏联时期的车辆)，列车到达与出发均由哈方机车承担，编组任务由我国DF12型机车承担，其走行部按宽轨1 520 mm轨距制作，实际是标准车架的加宽。这说明参与宽轨编组场道岔磨耗的主要是哈方车辆和我国DF12型机车。

国内研究表明，引起曲线钢轨过早磨耗的原因中车辆约占70% ～80%，机车约为20% ～30%。可见引起曲线钢轨侧磨的主要原因是车辆而不是机车，因为列车中车辆轮对远较机车多，因此，哈方车辆是造成宽轨50 kg/m钢轨9号道岔钢轨侧面严重磨耗的主要原因。

2.1 中哈道岔结构对比分析

阿拉山口站宽轨50 kg/m钢轨9号单开道岔最早是由铁道专业设计院于1989年设计，宝鸡桥梁工厂生产的木枕道岔。中哈道岔结构对比如表1所示。

2.1.1 道岔结构

中方道岔适应哈方轮对的不利条件较明显，主要在转辙和导曲部分，尖轨虽然是AT型，但为直线贴尖式(无淬火)，前端又没有设置防磨防撞护轨，此外，转辙角偏大，尖轨曲率半径为0，在适应哈方大轴重、大轮对时显得薄弱。

表1 中哈宽轨道岔结构对比

2.1.2 轨距

前苏联标准轨距曾经是1 524 mm，直线标准轨距采用1 520 mm后，对曲线轨距进行了修订。其《技规》规定:直线和 R≥350 m曲线的轨距为1 520 mm;300 m≤R＜350 m曲线的轨距为1 530 mm;R＜300曲线的轨距为1 535 mm，即加宽15 mm，轨距维修容许误差与直线上的相同。同时，对新的轨距标准1 520 mm，根据行车速度 V规定了两种容许误差。V＞50 km/h时为－4～+6 mm;V≤50 km/h时为－4～+10 mm;导曲线部分轨距加宽可达到14 mm。阿拉山口站《宽轨线路维修暂行规定》与我国准轨标准基本一致，容许误差为－2～+3 mm，实际加宽仅7 mm，与哈方相差7 mm。另外，尖轨尖端的轨距加宽值与准轨50 kg/m钢轨9号道岔在该处加宽值也相差7 mm，尖轨尖端的轨距加宽值取决于转辙角的大小，中方的转辙角与哈方相比偏大，此处的轨距加宽应比哈方加宽值大8 mm较为合理。通过以上对比分析，说明阿拉山口站宽轨50 kg/m钢轨9号道岔轨距加宽值偏小，而维修标准过于严格。曲线地段的轨距偏小，使机车(车辆)轮对横动量有所减小，从而恶化了轮对通过曲线的条件，同时加大了轮缘对外轨的压力，容易造成轮轨磨损。

2.1.3 前接头至尖轨跟端

由于尖轨与导曲前端采用非曲线型过渡连接，前接头至尖轨尖端的顺坡率(3.0‰)远小于准轨(5.7‰)，轨距加宽值偏小。哈方车辆逆向通过时，前接头至尖轨跟端成了导曲的延伸，变成形式上的缓和曲线。这一部分也参与到了车轮的导向作用中，致使尖轨前端直基本轨和尖轨磨耗加剧。另外，宽轨道岔后的附带曲线和夹直线并没有产生严重磨耗，附带曲线半径一般都在300 m，曲线加宽15 mm，夹直线处在S曲线中部，轮轨受力条件特殊，产生的横向作用力不大，钢轨磨耗很少。这也说明阿拉山口站宽轨50 kg/m钢轨9号木枕道岔导曲部分不但半径小，而且加宽值也偏小。

2.1.4 轨底坡

由于道岔结构特殊，设置轨底坡非常困难，阿拉山口站宽轨50 kg/m钢轨9号木枕道岔结构设计上没有设置轨底坡。根据国内研究，曲线上适当增大内轨的轨底坡(外轨轨底坡仍保持1∶40)，可将不正常的轮径差(内轮轮径大于外轮轮径)调至合理的数值，可大大地减缓外轨的侧磨，同时可减轻机车车辆的轮缘磨耗。

2.2 中哈双方车辆对比

中哈双方车辆对比见表2。

表2 中哈双方车辆对比

2.2.1 车辆固定轴距

哈方车辆固定轴距比中方大100 mm，加大了车轮作用在钢轨上的横向水平力，也会加剧曲线外轨磨耗。

2.2.2 轮径和轮缘

哈方车辆由于轮径和轮缘高比中方分别大110，1 mm，增大了与钢轨的接触面积。轮径越大曲线阻力越大，在同样的曲线半径和冲角下，大轮径的轮缘超前量大，也就是轮缘与钢轨侧面的接触处距车轮旋转瞬时中心的距离大，引起磨耗加快。

2.2.3 轴重

哈方主型车多以25 t轴重为主，比我国货运主型车轴重(21 t)多4 t。在我国JD-1型轮轨摩擦学模拟试验机上，对25 t轴重货车车轮在50及60 kg/m钢轨上进行了模拟试验，在正常磨损阶段直线工况下，25 t轴重时钢轨的磨损率要比21 t时大40%，在曲线半径800 m工况下，25 t轴重时钢轨的磨损率要比21 t时大3倍左右。由此可见，哈方车辆轴重大，也是引起宽轨道岔钢轨侧面磨耗加剧的原因之一。

2.2.4 车架刚度

哈方货运车辆以MT-50型转向架为主，其悬挂刚度大，致使轮轨间侧向力增大，轮轨磨耗有加快的趋势。

2.3 中哈双方轮轨关系对比

2.3.1 车轮轮缘踏面与钢轨

哈方货运车辆车轮轮缘踏面为锥形，我国为磨耗形。从轮轨外形上看，我国轮轨几何关系更加匹配，磨耗形踏面远优于锥形踏面，其优点具体表现在:①减少曲线上的轮缘磨耗，延长镟轮间的走行公里数，减少镟轮时的车削量;②在同样接触应力下，容许更高的轴重;③减缓踏面的磨耗及剥离。

2.3.2 冲角

轮对轴线与线路径向位置的夹角称为轮轨冲角。根据美国铁路的试验，轮对在曲线上的冲角对轮轨磨耗影响甚大，如冲角由0.25°上升至0.75°，则轮轨的磨耗增加约12倍。这是因为冲角大，侧轮缘与钢轨接触点导前且下移，使该点的相对滑动速度增大，磨耗加剧。经计算，哈方车辆在中方道岔导曲线上的冲角、轮缘与钢轨接触点的超前量(专线9827木枕)分别为0.54°，7.75 mm;而哈方车辆在哈方道岔导曲线上的冲角、轮缘与钢轨接触点的超前量分别为0.53°，7.61 mm。可见，哈方车辆在中方道岔导曲线上的冲角、轮缘与钢轨接触点的超前量均有增大趋势。

3 改进宽轨50 kg/m钢轨9号木枕道岔

为改善哈方车辆在宽轨道岔上的运行条件，1999年9月在阿拉山口站道岔尖轨前端安装迎轮护轨进行防侧磨试验，在直股基本轨的前顺坡段和直基本轨侧的尖轨处取得较好的防磨效果。2002年4月在阿拉山口站宽轨编组场西端咽喉区磨耗最严重的210号道岔处，试铺一组改进型50 kg/m钢轨9号道岔，即图号为CZ267的50 kg/m钢轨9号混凝土枕单开道岔。下面介绍道岔主要改进措施。

3.1 改善道岔平面和加宽轨距

CZ267道岔前长为14.350 m，后长为15.776 m，全长为30.126 m，采用割线型曲线尖轨，直股轨距为1 520 mm，尖轨尖端轨距为1 535 mm，曲股轨距加宽15 mm，导曲线半径为250 m。其平面线型如图1所示。具体改进如下:

图1 CZ267道岔平面线型

1)保持道岔平面尺寸不变，其目的是与扩能改造前铺设的木枕宽轨单开道岔完全互换。

2)改善平面线型，加大导曲线半径至R=250 m，曲线起点延伸至尖轨尖端，增大轮对在曲线上的冲角，改善哈方车辆通过条件。哈方车辆在中方改进后道岔导曲线上的冲角、轮缘与钢轨接触点的超前量分别为0.42°，6.03 mm，均有较大的下降。3处磨耗部位与改进前的对比，导曲线外股钢轨磨耗下降最明显，磨耗量仅为改进前的14.6%，说明加大导曲半径是成功的，也是符合曲线磨耗原理。

3)为改善哈方车辆通过条件，减少我方道岔磨耗，尖轨尖端和导曲部分轨距加宽15 mm。

3.2 强化道岔结构

1)尖轨由贴尖式改为藏尖式，采用50AT割线型曲尖轨，跟部均为间隔铁式结构。

2)尖轨全长淬火，并在尖轨前端及基本轨前端设置迎轮护轨，防止侧磨和砸伤尖轨。

3)所有轨件(除尖轨和护轨外)，均采用PD3材质的淬火钢轨制造，强化轨面硬度，增强钢轨的耐磨性。

4)护轨为分开式，采用43 kg/m钢轨制造，护轨顶面高出基本轨顶面12 mm。

5)轨下设置5 mm厚的橡胶垫板，各垫板下设置10 mm厚橡胶垫板。

6)曲股外股设置超高。

7)木岔枕改为混凝土岔枕，增强道岔的稳定性，减少维修工作量。

4 现有宽轨50 kg/m钢轨9号混凝土枕道岔使用情况

改进后道岔减磨效果良好，维修工作量下降，工人的劳动强度降低。2002年阿拉山口站站改及后续新建线路均使用了改进的CZ267道岔。与原有专线9827道岔相比，在过货运量增长了1.85倍的情况下使用寿命提高到1年，是原来的5倍，但是与准轨道岔同等条件下寿命相比，磨耗还是非正常的，因此，还需进一步改进。

5 第二阶段宽轨道岔改进方案研究

通过优化道岔平面线型和道岔结构，采用新材料、新工艺，采用加宽尖轨断面等措施改进道岔。

5.1 道岔平面线型优化设计

5.1.1 国内既有同型号道岔平面线型对比

既有1520 mm轨距50 kg/m钢轨9号单开道岔设计图号有专线9827，CZ256，CZ267及研线0307。其中，研线0307用于绥芬河、满洲里口岸站扩能改造工程，其余3个产品在阿拉山口站均有铺设。

4种图号的平面尺寸较为接近，尖轨尖端至道岔前接头的距离(Q值)均为2 646 mm。CZ267的冲击角βc最小，道岔导曲线半径为250 m，采用曲线尖轨，对列车过岔较为有利，但曲线尖轨粗壮度最小，尖轨较薄弱。专线9827、CZ256和研线0307的尖轨相对较为粗壮，但导曲线半径较小，采用直线尖轨，冲击角较大。减小道岔侧磨的主要途径是增大导曲线半径、设置超高，提高尖轨断面粗壮度、尖轨表面硬度等。

5.1.2 既有道岔平面线型的改进方案对比

改进道岔的前长、后长及全长与既有道岔保持一致。为了改善行车条件，减少导曲线钢轨磨耗，应采用较大的导曲线半径。同时，导曲线半径R不能取得过大，否则辙叉前直线长度(K值)变小，成曲线型辙叉，会增加备件备料。

改进设计中，电务转换设备仍采用既有的转换设备，因此，牵引点处岔枕间距及尖轨尖端与相邻岔枕间距保持不变。在既有产品中，Q值大部分采用2 646 mm，因此在设计中仍采用2 646 mm。

按照上述分析，初步设计了4种改进方案，平面线型改进方案对比如表3所示。

表3 道岔平面线型改进方案对比 mm

由表3可知:①4种方案中，方案1、方案2采用割线型辙叉平面线型，方案2～方案4均采用相离半切线曲线尖轨线型。②既有道岔导曲线半径较大，但尖轨粗壮度不够，尖轨磨耗严重。③方案1、方案2导曲线半径较大，对列车过岔较为有利，但是该两种方案的尖轨冲击角较大，列车过岔时对尖轨冲击较大。④方案3的冲击角较小，但尖轨粗壮度及导曲线半径均不如方案1和方案2。⑤方案4的K值较大，未充分利用道岔的全长，导曲线半径较小。⑥在方案2、方案4中，导曲线实际起点处尖轨断面宽度分别为49.0，46.5 mm，在设计中不宜采用尖轨曲线实际起点处断面宽度超过轮轨游间(仍采用国内准轨机车41 mm的游间)的平面线型。

综上所述，为延长道岔尖轨的使用寿命，应以较小的冲击角、较粗壮的尖轨断面，减小列车对道岔尖轨的冲击，避免尖轨侧向磨耗严重，出现曲尖轨前端处基本轨磨耗严重等问题，因此，采用方案1的平面线型。

5.1.3 控制参数检算

按方案1进行道岔平面线型控制参数检算，导曲线半径为250 m，复曲线半切线线型，导曲线实际起点设在尖轨20.6 mm断面处，尖轨前端冲击角为1°4'35″，转辙器部分轨距如图2所示。

图2 转辙器部分轨距示意

经计算，动能损失为0.318 km2/h2;未被平衡离心加速度为0.239 m/s2;在道岔的入口处，未被平衡离心加速度增量为0.125 m/s2。各项指标符合控制参数要求。

5.2 道岔结构及工艺改进设计

5.2.1 钢轨材质

钢轨件均采用 U75V(PD3)材质，抗拉强度＞980 MPa，钢轨件进行轨头顶面全长淬火以提高钢轨抗弯变形能力和耐磨性。

5.2.2 转辙器

1)尖轨、基本轨

在尖轨和基本轨密贴区段，将基本轨密贴段轨头水平刨切3 mm厚度，尖轨轨头宽度相应增加同样厚度，如图3所示。此结构可提高其抗磨耗能力，尤其是尖轨尖端厚度的增加可以防止尖端的快速磨耗、掉块，增大安全储备。该方案结构简单，加工制造方便。

图3 水平藏尖式尖轨加宽结构示意

2)尖轨理论尖端加粗

将既有道岔尖轨理论尖端宽度由0改为2 mm，提高尖轨断面宽度，改善距尖轨前端较近的薄弱截面受力状态。

3)轨件表面强化技术

采取激光表面强韧化处理技术，对所有钢轨件表面进行激光表面改性处理以提高钢轨件耐磨性，处理后钢轨使用寿命可提高1～3倍。

激光表面改性技术是采用大功率密度的激光束以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，使金属材料表面在瞬间(毫秒甚至微秒级)被加热或熔化后高速冷却，来实现其表面改性的工艺方法。表面处理后使材料表面形成有一定厚度的能与本体冶金结合并含有高度弥散的均匀细小具有极好的耐磨及耐蚀性的工作层。激光处理无需淬火介质，处理后具有最小的变形，从而简化了后续加工工序。

激光表面强韧化技术能较大程度地提高钢轨抗磨能力，对钢轨部件原结构和综合机械性能无不利影响，不影响轨道电路。

4)辙叉

辙叉仍采用既有高锰钢整铸辙叉，在辙叉心轨顶面、工作边及圆弧全长范围内采用三次爆炸硬化工艺。高锰钢辙叉经爆炸硬化处理后，叉心表面硬度达到350 HB以上，硬化层深度≥30 mm，充分发掘了高锰钢的高冲击韧性和高耐磨性，从而提高辙叉的使用寿命。该方案实用，购置成本低，轻便、现场更换容易。

5)护轨

方案1:护轨仍采用43 kg/m钢轨制造，在护轨工作边进行激光表面强韧化处理。

方案2:采用高锰钢整铸护轨替换既有护轨，通过改变护轨材质和结构，增加护轨的耐磨性，提高护轨寿命。

由于材料运输问题，试验时采用了方案1，建议下一步采用方案2。

6 进一步改进的措施和改进思路

6.1 第二次改进存在的问题

1)冲击角为1°4'35″(转辙角)与哈方0°27'相比明显偏大。

2)尖轨长度中方7 073 mm，哈方65 150 mm;尖轨曲率半径中方CZ267是250 m，本次采用200 m，与哈方297.3 m半径相比偏小。

3)尖轨前端基本轨长中方2 650 mm，哈方4 327 mm;道岔全长中方30 126 mm，哈方31 050 mm。

通过改进后的情况看，在296 d的磨耗中，尖轨最大磨耗量是5.1 mm，导曲最大磨耗量是3.34 mm，与第一次改进后的磨耗现象基本一致，即磨耗严重的部分仍然是尖轨，因此，还需要对尖轨进一步改进。这也说明中方转辙角偏大和尖轨曲率半径偏小。基本轨前端至尖轨尖端作用边始终存在肥边，无法测量，这与第一次不同，有待进一步分析产生的原因。

6.2 升级现有50 kg/m钢轨9号混凝土枕道岔方案

现有已建成的阿拉山口和霍尔果斯口岸站，由于受场地限制，比较有利的条件是对既有50 kg/m钢轨9号混凝土枕道岔(CZ267)升级为60 kg/m钢轨9号混凝土枕道岔，利用钢轨的外形结构优势减轻哈方车辆轮对的磨耗，从而降低维修成本。其缺点是与现有站线50 kg/m钢轨轨道结构不匹配，需要异型轨或异型夹板联接，会增加改造成本。具体改动如下:

1)60 kg/m钢轨9号道岔升级宽轨单开道岔与既有50 kg/m钢轨9号混凝土枕道岔满足互换要求，主要几何尺寸道岔前长14 350 mm、后长15 776 mm、全长30 126 mm等均保持不变。

2)道岔采用复圆曲线线型、基本轨刨切3 mm结构和尖轨理论尖端为2 mm加宽技术等改进措施。

3)道岔采用细晶粒预硬化嵌入式高锰钢组合辙叉。

4)道岔采用两点牵引的分动外锁闭转换方式，转换设备需重新设计。

5)道岔采用Ⅲ型混凝土岔枕。

6)道岔设置1∶40轨底坡或轨顶坡。

6.3 改进思路

1)继续优化平面尺寸，重点是道岔转辙部分。冲击角继续减小，向哈方靠近。尖轨长度尽量与哈方(65 150 mm)接近;尖轨曲率半径与哈方(297.3 m)尽量接近。尖轨前端基本轨长中方2 650 mm，哈方4 327 mm;道岔全长中方30 126 mm，哈方31 050 mm。建议适当调整这些参数使尖轨前端基本轨长尽量接近，避免道岔前引轨过早磨耗下线。道岔全长受限制较多，可适当微调。转辙部分的个别轨枕的承轨槽和螺栓孔位要重新设计。

2)在新建宽轨线路时，重新设计大号码道岔或者直接选用哈方道岔，按照哈方道岔平面线型和尺寸重新设计我国的宽轨道岔，来应对哈方车辆轮对对中方道岔的磨耗。按此思路可彻底解决宽轨道岔不适应哈方车辆的问题。