两种高速道岔部件的结构优化设计

刘 皓

(中国铁建重工集团有限公司道岔分公司,湖南株洲 412005)

RAMS是IRIS标准之一，贯穿产品整个生命周期，在产品全生命周期中需要建立可靠性、可用性、可维修性和安全性的RAMS论证过程。可维修性是RAMS标准的重要组成部分，其主要是指产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力。

道岔是机车车辆从一股轨道转入或跨越另一股轨道的线路设备，是铁路轨道的重要组成部分和系统集成。道岔是线路上的薄弱环节，是养护维修的重点和难点，是影响列车运行速度和安全的关键设备。高速道岔集中了钢轨、扣件、轨枕、道床等轨道结构技术，无缝线路、轮轨关系、电务转换与轨道电路等专业的接口技术，系统复杂、技术难度大，其主要技术特点体现为：高精度、高平顺性、高可靠性和少维护工作量[1]。

高速铁路运营特点决定了线路维修时间短、维修标准要求高，因此，道岔零部件维护性就显得非常重要。高速道岔的稳定性比普速道岔有了显著的提升，维修工作量也大幅减少[2]，但部分零部件由于结构限制或使用性能要求，存在安装空间狭窄，不便于安装或拆卸，不易于维护，在使用过程中部件更换或调整的作业时间较长。本文基于提高部件维护性的目的，介绍了对道岔转辙器、可动心轨辙叉零部件所做的优化设计。

1 转辙器滑床板

滑床板是转辙器固定基本轨并承载尖轨和实现尖轨转换的部件。

1.1 现状

高速道岔滑床板里侧采用弹性夹扣压基本轨，外侧采用II型弹条和轨距块扣压基本轨[3-5]。因其要承载尖轨，所以滑床台的卡口长度较长。滑床板拆卸时，需将尖轨拆除后，将滑床板竖向旋转倾斜后方能从基本轨上拆卸。按照这种作业方式更换滑床板涉及工务和电务配合作业，拆除尖轨工作量大，更换后还需工电联调，影响了滑床板的更换作业效率。

目前的滑床板更换流程为：拆除尖轨转换锁闭装置→拆除滑床板扣件系统→起升尖轨→拆除旧滑床板→安装新滑床板→安装滑床板扣件→放置尖轨→安装尖轨转换锁闭装置→工电联调。

1.2 优化结构

为了便于拆卸，将滑床板“铁座+轨距块”的结构改为“轨距挡板”的结构，同时将T形螺栓改为沉头螺栓，为垫板的横向移动提供了较大的空间，从而方便了滑床板的安装拆卸，同时，通过更换不同规格的轨距挡板可实现轨距调整。滑床板及轨距挡板的结构见图1、图2。

图1 滑床板结构

图2 轨距挡板

采用轨距挡板形式的结构时，拆除扣件系统后，滑床板可平移并直接从基本轨上拆下，不再需要拆装尖轨、转换锁闭装置等。拆除步骤示意见图3。

图3 拆除步骤示意

优化后的滑床板更换流程为：拆除滑床板扣件系统→拆除滑床板→安装新滑床板→安装滑床板扣件。优化后的结构简化了更换工艺，减少了更换作业时间。

1.3 计算分析

采用有限元方法对该方案的滑床板、轨距挡板进行了受力分析。滑床板和轨距挡板力学分析模型见图4。

图4 滑床板和轨距挡板力学分析模型

垫板采用焊接形式，材料为Q235，其屈服强度为235 MPa，抗拉强度为490 MPa。轨距挡板采用ZG230-450，其屈服强度为230 MPa，抗拉强度为450 MPa。

分析条件：车轮作用于钢轨上并传递至垫板的竖向荷载P3=125 kN，岔枕螺栓预紧力P=60 kN，车轮作用于钢轨上并传递至垫板的横向力PH=70 kN，轨距挡板的压力P1=11 kN，T形螺栓拉力P2=22 kN，弹性夹作用力P4=21 kN、P5=10 kN，Ⅱ型弹条扣压力P6=11 kN，垫板下橡胶垫板的刚度为60 kN/mm[1，6，7]。

结论：滑床板和轨距挡板的应力未超限，结构能满足使用要求。见图5、图6。

图5 滑床板应力云图

图6 轨距挡板应力云图

1.4 应用范围

除上述的转辙器滑床板结构，在道岔中由台板结构导致拆卸困难的转辙器辙跟垫板、可动心轨辙叉翼轨垫板[8-9]均可参照上述方案优化为“轨距挡板”结构，可避免转换锁闭设备的拆卸、安装以及工电联调的复杂作业工程，使得道岔垫板的维护或更换作业大为简化。

2 可动心轨辙叉跟端间隔铁

2.1 现状

可动心轨辙叉的心轨可根据行车方向分别与翼轨密贴，从而消除了固定型辙叉的有害空间，因此在高速道岔中得到了普遍应用。为了适应无缝线路的需要，可动心轨辙叉翼轨、心轨跟端设置了一定数量的间隔铁[10-12]，同时，在厂内采用胶粘剂将“心轨-间隔铁-翼轨”粘接为一体，有效提升间隔铁的温度力传递能力和辙叉跟端的稳定性[13]。

但“心轨-间隔铁-翼轨”粘接一体的结构，也增加了心轨、翼轨部件的现场更换难度。可动心轨辙叉钢轨件现场维修更换时，一般采取整组可动心轨辙叉更换的方式[14]或加热拆解间隔铁后再更换轨件的方式。整组更换辙叉费用高、施工作业面大；而加热拆解更换方式工艺复杂、施工难度大。

加热拆解方式更换钢轨件的流程：拆除转换锁闭装置→拆除垫板扣件系统→拆除间隔铁连接螺栓→加热融化胶结层→拆解间隔铁→更换轨件→打磨钢轨、间隔铁接触面→胶结间隔铁→安装间隔铁螺栓→安装垫板扣件系统→安装转换锁闭装置→工电联调。

2.2 优化结构

为了便于拆卸，将间隔铁“整体+胶结”的结构形式优化为“分体+胶结”的结构形式，同时为了实现温度力的有效传递和结构稳定性，设置了剪切传力的凹槽结构。分体式间隔铁由剪切板和间隔铁组成，分别与翼轨和心轨胶结，用高强度螺栓将剪切板与间隔铁连接为一体后可通过凹槽传递纵向温度力，详见图7、图8。

图7 分体式间隔铁结构

图8 分体式间隔铁安装示意

因剪切板与间隔铁间没有胶结，拆除掉翼轨侧螺栓后，两者可直接分离，见图9。

图9 分体式间隔铁拆解示意

优化后的钢轨件更换工艺：拆除垫板扣件系统→拆除间隔铁连接螺栓→拆解间隔铁→更换轨件→胶结间隔铁→安装间隔铁螺栓→安装垫板扣件系统→调试。

2.3 计算分析

采用有限元方法对分体式间隔铁进行了受力分析，力学分析模型如图10所示。

图10 剪切板和间隔铁力学分析模型

剪切板材料为Q235，其屈服强度为235 MPa，抗拉强度为490 MPa。间隔铁采用铸钢材料ZG270-500，其屈服强度为270 MPa，抗拉强度为500 MPa。

分析条件为：胶粘面设定为刚度足够大的弹簧约束；每个高强螺栓施加的预紧力P2和接触反力P4均为250 kN；单个间隔铁纵向温度力为250 kN[10-12，15]，其中，剪切板与间隔铁之间的摩擦系数按0.15计算时摩擦传递温度力P3为150 kN，而剪切凹槽传递的温度力P1的总和为100 kN。

经计算，剪切板和间隔铁应力均在材料允许范围内，凹槽部位的应力较小同时纵向位移也较小，表明分体式间隔铁能够满足使用要求。应力分析见图11、图12。

图11 剪切板应力云图

图12 间隔铁应力云图

3 结论

(1)从提高可维护性出发，创新性的将滑床板扣件优化为轨距挡板形式、将整体式间隔铁优化为分体式结构，在保证使用性能的前提下，避免了更换作业时电务设备的拆卸、安装和工电联调，极大降低道岔零部件的更换维护难度，具有一定的实用意义。

(2)采用有限元方法对新型结构进行了受力分析，结果表明新型结构能够满足使用要求，可实现与原有零件的互换。