60N钢轨18号无砟道岔的运用研究

2020-02-24李晓光

铁道建筑 2020年1期

李晓光

（中国铁路沈阳局集团有限公司长春高铁基础设施段，吉林长春 130051）

我国铁路车轮形面较多，难以实现良好的轮轨匹配，主要表现为轮轨接触区不在设计的轨头踏面中心区域［1-2］。当轮轨长期不能磨合时，会导致钢轨的早期滚动接触疲劳伤损，打磨不及时将造成剥离掉块、隐伤等伤损，严重时可引发断轨［3-5］。根据我国铁路轮轨接触关系存在的问题，并借鉴国外经验，我国铁路近年来也开展了钢轨轨头廓形优化工作，并成功研发出具有新轨头廓形的60N 和75N 钢轨，显著改善了轮轨关系，取得良好使用效果［6-7］。

为了使道岔区钢轨与区间钢轨廓形一致，同时为了有效避免部分高速铁路线路列车高速通过道岔区域出现的转向架横向加速度报警问题，经过现场调研、理论研究及优化设计，有关单位研发制造了60N钢轨18号无砟道岔，试制的道岔尖轨采用60AT2钢轨制造、60N廓形铣刀加工。

本文通过对京沈客运专线喀左站铺设的60N 钢轨18号无砟高速道岔开通前预打磨、联调联试进行道岔动力学性能测试分析，并结合现场服役情况，研究和验证其在高速条件下的适用性。

1 钢轨预打磨试验

目前，我国高速铁路线路和道岔钢轨预打磨目标廓形均为设计廓形（60D）或60N［8］。当要将原60 kg/m钢轨打磨到上述目标廓形要求时，其轨距角最大打磨量分别约为+0.9，+1.4 mm。传统道岔打磨车功率和砂轮直径较小，导致其切削效率较低，同时道岔结构较为复杂，使得预打磨难度较大。

对于原60 kg/m 钢轨18 号道岔而言，其预打磨流程为：钢轨廓形调查→道岔断面覆盖打磨（限打区跳打）→道岔重点区域加打（限打区跳打）→道岔小角度通打。这种打磨方式具有道岔平顺性高、廓形对称性好等优点，但是对打磨提出了更高的要求，特别是限打区的跳打。上述区域为变截面区域，同时存在相应的降低值，若该区域中的直尖轨打磨量过大，可能导致尖轨轮轨接触应力过大，在直尖轨非工作边未倒棱时，直尖轨更易出现纵向水平裂纹，影响行车安全；若不对直尖轨进行打磨或打磨量过小，则可能使直尖轨和对侧直基本轨廓形不对称，容易引发列车横向失稳，严重时导致列车构架报警或晃车。

60N 钢轨道岔尖轨、心轨和翼轨均采用60N 廓形铣刀加工，所以其廓形在纵向上的顺接性和左右股的对称性均良好。考虑道岔尖轨和心轨部位由铣刀加工，并不存在脱碳层，所以60N 钢轨18 号道岔预打磨时限打区可跳过不打，其预打磨流程可简化为：钢轨廓形调查→道岔断面覆盖通打（限打区不打）。这不仅大大简化了打磨流程，而且减小了打磨难度，可明显提高打磨效率。

根据现场道岔打磨结果可以发现，使用CMG-16型道岔打磨车对60 kg/m 钢轨道岔进行预打磨，轨头廓形打磨成60N 廓形，一般需要打磨20 遍左右。此次，京沈客运专线60N 钢轨道岔预打磨使用CMG-16型道岔打磨车进行了6～8遍轨面全覆盖打磨，达到了去除脱碳层的目的。60N钢轨道岔进行预打磨可以更容易控制打磨廓形和目标廓形的偏差，提高打磨质量，减少打磨工作量60%以上。

2 动力学性能试验

搭载CRH380AJ-0203 综合检测列车逐级提速试验完成60N 钢轨18号无砟道岔动力学性能测试，包括列车逐级提速直向通过道岔试验和侧向通过道岔试验2部分。

列车逐级提速直向通过道岔试验中，列车运行速度级为5，180，200，220，240，260，280，300，310，320，330，340，350，360，370，380，385 km/h。

列车侧向通过道岔试验中，通过1 号岔位道岔的速度为 70，80，90 km/h，通过 9 号岔位道岔的速度为70，80 km/h。

选取60N钢轨18号单开道岔（1号岔位）和60 kg/m钢轨18 号单开道岔（9 号岔位）各1 组，结合联调联试开展直向、侧向通过道岔动力学测试。用剪应力法测试试验列车通过轨道结构动力作用测点时的轮轨垂向力P和横向水平力Q，据此计算机车车辆内外轮脱轨系数Q/P、轮重减载率ΔP/P和轮轨横向力（Q1-Q2），判定试验列车运行的安全性，并对轮轨垂向力过渡、钢轨位移进行测试，以此对新廓形道岔钢轨动力学性能进行评价。

2.1 安全性指标

综合检测列车以不同速度直向通过1号岔位和9号岔位18号道岔时，尖轨前和辙叉后动力学性能测试断面安全性指标对比如图1所示。

直向通过1 号和9 号岔位道岔尖轨前断面时，脱轨系数实测最大值分别为0.14，0.28，轮重减载率实测最大值分别为0.33，0.39；直向通过1号岔位道岔辙叉后断面时，脱轨系数实测最大值为0.58，轮重减载率实测最大值为0.72，均小于安全限值0.8。轮轨横向力实测最大值为14.9 kN，小于安全限值，横向水平力实测最大值为10.8 kN。

侧向通过1 号和9 号岔位道岔尖轨前断面时，脱轨系数实测最大值分别为0.34，0.29，轮重减载率实测最大值分别为0.32，0.29；侧向通过1号岔位道岔辙叉后断面时，脱轨系数实测最大值为0.22，轮重减载率实测最大值为0.28，均小于安全限值0.8。轮轨横向力实测最大值为23.7 kN，小于安全限值，横向水平力实测最大值为24.8 kN。

图1 列车通过道岔安全性指标对比

综合检测列车通过1 号和9 号岔位道岔时脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力及横向水平力均小于安全限值。综合检测列车直向以300 km/h 以上速度通过1 号岔位道岔时，脱轨系数和轮轨横向力指标均优于9号岔位。

2.2 道岔部件变形

综合检测列车直向通过道岔轨道部件横向位移对比如图2（a）所示。通过1 号岔位道岔时，直基本轨轨头横向位移实测最大值为0.19 mm，曲基本轨轨头横向位移实测最大值为0.19 mm，翼轨横向位移实测最大值为0.66 mm；通过9 号岔位道岔时，直基本轨轨头横向位移实测最大值为0.28 mm，曲基本轨轨头横向位移实测最大值为0.32 mm，翼轨横向位移实测最大值为0.34 mm，均小于限值1.5 mm。

综合检测列车侧向通过道岔轨道部件横向位移对比如图2（b）所示。通过1 号岔位道岔时，岔前直基本轨轨头横向位移实测最大值为0.74 mm，曲基本轨轨头横向位移实测最大值为0.36 mm，岔中曲导轨轨头横向位移实测最大值为0.43 mm，翼轨横向位移实测最大值为0.72 mm；通过9 号岔位道岔时，岔前直基本轨轨头横向位移实测最大值为0.47 mm，曲基本轨轨头横向位移实测最大值为0.44 mm，岔中曲导轨轨头横向位移实测最大值为0.33 mm，翼轨横向位移实测最大值为0.46 mm，均小于限值3.0 mm。

图2 列车通过道岔轨道部件横向位移对比

综合检测列车通过1 号和9 号岔位道岔时轨道部件横向位移基本相近，直向通过时1 号岔位直基本轨和曲基本轨横向位移略小于9 号岔位，翼轨横向位移略大于9号岔位。

2.3 尖轨开口量

图3 列车通过道岔尖轨开口量对比

综合检测列车通过道岔尖轨开口量对比如图3所示。通过1 号岔位道岔时，直向尖轨开口量最大为0.36 mm，侧向尖轨开口量最大为0.18 mm；通过9 号岔位道岔时，直向尖轨开口量最大为0.33 mm，侧向尖轨开口量最大为0.25 mm，均小于限值3.0 mm。综合检测列车通过1 号和9 号岔位道岔时尖轨开口量基本相当。

2.4 尖轨应力

综合检测列车通过道岔轨底应力对比如图4 所示。通过1 号岔位道岔时，直尖轨40 mm 断面轨底应力实测最大值为63.1 MPa，直尖轨50 mm 断面轨底应力实测最大值为60.1 MPa；通过9 号岔位道岔时，直尖轨40 mm 断面轨底应力实测最大值为54.7 MPa，直尖轨50 mm 断面轨底应力实测最大值为55.5 MPa，均小于限值355 MPa。综合检测列车通过1 号和9 号岔位道岔时尖轨应力基本相当。

图4 列车通过道岔轨底应力对比

2.5 轮轨垂向力在尖轨和基本轨上的过渡

综合检测列车以不同速度直向通过1 号和9 号岔位18 号道岔时轮轨垂向力过渡对比如图5 所示。通过1 号岔位道岔时，直尖轨10 mm 断面不承受轮轨垂向力，20 mm 断面承受15%～24%轮轨垂向力，30 mm断面承受46%～65%轮轨垂向力，40 mm 断面承受70%～85%轮轨垂向力，50 mm 断面承受100%轮轨垂向力；通过9号岔位道岔时，直尖轨10 mm 断面不承受轮轨垂向力，20 mm 断面承受16%～26%轮轨垂向力，30 mm 断面承受51%～61%轮轨垂向力，40 mm 断面承受72%～83%轮轨垂向力，50 mm 断面承受100%轮轨垂向力。