铁路道岔防跳结构优化建议

薛建中

(中铁物总技术有限公司,北京 100036)

1 铁路道岔防跳设计概述

道岔区存在着结构不平顺，轮载过渡时，结构不平顺使轮载产生波动[1]。道岔动力学理论分析表明，当列车过岔速度由200 km/h提升至350 km/h时，钢轨的位移和加速度峰值呈增大趋势，并且辙叉部分的加速度比转辙器部分大，说明过岔速度越高，轮轨冲击作用越剧烈，辙叉部分轮轨冲击最剧烈[2]。

除结构不平顺外，轨道刚度不平顺对钢轨的振动影响很大，是钢轨振动加速度的主要影响因素之一[3]。为考核不同轨道刚度对道岔钢轨垂向位移量值的影响，在联调联试中，对武广、遂渝高速铁路客专线道岔，京津、武广、京沪高速铁路CN道岔及郑西高速铁路CZ道岔的钢轨垂向位移进行了测试，列车直向过岔速度为250～350 km/h，测得的上述各线路道岔区钢轨垂向位移平均值为0.41～0.90 mm[4]。2011年4月，中国铁道科学研究院《时速350 km 60 kg/m钢轨客运专线无砟轨道道岔-18号道岔的研究 道岔试验研究》报告指出，道岔钢轨垂向位移平均值为0.43～0.86 mm，最大值在0.57～1.07 mm[5]。

道岔区的结构不平顺、刚度值大小及均匀性、轮轨力等因素导致轮轨间产生冲击作用，迫使尖轨、心轨跳动，影响列车平稳运行，加剧了道岔零件的磨损，降低了道岔轨件服役寿命[6-9]，因此应严格控制尖轨、心轨的跳动。德国道岔的转辙器部分顶铁设计有防跳功能，当顶铁与轨腰贴靠时，顶铁底部防跳面限制尖轨轨肢位置从而限制尖轨跳动；可动心轨辙叉部分采用液压下拉装置防跳，当列车通过时，液压下拉夹具通过盘簧产生约70 kN的力，通过连杆使得心轨和翼轨平稳地同时下沉，解决心轨相对于翼轨跳动的问题[6]。法国道岔由于心轨活动部分长度较短，未设置防跳装置[10]。国内自主研发道岔设计了以下5种防跳措施：设置防跳顶铁、尖轨轨头非工作边设置防跳台、在滑床板上设置防跳限位装置、在翼轨轨腰上设置防跳卡铁、心轨前端设置防跳间隔铁[8，11-12]。这些防跳结构有效地限制了尖轨、心轨跳动，但是在可维护性、检测及标准设置方面还有一定的优化空间，本文就此提出一些优化建议，供相关人员参考。

2 防跳结构优化建议

2.1 顶铁防跳结构优化建议

转辙器防跳顶铁设置在尖轨与基本轨密贴段之后、尖轨固定端之前，每相邻两根岔枕之间布置一个顶铁。顶铁上设有两个安装孔，通过螺栓安装在基本轨轨腰上，顶头与尖轨轨腰接触，防跳面与尖轨轨肢上表面平行(图1)，限制尖轨竖向跳动。为保证道岔能够正常转换，高速道岔设计时，所有尖轨顶铁均带有防跳功能[10]，部分时速200 km道岔，心轨顶铁也带有防跳功能。

图1 防跳顶铁

此种结构的顶铁数量多，且顶头面与防跳面比较宽大，在道岔组装时，修配工作量大。为保证防跳面、顶头接触面具有合适的斜度与平面度，对工人的修配技能要求高，可维护性欠佳。为了提高顶铁的可维护性，分别从改变顶铁结构和数量两个方面进行研究。

将顶铁顶头截面由“ㄇ”形改为“T”形，见图2，按长度规格为120 mm的顶铁计算，质量由4.0 kg减轻至3.8 kg，减重率5%；顶头与钢轨接触面积由1 500 mm2减少至1 000 mm2，接触面积减小33.3%；防跳面防跳区域的面积由600 mm2减少至400 mm2，减小33%；防跳顶铁的修配区域面积综合起来最大可减少33%。

图2 防跳顶铁

若防跳顶铁间隔设置，那么防跳顶铁数量可减少约45%，转辙器部分所有顶铁优化后的修配面积较优化前可减少44%，这样就可以大大减少修配工作量，降低对工人的技能要求。

当列车过岔时，顶铁主要受轮轨横向载荷和竖向摩擦力或跳动冲击力。在车轮竖向载荷的作用下，尖轨向下远离顶铁，顶铁与尖轨之间产生相对运动，受到向下的摩擦力，其大小与横向载荷大小相关。当车轮行走之后，尖轨复位或受迫向上跳动，受到顶铁对其施加的向下摩擦力，限制了尖轨向上跳动，加之尖轨前段受到基本轨轨头下颚的限制、后段受弹条的扣压限制，一般情况下，尖轨竖向跳动值小于防跳顶铁预设的防跳间隙，不会对顶铁产生向上的冲击力。当尖轨向上跳动量超过预设防跳间隙时，顶铁才会限制其跳动，起到防跳作用，此时，顶铁的作用与尖轨固定端的弹条扣件相当，因此，减少防跳顶铁数量的建议是可行的。

图3 顶铁受力示意

对顶铁在两种极端不利的工况下进行受力仿真分析，研究其结构优化前后应力分布情况。一种是承受最大横向载荷的同时还受竖向的摩擦力的工况，见图3(a)；另一种是承受竖向向上的跳动冲击力的工况,见图3(b)。结合现场的大量动测试验及仿真分析结果，货物列车过岔时作用于钢轨上的横向力F1按70 kN取值[13]，竖向向下最大摩擦力f为10.5 kN(摩擦系数取值0.15)；当顶铁受到向上冲击力时，将顶铁看作一对扣件，扣压力按弹条扣压力的2倍取值，F2取20 kN[13]。经仿真分析(图4和图5)，优化后顶铁最大应力为141.88 MPa，较优化前的应力增大39.9 MPa，但仍小于其许用应力153 MPa(材料为ZG230-450，屈服强度取230 MPa，安全系数取1.5)，因此，优化后的结构是可行的。通过顶铁结构和数量的优化，既能满足使用要求，又提高了装配、维护效率。

图4 工况1顶铁应力分布

图5 工况2顶铁应力分布

2.2 防跳限位装置螺栓优化建议

当尖轨与基本轨斥离时，在滑床板上设置防跳限位装置(由铁卡、辊轮、销轴、开口销组成，通过M16螺栓固定在滑床板上)限制尖轨竖向跳动，见图6。由于受滑床台高度尺寸限制，安装螺栓规格尺寸较小，且为了防转，螺栓头部钻了3个通孔用于安装开口销，使得M16螺栓头部强度大为削弱，并且容易产生应力集中，受力后经常从开口销安装孔处断裂，见图7。

图6 尖轨防跳限位装置结构

图7 防跳限位装置螺栓断裂

防跳限位装置紧固螺栓断裂后，防转开口销失去防转作用，螺栓容易松脱，致使防跳限位装置失效，松脱的防跳限位装置及断裂的螺帽也可能击打高速通过的列车，是行车安全隐患之一。为了保证高速列车过岔安全，需要及时对折断螺栓进行处理。折断剩余部分螺栓头部平均厚度不足5 mm，最小厚度约3 mm，拆卸时很容易变形，导致螺栓无法取出，一般采用更换相同型号铁垫板的方法。当线路为无砟轨道时，垫板更换作业空间受限，铁垫板只有在电务设备脱杆、钢轨起道后才能拆除更换，工作量大，还容易导致道岔应力发生改变，产生应力集中点，给后续养护维修带来安全风险[14]。

根据文献[14]所述的防跳限位装置固定螺栓折断情况，结合其他线路防跳限位装置固定螺栓的折断情况，分析其折断原因有4种：(1)道岔存储及铺设不当，导致螺栓锈蚀、伤损严重，紧固时容易断裂；(2)养护作业时，螺栓紧固力矩过大，导致螺栓伤损甚至拧断；(3)螺栓所用材质强度不足；(4)螺栓结构不合理，开口销安装孔削弱了强度，容易应力集中断裂或疲劳断裂。

建议采取的优化措施有：(1)增加螺栓头厚度，见图8(b)；(2)将螺栓的材质由Q235改为强度等级更高的材质，比如45号钢；(3)取消开口销安装孔，见图8(c)(改用其他防转方式)。

图8 防跳限位装置螺栓

对优化前后螺栓的受力情况进行仿真分析，螺栓头底面固定，参照道岔弹条紧固螺栓(M24)的扭矩值100～140 N·m[15]，对防跳螺栓(M16)头部对边施加扭转力，力矩取值100 N·m，应力图见图9，由图9可知，螺栓优化前，孔周应力较大，最大达到137.96 MPa，增加螺栓头部厚度，最大应力降低39.196 MPa，取消开口销安装孔后，最大应力降低37.21 MPa，与优化前相比，应力均有显著降低，因此，提出的优化措施是可行有效的。

图9 螺栓应力分布

2.3 防跳间隔铁优化建议

长心轨前端设置有防跳台，伸入到防跳间隔铁的防跳檐下部，防跳间隔铁设置见图10。

图10 防跳间隔铁防跳示意

当防跳间隔铁与心轨防跳台间隙超标时，需要将间隔铁拆出对防跳檐进行修配。拆卸方式有两种：一种是将翼轨两侧的扣件拆除，然后将两翼轨同时向外侧撑开，从中间取出防跳间隔铁；第二种是将防跳间隔铁沿翼轨轨腰向前移动，大约跨越3块垫板后，两根翼轨之间有足够大的空间时取出防跳间隔铁。第一种拆除方式需要拆除扣件的范围很长，如果是已铺设道岔，还需要拆除辙叉第一牵引的电务杆件，维修工作量大、时间长，不推荐采用。第二种拆除方式相对便捷，但部分道岔的防跳间隔铁安装面内侧距离L值(图12(a))较小，在向前移动的过程中，当前方支距垫板的中间部位铁座或者支距扣板的支距宽度d值(图11)大于L值时，会阻挡防跳间隔铁，从而无法取出，这就需要对其结构进行优化改进，提高此类防跳间隔铁的可维护性。

图11 支距垫板结构示意(未含扣件)

为解决防跳间隔铁拆卸困难的问题，有两种优化方案，一种是减小间隔铁安装面宽度，从而增大安装面内侧避让空间(图12(b))，让其顺利跨越支距垫板上的零件，方便拆出，此种方案适用于防跳间隔铁L值与支距垫板的d值相差不超过40 mm时的情况；另一种方案是将防跳间隔铁底部安装面按对角位置去除一部分(图12(c))，按“Z”形折线沿翼轨轨腰绕过铁座或支距板向前端移出。

图12 防跳间隔铁结构优化

3 防跳间隙检验建议

3.1 防跳卡铁检验方法

长心轨前端由防跳间隔铁防跳，后段由防跳顶铁防跳，中间与翼轨密贴段通过防跳卡铁防跳(图13)。

图13 防跳卡铁防跳示意

心轨与翼轨密贴时，防跳卡铁位于心轨与翼轨之间的封闭空间内，不易检测。建议制作图14(a)所示的检测样板，样板检测面模仿长心轨轮廓，在长心轨斥离状态下紧贴长心轨轨底，移向防跳卡铁并与翼轨轨头贴合，测量样板与卡铁之间的防跳间隙；或者在长心轨组装之前，采用图14(b)所示的样板，样板检测面模仿长心轨轮廓，贴靠翼轨轨底，移向防跳卡铁并与翼轨轨头贴合，测量样板与卡铁之间的防跳间隙。

图14 防跳卡铁防跳间隙检测样板

3.2 防跳间隙设置建议

道岔动力学理论分析表明，尖轨、长短心轨跳动限值越小，列车通过道岔时的动轮载越小，尖轨、心轨承受轮载的位置越靠后，尖轨、心轨开口量等相关动力指标越小，越有利于行车安全[16]。国产普速道岔的防跳设计考虑到制造、装配公差及轨件变形等因素，防跳限值较大，一般为4 mm[12，17]。高速道岔设计时，考虑高速行车的安全性，宜采用较小的防跳间隙；另一方面，道岔由多个零件装配在一起，每个零件都存在制造误差，通过尺寸链分析，装配后组件的公差远远超过设计要求[18]，这对制造周期、修配工作量、生产成本影响很大，综合考虑安全性和制造误差两方面的影响因素，高速道岔尖轨、心轨防跳限值采用2 mm设计值[11，16]，防跳限值检验标准定为2～4 mm[19]。

长心轨的3种防跳结构，其防跳间隙应相互匹配，才能起到共同防跳的效果。《高速铁路道岔制造技术条件第1部分：制造与组装》[19]只规定了防跳顶铁的防跳间隙设置标准，未规定防跳间隔铁和防跳卡铁的防跳间隙要求；《标准轨距铁路道岔技术条件》[20]对防跳顶铁、间隔铁、卡铁均未规定防跳间隙要求。为了避免长心轨尖端转换卡阻，各制造单位对防跳间隔铁的防跳间隙进行了控制，间隙从2 mm至8 mm不等，对于防跳卡铁间隙，则未有检验要求，因此，建议道岔制造技术条件在修订时，增加相应的检测内容。

根据相关文献的试验数据，结合动力学分析，当道岔铺设状态欠佳，或者刚度不合理时，钢轨最大垂向位移可达2 mm之多，因此，应考虑在不利状态下转辙器后端防跳顶铁挤压尖轨轨肢的情况，建议增大转辙器部位防跳顶铁的防跳间隙。道岔各部位的防跳间隙设置建议见表1。

表1 道岔各部位防跳间隙设置建议

4 结语

(1)本文提出的改变防跳顶铁顶头截面以减小顶铁修配面积的优化方案，通过仿真分析证明结构是可行的，可维护性也得到很大提升，目前部分道岔的防跳顶铁已按照间隔设置的方式进行设计。

(2)目前，对于防跳限位装置的紧固螺栓折断的问题，多从如何预防以及折断后的处理方面进行分析研究，还没有见到进行结构优化的研究报道，本文提出的增加螺栓头部厚度、改变材料牌号、取消开口销安装孔三种优化方案，建议有条件的使用单位进行试验验证，从中选取最佳方案，消除因螺栓折断带来的行车安全隐患。

(3)增大防跳间隔铁避让空间或对角设置避让空间，可以解决防跳间隔铁拆卸困难的问题，经过在部分可动心轨辙叉道岔上的试用，效果不错，大大降低了维护工作量。

(4)所提出的心轨防跳卡铁间隙检测样板、防跳间隙设置建议，为道岔防跳结构设计提供参考。

通过不断优化零件结构，可提高防跳零件的维护性，减少因防跳零件失效而产生的道岔转换卡阻等问题[21-22]，完善检测方法与标准，增强道岔防跳功能，提高道岔零件服役寿命和安全性。