40 t轴重68 kg/m钢轨18号道岔设计

2020-05-11杨东升钱坤司道林

铁道建筑 2020年4期

杨东升钱坤司道林

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

道岔是重载铁路轨道结构的重要设备和最薄弱环节，其关键部件的寿命制约了铁路的运输效率。目前我国已经成功研发并推广应用了容许最高轴重30 t的重载道岔系列产品［1-3］，在30 t轴重道岔的设计和运用方面积累了丰富的经验。目前中国正在筹建几内亚西芒杜的矿山铁路［4］，该铁路的最高设计轴重为40 t，而我国尚无适用于该轴重的道岔产品，因此需要设计适应40 t轴重的新一代18号道岔。

1 设计原则与结构选型

依据几内亚西芒杜铁路轨道结构设计参数［5］，新道岔需满足以下运行条件：①道岔用的普通走行钢轨采用68 kg/m钢轨（136RE钢轨），特殊断面钢轨应与区间线路采用的钢轨顺接；②设计轴重≤400 kN；③运行速度，35 t轴重（不含）以下列车直向通过速度≤100 km/h，35～40 t轴重列车直向通过速度≤80 km/h，侧向通过速度≤80 km/h；④满足跨区间无缝线路设计，无缝线路年最大轨温差为60℃。

新设计的18号道岔辙叉形式采用可动心轨辙叉。根据北美和澳大利亚重载铁路的运营经验，轴重在36 t以上或年通过总重超过1亿t的铁路采用可动心轨辙叉经济效益更好。

随着我国提速系列、高速系列道岔的成功研发与推广应用，可动心轨辙叉的多项优化技术日趋成熟，如特种断面翼轨、心轨转换结合部优化、心轨水平藏尖等［6-7］。从运营实践的经验来看，我国25 t轴重客货共线铁路采用的GLC系列道岔应用效果良好，可动心轨辙叉使用寿命超过7亿t，说明我国可动心轨辙叉结构设计达到了较高水平，为研发重载铁路可动心轨道岔作出了技术储备。

2 平面线型设计

根据我国常用18号可动心轨道岔平面线型，提出4种设计方案，见表1。

表1 18号道岔线型方案 mm

方案1是我国早期设计采用的平面线型，其优点在于全长较短，节省站场布置空间；缺点是该线型尖轨冲角较大，导曲线半径较小，曲上股钢轨使用寿命较短，不宜采用。方案2是我国高速道岔和提速道岔通常采用的线型，其优点是平顺性较高；缺点是曲线尖轨的薄弱区段也要参与导向作用，使曲线尖轨的使用寿命较短。方案3是在我国27 t轴重重载18号道岔（图号：研线1302）的线型基础上设计了可动心轨辙叉，其优势是曲线尖轨直线段较长，承载断面较宽，可显著延长使用寿命；缺点是该线型改造为可动心轨辙叉时，心轨一动牵引点位置不够合理，对心轨实际尖端密贴可能产生不利影响。方案4是在方案2的基础上增大了相离量，为延长曲线尖轨寿命留出改造空间，同时吸收了方案2成熟的可动心轨辙叉布置方式。通过定性分析，方案4具有较大的技术优势。

采用仿真软件，模拟分析方案2—方案4的线型对40 t轴重车辆过岔的影响。

逆向过岔时，在转辙器区，车辆的动力学参数与运行轨迹如图1所示，图中里程50 m的位置对应尖轨尖端。动力学性能上3种方案的减载率都很小，未超过0.3。方案2受横向力影响脱轨系数和轮轴横向力明显小于其他2种方案。方案4的动力学性能略好于方案3。在车辆第1轴运行轨迹方面，3种方案的平顺性也呈相同趋势。

图1 车辆逆向通过转辙器的动力学参数与运行轨迹

在辙叉区，车辆的动力学参数如图2所示。方案2、方案4的辙叉实际咽喉对应里程为103 m，方案3对应里程为101 m。横向力数据受护轨影响参考价值较小，3种方案的脱轨系数量级基本一致，均小于0.15。辙叉区减载率波动较大，其中方案3的减载率最大，方案4的平顺性最优。

图2 车辆逆向通过辙叉的动力学参数

图3 车辆顺向通过转辙器的动力学参数与运行轨迹

顺向通过时，车辆的动力学参数与运行轨迹如图3所示，道岔尖轨尖端对应的里程位置为110 m。明显可以观察到，方案2线型中轮对贴靠曲尖轨运行的距离更长，作用力更大，而采用相离值较大的方案3和方案4，曲尖轨前部具有超过7 m的直线段，可有效降低轮对冲击尖轨。

综上所述，新型18号道岔（图号：研线1910）采用方案4的平面线型，该线型尖轨冲角为0°23'45″，尖轨直线段长度7 276 mm，未被平衡的离心加速度0.45 m/s2，未被平衡的离心加速度增量0.55 m/s3，动能损失0.31 km2/h2，设计欠超高68.6 mm。

道岔岔枕按照垂直于道岔直股布置，岔枕中心线间距为600 mm，在牵引点位置为配合转辙机安装调整为650 mm，相邻两侧的岔枕间距调整为575 mm。

尖轨设3个外锁闭牵引点，牵引点之间的距离均为5.4 m，第3牵引点至尖轨固定位置的距离为8.075 m。3个牵引点尖轨设计动程分别为160.0，112.5，64.0 mm。心轨设2个外锁闭牵引点，牵引点之间的距离为3.6 m，第2牵引点至心轨弹性可弯中心的距离为3.92 m。2个牵引点心轨设计动程分别为118，59 mm。

3 转辙器结构设计

基于选定线型，研线1910转辙器结构布置如图4所示。基本轨采用68 kg/m钢轨制造，尖轨采用60AT1钢轨制造。转辙器全长（基本轨长度）为24 592 mm，尖轨尖端至基本轨始端轨缝中心线的距离（Q值）为1 955 mm，尖轨尖端至其后一根岔枕中心的距离为120 mm。曲线尖轨从轨头宽55.3 mm断面做半切线，至尖端部分取直，形成“直曲组合型”曲尖轨，直线段长度为7 276 mm。从尖轨尖端向后200 mm，尖轨宽1.4 mm断面处做藏尖补充刨切，尖轨尖端藏尖量3 mm。直曲尖轨长度为22 041 mm。

图4 研线1910转辙器结构设计示意（单位：mm）

为进一步延长尖轨使用寿命，采用了刨切基本轨加厚尖轨的技术，如图5所示。尖轨本身的冲角由线型设计决定，工作边宽度变化率为1∶145，非工作边宽度变化受车辆顺向出岔限制，不易设置过大，因此变化率采用1∶200，最大刨切深度为5 mm，此区段的名义轨距相应变为1 440 mm，刨切至尖轨密贴段结束后，以相同的变化率过渡。根据前文所作的仿真分析，采用加宽技术的方案3和方案4，其尖轨开始与车轮接触位置为尖轨顶宽18.9 mm和17.3 mm处，未采用加宽技术的方案2，接触位置在13.5 mm处相应断面宽度提升达30%，可显著提高该处尖轨的强度与可磨耗宽度。

图5 刨切基本轨加厚尖轨示意

尖轨轨头工作边加工廓形如图6所示，为优化轮轨接触状态，尖轨设1∶40轨顶坡，按照68 kg/m钢轨轨头工作边廓形进行加工。尖轨工作边侧面顺接斜度为1∶4的直线，尖轨薄弱断面最大竖向切削深度为50 mm。尖轨非工作边密贴段按照1∶4斜度加工，非工作边的1∶4直线与轨头加工轮廓相交出的尖角位置应进行R2倒圆弧，防止在此处产生应力集中。

图6 尖轨轨头加工轮廓

尖轨跟端连续设置2个15 mm位移量的限位器，用于约束由列车荷载和温度作用造成的尖轨爬行，当尖轨的爬行量超过15 mm时，限位器子母块接触，限制尖轨进一步爬行。连续设置2组限位器，目的是消除单组限位器作用时引起尖轨产生的扭曲。根据文献［8］中的理论计算，在几内亚地区年最大轨温差不超过60℃的条件下，18号道岔可选择不设辙跟限位装置。

4 辙叉及护轨结构设计

研线1910可动心轨辙叉翼轨采用TY钢轨制造，长短心轨采用60AT1钢轨制造，叉跟尖轨采用68 kg/m钢轨制造，其中特种断面钢轨通过锻压实现与68 kg/m钢轨顺接。辙叉全长17 392 mm，趾端开口值为276.0 mm，跟端开口值为633.5 mm。采用长、短心轨与叉跟尖轨拼装的可动心轨辙叉。直向不设护轨，侧向设2段护轨。

可动心轨辙叉采用水平藏尖结构，翼轨实际咽喉宽度为113 mm。与竖直藏尖结构对比，水平藏尖的心轨尖端降低值由23 mm提升至16 mm，心轨实际尖端至顶宽20 mm断面的长度为360 mm，薄弱区段的长度缩短了248 mm，对心轨竖向抗弯刚度和强度都有一定提升。

心轨一动位置为与锁钩配合，须将60AT1钢轨轨腰由44 mm宽加工至32 mm宽，与锁钩接触面为R16弧面。短心轨与长心轨密贴区段，由于长短心轨均由60AT1钢轨加工，两钢轨等高，须切削密贴部分的轨底，一般的切削方式如图7（a）所示，保证长心轨轨底短肢少加工。短心轨采用爬坡式配合结构，配合面为R25弧面，该结构在实际加工中公差不易控制，因此在研线1910的设计中，采用切轨底式配合结构。短心轨非工作边轨底切削至轨腰等宽位置，长短心轨轨底部分保留1 mm离缝，轨腰中间插入2 mm垫片，保持长短心轨整体性。

心轨轨顶设1∶40轨顶坡，长短心轨工作边轨头侧面采用斜度为1∶8的直线顺接68 kg/m钢轨加工廓形。短心轨非工作边加工廓形由既有的垂直密贴变为1∶8倾斜密贴，如图7所示，增加短心轨尖端轨头厚度，防止长短心轨密贴力过大，损坏短心轨尖端。叉跟尖轨设1∶40轨底坡，非工作边与短心轨工作边轨距线下1∶4补充刨切密贴区段，采用斜度为1∶4.47的直线加工，叉跟尖轨工作边轨头侧面按照1∶4斜度加工。

图7 短心轨尖端断面（单位：mm）

大号码道岔导曲线终点通常位于可动心轨辙叉短心轨后段，因此轮对在通过辙叉侧股时，无护轨作用的区段钢轨件侧磨较严重。根据可动心轨辙叉多年的运营经验，列车顺向通过为主时辙叉趾端磨耗较快，逆向通过为主时叉跟尖轨尖端磨耗较快。可动心轨辙叉单独更换轨件技术难度大，整组更换成本极高，因此研线1910的护轨设计为2段，如图8所示。侧向护轨总长为9 300 mm，用于防止辙叉趾端及心轨侧磨，叉跟防磨护轨总长为5 800 mm，用于防止叉跟尖轨尖端侧磨。依据几内亚西芒杜矿山铁路机车车辆选型数据，轮对内侧距为1 347 mm，护轨轮缘槽相应控制位置需加宽3 mm。

图8 可动心轨辙叉侧向护轨设置示意

5 扣件系统

扣件系统采用预埋铁座分开式C6型弹条无螺栓扣件，如图9所示。扣件的结构特点为：铁垫板通过混凝土枕上预埋铁座扣压，钢轨通过铁垫板上焊接铁座扣压，弹条可直接插入铁座，无需螺栓固定，铁座与弹条后肢有自锁结构防止弹条脱落；钢轨下设轨下垫板缓冲，铁垫板下设弹性垫层提供弹性；板上铁座与钢轨之间设有轨距块，可直接调整轨距，预埋铁座和铁垫板之间设绝缘轨距块，用于绝缘并调整铁垫板横向位置；弹条和铁座之间的特殊设计可有效防止过大横向荷载作用时钢轨倾覆。在美国TTCI重载试验线进行试用考核，基本可满足40 t轴重重载线路使用要求［5］。

图9 预埋铁座分开式C6型弹条无螺栓扣件

基本轨内侧采用弹性夹扣压，其中转辙器基本轨除弹性可弯段设2组长度为380 mm弹性夹外，其余采用长度为320 mm的弹性夹扣压，护轨基本轨均采用长度为380 mm弹性夹扣压，如图10所示。

图10 弹性夹扣压方式

6 锻压结构设计

AT轨和TY轨为了与前后的普通标准钢轨连接，采用模型锻造的工艺方式实现2种轨型端头顺接。根据锻压成型断面的图形，利用软件分别对2种轨型的锻压成型进行仿真模拟，并对锻压成型方案模拟结果进行分析。

60AT1钢轨锻压为68 kg/m钢轨的锻压成型与锻压为60 kg/m钢轨基本类似，可行性高，须采用整体模腔成型的模具进行锻造并理化检验，锻压过渡段如图11（a）所示。TY钢轨锻压为68 kg/m钢轨时因2个截面有较大区别，过渡段设置如图11（b）所示，在模拟前期须根据金属量对60TY翼轨金属量进行适当的去除，在满足成型的基础上减少锻压成型的难度。因此对翼轨趾端工作边进行了加工，由全断面钢轨逐步过渡至与68 kg/m钢轨等宽状态，再进行锻压。