无碴无枕铁道线路固轨装置的研制

周 恒，李桂君，韩延勤

（兖州煤业股份有限公司铁路运输处，山东 邹城273500）

1 铁路专用线无碴无枕铁道线路存在的问题

兖矿集团自营铁路全长约196km，其中大凫线、邹南线、东滩线、大机线、大兴线、济东支线等线路咽喉地段都要通过无碴无枕桥, 无碴无枕桥上铁道线路关系着矿区铁路运营安全。目前，铁路专用线的无碴无枕铁道线路的钢轨固定一般采用以下三种简易固轨设施：铁垫板及焊接加长螺旋道钉、预埋混凝土预制块、直接在混凝土道床或桥梁上钻孔锚固等。随着铁道线路运营年限的增加，列车对线路的破坏程度加剧，上述简易固轨设施在长期使用中存在着诸多问题：锚固深度、固轨强度不足，铁垫板易松动及开裂、加长螺旋道钉易生锈折断，混凝土预制块、混凝土道床及桥梁水泥面易馈烂、碎裂等多种问题，造成无碴无枕铁道线路压馈、扣件固定不牢，线路的几何尺寸变化较大，线路轨距超限和方向、高低不能保持等严重病害。日常维修虽然在凹陷处采取一些措施, 如垫胶垫或垫快硬水泥砂浆，但均不能解决根本问题，无碴桥上线路但都处于咽喉地段，一旦出现扣件失效等病害日常线路维修作业无法治理，直接危及铁路行车安全。

2 研制无碴无枕铁道线路固轨装置的必要性

目前，市场上没有针对铁路专用线无碴无枕线路的专用固轨装置，如果采用对无碴无枕线路大修方式进行治理，需要将线路全部拆除、混凝土预制块重新浇筑或在桥上重新制安锚固，上述方式工程造价高、施工难度大，同时还需要长时间中止铁路正常运行，致使影响各矿煤炭外运，严重时可能影响矿井的正常生产。如何解决铁路专用线无碴无枕铁道线路存在的病害问题，消除线路存在的安全隐患，确保铁道线路安全、持续、稳定运行，是工程技术人员亟需解决的问题。根据铁路专用线运行及现有固轨设施配件情况，本着安全可靠、简单易行、经济适用的原则，设计、研制一种新型固轨装置，代替原铁路专用线简易固轨设施，既能加强轨下砼承载力，又能使无碴无枕线路保持轨距、高低、水平，最终可根治存在安全隐患，确保铁路专用线安全运输，达到“安全隐患及时治理，拓展线路养护作业范围；不中断铁路运输，保证煤炭正常外运”的目的。在充分调研、论证的基础上，课题组设计、研制一种适用于铁路专用线的“无碴无枕铁道线路固轨装置”（以下简称“固轨装置”），确保无碴无枕线路安全、可靠运用。

3 固轨装置的设计方案、组成及安装

3.1 设计方案

为根治矿区铁路无碴无枕线路存在的安全隐患，本着安全可靠、技术可行、经济适用的原则，通过大量调查、试验，确定研究科学合理的治理技术及适合于矿区铁路的新型固轨装置。首先，研究铁路专用钢制承轨槽垫板，代替原轨下压溃垫板既加强了轨下砼承载力，又能保持轨距，水平。根据矿区铁路常用P50 钢轨截面尺寸及线路正常轨距，改进设计、加工、制作无碴道床线路专用钢制承轨槽垫板，钢制承轨槽垫板采用球墨铸铁材质以增加强度，增加厚度；改进承轨槽垫板挡肩折角设计，垫板截面尺寸根据新JⅡ型砼枕承轨槽尺寸设计（如图1所示）。同时按照《铁路运输标准- 螺旋道钉》（TB564-1992）设计、加工制作M24×225 整体加长螺旋道钉代替原有普通螺旋道钉（如图1 所示）；首次采用高强度尼龙胶垫代替原有橡胶胶垫；结合既有铁路标准扣件的使用，形成一套完整的铁路专用线无碴无枕铁道线路固轨装置，最终实现快速、高效、高质量完成无碴无枕线路的病害治理，消除安全隐患、保障线路运用质量及行车安全。根据《铁路线路维修规则》及《煤炭工业铁路技术管理规程》的相关要求，无碴无枕桥上线路治理施工及技术标准如下：

1）轨距执行标准轨距1435mm。

2）线路轨面水平误差±4mm。

3）线路的轨向、高低偏差均不超过±4mm。

4） 扣件扭矩达到90～100kN，锚固螺栓扭矩180kN 以上，当锚固深度为120～160mm、锚固时间超过4h 时，地脚螺栓抗拔力58.0kN 以上。

3.2 固轨装置的组成

无碴无枕铁道线路固轨装置，由钢制承轨槽垫板、加长螺旋道钉、既有的铁路标准扣件（包括：I 型弹条、轨距挡板、挡板座、M24 螺帽及平垫圈）三部分组成（如图2 所示）。

图1 无碴无枕铁道线路截面及固轨装置示意图

图2 无碴无枕铁道线路固轨装置组成示意图

3.2.1 钢制承轨槽垫板

钢制承轨槽垫板厚度16mm（原有垫板厚度为14mm）、挡肩折角设计为120°，垫板截面尺寸根据新JⅡ型砼枕承轨槽尺寸设计，保证与弹条Ⅰ型扣件吻合，确保扣件、弹条、尼龙挡肩能压紧压牢，利于正常的线路养护作业。钢制承轨槽垫板（具体尺寸如下图3、图4 所示），采用厚度16mm 铁素体球墨铸铁板（QT450-10）加工制作，宽度为180mm、上表面长度为305mm、下底面长度为323mm,螺旋道钉开孔为φ30mm（比螺旋道钉直径大6mm，以便左右调整承轨槽垫板位置）、中心孔距214mm，承轨槽两侧斜面垂直高度20mm、水平长度为11.5mm、角度为120°（以便放置尼龙挡肩）、斜角中心按直径5mm 进行打磨处理。

图3 钢制承轨槽垫板平面图

图4 钢制承轨槽垫板剖面图

3.2.2 加长螺旋道钉

铁路专用线原有简易固轨装置采用两根φ24×195mm 常规螺旋道钉截断后焊接加长，造成螺栓强度下降，易出现生锈断裂的情况。根据应用实际，课题组重新设计了一次性加工成型的“加长螺旋道钉”（具体尺寸如图5 所示），尺寸M24×225，采用高强度10.9（Q235-A）型材加工成型，加工标准执行《铁路运输标准 - 螺旋道钉》（TB564-1992）。加长螺旋道钉上部螺纹为M24，基本尺寸应符合GB196 的规定，螺纹公差按GB197中规定的8g 制造；螺旋道钉下部螺纹为特M25.6×6-d24.0/25.6 螺纹，牙高为3.25-00.25mm；加长螺旋道钉进行实物拉力试验，当荷载为130kN 时，螺旋道钉不得拉断。加长螺旋道钉通过标准扣件将钢轨、高强度尼龙胶垫、承轨槽垫板与无碴无枕线路相连接（如图6 所示）。

3.2.3 标准扣件

无碴无枕铁道线路固轨装置还包括既有铁路标准扣件，由I 型弹条、轨距挡板、挡板座、M24 螺帽及平垫圈组成，上述铁路配件均属于标准件，不再描述。

图5 加长螺旋道钉

图6 承轨槽垫板、加长螺旋道钉与钢轨连接图

3.2.4 固轨装置的快速安装技术

为避免中断铁路运输，保障行车安全，需采用合理技术方案，确保各矿煤炭外运。安装固轨装置时采用隔一装一的治理方案，并采用快速锚固剂。安装时，首先钻出无碴无枕桥失效地脚螺栓，钻孔冲击钻钻孔深度180mm，螺旋道钉锚固长度160mm；用普通冲击钻扩孔成正三角形提高抗拔力，将孔内砼凿除并清理干净，用清水清洗钻孔，再用棉纱吸水干净。采用新型快速剂锚固地脚螺栓，用预埋螺栓固定工具将螺栓位置精确固定，把配置好的快速锚固剂缓缓倒入螺栓孔内，锚固螺栓。安装钢制承轨垫板，将线路走行轨移至垫板上，上紧轨道连接零件，恢复线路。

原有螺旋道钉采用硫磺锚固，熬制硫磺砂浆产生的烟气毒性较强污染环境，不符合当下的环保形势，采用了新型快速锚固剂，具有快硬、高强、微膨胀、冷操作施工和对环境无污染等特点。主要技术参数：扣件扭矩达到90～100kN，锚固螺栓扭矩180kN 以上，当锚固深度为120～160mm 时地脚螺栓抗拔力58.0kN 以上，经检验快速锚固剂达到了技术标准。

省去了硫磺锚固道钉时需要熬制加热工序，避免混凝土轨枕、桥枕因局部受热可能产生裂缝和降低道钉使用寿命。允许在-10℃以上气温环境下施工，直接掺水搅拌均匀后，倒入螺旋道钉预留孔，60分钟可以迅速凝固。硬化快、抗拔力高：道钉锚固后4h 抗拔力≥60kN。潮湿绝缘性能好，符合铁道应用标准要求，执行标准TB/T2093-2002。通过在泗河桥无碴无枕桥的应用及测试，证明了快速轨枕锚固剂能够满足强度要求，可替代硫磺砂浆锚固。

4 固轨装置的应用效果

该固轨装置通过在矿区铁路大兴线K6+653 及邹南线K5+093 (邹南线、大凫线、东滩线)共4 处无碴道床线路1 年多的持续应用，效果良好，完全实现了设计目的，有效解决了线路关键节点病害治理的问题，消除了因原有简易固轨设施长期使用易损坏、使用寿命短、不能牢固固定钢轨，造成线路轨距、方向、高低不能保持影响行车的安全隐患，满足了现场需要，提高了线路运用的安全性、稳定性，保障了铁路运输安全。该固轨装置设计科学合理、安全可靠、简洁实用、成本低、易实施，提高了无碴无枕铁道线路病害治理效率、质量，降低了维修成本。通过“无碴无枕铁道线路固轨装置”的成功应用，为同类条件下其它铁路专用线无碴无枕铁道线路病害治理具指导和借鉴意义，具备广泛的推广应用的价值。同时，课题组对自行设计、研制的“一种无碴无枕铁道线路固轨装置”申请了实用新型专利，已获得受理并通过了国家知识产权局审核。