无砟轨道道岔曲尖轨及可动心轨疲劳伤损成因与维护措施研究

王建国

摘要 随着高速铁路的不断发展，道岔鱼鳞纹病害已成为大家关注的焦点。京哈高铁大站场侧的道岔鱼鳞纹多发生在无砟轨道道岔上，是正线道岔进入到发线的逆向道岔的曲尖轨上。曲尖轨和可动心轨是无砟轨道道岔上比较常见的轨道形式，文章针对无砟轨道道岔曲尖轨疲劳裂纹和可动心轨疲劳伤损形成的原因进行分析，提出解决的措施。

关键词 高速铁路;道岔;曲尖轨;可动心轨道岔;滚动接触疲劳;道岔维修

中图分类号 U213.244 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0077-03

0 引言

我国高铁开通10余年来，高速道岔病害开始逐步出现，CN系列、客专系列道岔长心轨、翼轨、转换凸缘、间隔铁等部位发生多起伤损，影响了列车运行秩序，危及行车安全。高速道岔中曲尖轨和可动心轨是道岔的重要组成部分，具有结构复杂、受荷载作用大、病害多发等特点。可动心轨也是工务和电务管理的交叉点，维护难度大。基于轨道线路的重要性和易出现疲勞伤损等病害特性，建设单位和施工单位除应采取多种有效措施防止或减少无砟轨道出现裂缝伤损外，还应在无砟轨道出现裂缝后及时采取措施对损伤进行治理并加强伤损修复处的监测，降低伤损的复现概率，为列车的安全运行提供可靠的线路保障。

1 无砟轨道概述

与传统有砟轨道相比，无砟轨道因其可靠性高、轨下基础和运营条件适应性强、耐久寿命长、施工灵活、平稳性好和维护量小等优点，现已广泛应用在我国新建轨道交通建设中。但由于无砟轨道在我国的使用时间较短，在设计、施工和运营维护等方面还不太成熟等，无砟轨道道床弹性差、刚度强，无砟轨道在运营一段时间后较易出现裂缝等伤损问题。

2 京哈高铁道岔伤损

高速铁路无砟轨道中无砟道岔是薄弱环节，无砟道岔应用时间较短，在日常养护中没有太多的经验可以借鉴，在京哈高铁几年的养护维修过程中，整体状态良好，但是近期在检查中发现道岔曲尖轨出现不同程度的侧面磨耗，特别是大站场侧出道岔曲尖轨侧磨尤为严重，有部分曲尖轨侧面磨耗达4 mm以上，已列为重点监控对象，通过长期的观测及监控分析，发现侧向进站道岔辙叉短心轨、岔跟尖轨顶面与作用边易产生鱼鳞伤，并形成剥落掉块，这些问题严重影响到了高铁设备安全，导致高铁运营也存在极大的安全隐患。

尖轨侧磨、鱼鳞纹较多的地方主要集中在正线道岔进入到发线的逆向道岔的曲尖轨上，通过监测发现曲尖轨新上线后第8～10天，尖轨跟端、导曲轨即出现细微、肉眼可见的鱼鳞伤，随后损伤迅速发展，长度、深度、密度均有所增加。后期表现为轨头压溃、垂磨、侧磨等病害，其中压溃多出现在曲基轨及导曲下股，尤以第一转辙机至辙叉间部分发展严重。

根据观察结果，大站场侧出道岔鱼鳞伤的发展趋势如下：

（1）大量流量，背面的火车和火车进入车站的传统制动使铁路轨距角在短期内出现斜裂缝，鱼鳞发展速率大于列车的磨损速度。但初始一般深度不深，只有1～2 mm。

（2）倾斜裂缝在早期发展迅速，但形成一定状态后，发展速度相对滞后。

（3）当钢轨塑性变形向流线方向扩展并达到一定深度时，在水平剪应力的作用下形成水平帽。随着水平帽的不断膨胀，部分钢轨表面脱落，其方形方向与行驶方向一致。接头冒沿在初期发展较快，出现冒沿后在迎车端钢轨作用边一侧有明显增长，后进入发展变缓阶段。同时，在非迎车端侧出现冒沿，由单侧演变发展为双侧。

3 曲尖轨裂纹成因分析

根据高速铁路道岔设计图纸控制断面，采用钢轨廓形仪分别对我国某高速铁路两组客专线60轨18号道岔曲尖轨尖端、顶宽3 mm、5 mm、20 mm、35 mm、50 mm和72 mm断面位置的曲尖轨-基本轨组合廓形进行了测量。两组道岔分别为逆向-侧向进岔和顺向-侧向出岔，列车侧向过岔最高速度80 km/h，根据综合检测车测力轮对实测速度68～73 km/h，测试时距离上道时间约3个月，每天通过列车5～7对，通过总重有限，可认为道岔钢轨未发生明显磨损。

3.1 无砟轨道道床弹性差，刚度强

综合来看，曲尖轨在顶宽20～50 mm区域均可能形成疲劳裂纹，且应根据1、2位轮对外轮对曲尖轨不同控制断面的疲劳指数来确定其对裂纹形成的贡献[1]。此外，现场观测表明，高速道岔转辙区钢轨磨耗随着服役时间的增长逐渐趋稳，这为曲尖轨疲劳损伤的累积提供了条件：在道岔服役初期，磨耗发展快，钢轨表面和亚表面疲劳损伤来不及累积到临界值便被磨耗掉;当磨耗逐渐趋稳，廓形变化较小时，钢轨表面和亚表面疲劳损伤不断累积直至达到临界值，形成疲劳裂纹（如图1～2）。

3.2 道岔结构性原因

还有的时候是因为道岔结构性原因，根据规定，尖轨与基本轨顶面高度偏差不大于1 mm。尖轨降低值超限会影响车辆通过道岔时的动力特性、轮载转移和轮轨接触情况。京哈高铁道岔的导曲部分是圆曲线型的，但它不像曲线设有超高，（18号道岔圆曲线半径是1 100 mm）列车通过时对道岔的导曲上股及曲尖轨产生较大的横向力。针对超高的问题，在设置曲线超高的时候有外轨抬高法和线路中心高度不变法两种方法。“设置超高时，最理想的方法是将超高值之半在里股钢轨向下落低，而将另一半在外股钢轨向上抬高，这样设置的超高可使车辆通过曲线时，其重心高度几乎不变，从而避免了不必要的上下振动。”在京哈高铁的养护维修过程中有利用这个原理进行实践过，发现整治10 mm左右的曲线超高效果明显，特别对反向曲线夹直线的晃车非常好，对条件允许夹直线上最好有20 m左右的过渡平台，不允许就在夹直线长度一半上，两边同时顺坡，顺坡率不大于0.6‰。借用设置曲线超高的线路中心高度不变法，去处理辙叉上的鱼鳞纹效果明显。

除了超高的问题，在道岔区还存在侧向辙叉部水平整体低于护轨一侧曲下股的水平，导致曲线反超的现象。针对这个问题可以采取以下方式：

一撒：是撤出辙叉部曲下股调高垫板3～5 mm，在撒板段两侧做好顺坡，这样就能减小车轮对辙叉的横向冲击，缓解鱼鳞纹的发展，提高设备质量。二改：是改正曲下股轨距，达到按标准轨大1 mm左右，不要有小轨距，道岔侧向导曲部分下股轨距小易形成辙叉鱼鳞纹。三必保：是在检查或作业中，必须保证道岔辙叉部位的水平，一定要曲下股低于辙叉，这样能减少鱼鳞伤的形成。

3.3 曲尖轨低于曲基本轨，使曲尖轨承受更大的离心力

目前有一些高速铁路的道岔区段养护维修质量不高，曲线超高的设置矛盾颇多。一些无砟轨道道岔的曲尖轨低于曲基本轨，使曲尖轨承受更大的离心力，从而产生了裂纹[2]。一般尖轨和基本轨是一样高的（尖轨头上比基本轨略低），但是在京哈高铁支线进行维护过程中有见过因为时间长而导致轨道变形后导致尖轨会比基本轨高，这样的道岔很容易让机车轮缘跳上轨面导致机车脱轨。必须保证道岔曲尖轨的水平高于曲基本轨。具体的话是将道岔曲尖轨一侧垫入2 mm的调高垫板，这样能减小列车通过时车轮对尖轨的冲击，最好是垫高曲尖轨尖端至导曲上股绝缘接头处（58根枕木上），道岔直股两端按不大于0.6‰，做好顺坡。

3.4 道岔弯折点尺寸存在问题

道岔曲基本轨的弯折是为了适应尖轨尖端方向的突变和转辙部分轨距递减率较大而设置的。必须做到恰到好处，弯折过大或过小，都会造成转辙部分方向不良，轨距超限，导致列车摇晃。因为岔曲基本轨弯折处，就像曲线的额头一样，是产生晃车的源头，弯折点尺寸不好，使列车通过时产生的车轮横向阻力增大。道岔养护过程中，如发现转辙部分轨向不良，轨距难以保持的情况就需要对尺寸进行检查，发现有出入，可以改正曲下股弯折点处的弯折尺寸及轨距，做到按标准轨距1 435 mm，减少车轮的横向冲击力，还可以用弯轨器对弯折量进行调正，以达到根治道岔病害的目的。

4 可动心轨伤损案例及原因

4.1 CN系列道岔翼轨折断的原因

CN系列道岔翼轨由普通60 kg/m钢轨制造，客专道岔翼轨采用TY特种断面。在车轮通过可动心轨时在翼轨上过渡，翼轨受到轮对横向向外的力量，导致翼轨有向外倾覆趋势，故安装轨撑，以提高结构的整体性。为保证列车通过道岔时乘客乘坐的舒适性，客专道岔采用将翼轨加高2 mm设计。客专道岔采用合理的可动心轨结构形式以改善轮轨接触关系，提高列车过岔平稳性和安全性，延长道岔使用寿命。结构不平顺造成轮轨在可动心轨区剧烈的相互作用。随着翼轨向外弯折，轮轨主要接触区域开始外移，客专18#道岔心轨顶宽50 mm处的心轨降低值为0，此时翼轨向外侧弯折50 mm，所以其翼轨上的轮轨主要接触点也会相应地向外侧移动50 mm，导致列车轮对质心向心轨移动，增大作用力。

4.2 客专道岔长心轨折断的原因

客专道岔长短心轨之间设有夹片，以保证长短心轨密贴。转换过程中，长短心轨会发生一定的相对位移，由于相互摩擦，夹片滑入长心轨弹性轨底，并嵌入长心轨轨底与滑床台板之间，导致长心轨受力不均匀，从而产生裂纹，裂纹沿螺孔向上发展最终折断。通过减小长心轨刚度，增加其横向摆动的弹性，形成悬臂梁结构，在螺栓孔等薄弱处出现疲劳伤损。客专系列道岔长短心轨为拼接结构，采用螺栓连接，可动心轨在定位和反位转换过程中有位移相错量，将长短心轨之间调整缝隙的调整片磨薄，滑向长心轨底部，垫在滑床台上，导致长心轨受力发生变化而折断。

4.3 可动心轨间隔铁拉断的原因

可动心轨部位间隔铁为了传递区间与站内股道温度应力，在结构上采用扭力矩为900～1 100 nm的螺栓，螺栓和间隔铁连接处采用胶接方式增强结构强度。为保持心轨整体性，固定长心轨与翼轨、岔跟尖轨与翼轨，以提高整体框架结构强度。锁定轨温是无缝线路辅铺设和养护维修的依据。在新线建设过程中，施工单位如果未按无缝线路和道岔锁定要求施工，设备管理单位提前介入不及時，就会造成无缝道岔未按要求温度锁定。由于该道岔在冬季铺设和锁定，夏季轨温过高就造成道岔内部温度应力过大，从而导致间隔铁拉断。该组道岔违背相关标准，造成无缝道岔设计锁定轨温与两端区间无缝线路设计锁定轨温不一致，无法满足跨区间无缝线路允许温升与温降要求。

5 高铁道岔养护维修措施

5.1 定期巡查线路

严格按照每周1次巡查道岔结构，做到巡查项目全覆盖。道岔间隔铁、限位器连接螺栓、护轨螺栓、长短心轨联结螺栓、接头铁螺栓应保持齐全、作用良好，折断时必须立即更换。道岔同一部位只有2条螺栓或接头铁螺栓有1条缺少或折损时，应停止使用。顶铁、心轨防跳铁和心轨防跳卡铁等各部位联结和固定螺栓变形、损坏或者作用不良时，应进行修理或更换，并从设计源头，结合道岔轮轨关系受力特点进行分析，及时补充原厂配件。

5.2 加强探伤检测

探伤时将方木置于长心轨与翼轨中间，做好安全防护。利用K1探头、K2.5探头结合手锤和反光镜检查，当探头探测出现疑似波形，分析仪器屏幕上显示水平位置、深度、辐射当量值时，确认波形位移量，结合手摸、尺量、眼看确认出波位置，判断是伤波还是缺陷波。比照焊缝探伤判伤标准，即轨底达到大于或等于直径4 mm竖孔当量时，判重伤;小于上述标准时，判为轻伤。

5.3 整体更换

可动心轨利用大部件更换时，可以整体更换可动心轨。整体更换有以下好处，首先，心轨和翼轨整体更换利于保持可动心轨结构的整体性和各部结构匹配。其次，整体更换仅需将可动心轨前后基本轨和渡线M30岔枕螺栓拆卸后原位换装即可，标准化原装设备可提高电务、供电设备更换效率。第三，可以提高机械化程度，减少人工操作，也便于积累可动心轨更换经验，推广工法[3]。施工完成后，对现场设备技术状态进行联合回检，达到放行列车条件，方可开通线路。

5.4 盘活备用料并加强技术攻关

设备管理单位须高度重视培养高技能人才，加强道岔备用材料管理，可以将备用道岔铺设在实训场，这样一来可以有效地保护道岔配件及其结构，另外还可以详细地掌握已消耗道岔配件种类和数量，便于及时补充;另外将备用道岔铺设在实训场可以综合地进行利用，进行职工的培训，提升职工职业技能水平，开展技术攻关。

6 结语

道岔是铁路轨道的重要组成部分，是铁路线路中最薄弱的设备之一。由于无砟轨道施工工艺简单、整体程度高，能广泛适应不同工程基础结构的施工要求，因此在我国轨道交通项目建设中被广泛应用推广。然而无砟轨道因受到各种因素的影响而出现损伤问题，给列车的安全运行带来严重隐患。因此，建设单位和施工单位应加强对无砟轨道曲尖轨及可动心轨疲劳伤损的管理监督，确保无砟轨道具有较高的RAMS性能，并在运营过程中增大对无砟轨道的状态监测密度，确保及时发现疲劳损伤问题。

参考文献

[1]黄传岳，温浩，杨怀志，等.高速铁路道岔区无砟轨道伤损现状及分类研究[J].铁道建筑，2019（6）：117-122.

[2]汪爱东，汪凤弟，韦庭三.城市轨道交通道岔伤损原因分析及整治措施研究[J].现代城市轨道交通，2019（7）：77-79.

[3]王猛，杨东升，司道林.重载铁路道岔关键技术研究与应用[J].中国铁路，2020（5）：110-115.