高速道岔长心轨折断对辙叉状态的影响

易强 杨东升 杨亮 王树国

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

道岔是实现列车转线运行的关键设备，也是轨道结构中的薄弱环节。高速铁路道岔过车速度高，轮轨冲击剧烈，长期服役后轨件不可避免地存在疲劳损伤，在长期循环荷载作用下可能发展为轨件折断，严重威胁行车安全［1-2］。高速道岔号码较大，尖轨和心轨较普速道岔更长，转辙器区和辙叉区零部件也更多，因此高速道岔可动轨件发生折断的位置更加难以预测。此外，尖轨、心轨制造过程中需要对钢轨进行弯折以及非均匀机加工以实现变截面［3］，轨腰还需多处钻孔，多道加工工序使钢轨内部存在复杂的初始应力［4］。高速道岔可动轨件发生折断将导致道岔几何尺寸难以保持，因此开展高速道岔可动轨件折断对道岔状态的影响研究具有重要的工程意义。

高速道岔轨件伤损一直是铁路工务部门的关注重点，但目前的研究主要关注岔区轮轨接触导致的钢轨表面疲劳损伤，而对于轨件折断的研究相对较少。王平等［5］开展了基于弹性波传播的高速道岔尖轨断轨识别研究，对比分析了不同激励频率、尖轨断轨位置及密贴状态等因素对高速道岔尖轨弹性波传播特性的影响。苏跃斌［6］采用经验模态分解理论对道岔的随机响应信号进行分析处理，结合粗糙集理论和神经网络的建模方法，研究基于振动信号的高速道岔损伤识别。此外，基于声发射［7-8］、超声导波［9-10］等技术的高速铁路道岔轨件伤损识别技术也得到了广泛的关注和探索。目前，这些研究尚处于起步阶段，未能实现高速道岔轨件折断的精确监测。司道林等［11］开展道岔尖轨折断试验，在尖轨不同位置设置断缝，分析尖轨折断对钢轨错动以及道岔开行的影响，为道岔运营安全评估提供参考。

对于高速道岔长心轨，由于辙叉区零部件较多，还需考虑长短心轨配合。因此，本文开展辙叉区长心轨折断的试验研究，探究长心轨断裂对辙叉几何形位以及转换性能的影响规律。

1 试验方案

采用常用的客运专线18号高速道岔可动心轨辙叉进行试验，辙叉图号为客专线（07）004-Ⅲ。该型号可动心轨辙叉全长20 992 mm，翼轨采用轧制60TY1钢轨制造，长短心轨采用60AT2钢轨制造，叉跟尖轨采用60 kg/m钢轨制造。在工厂内的组装平台上对辙叉各部件进行组装，同时装配转辙设备，以确保与实际服役情况相符。

高速道岔辙叉零部件较多，长心轨存在多处薄弱断面，一旦发生折断，对高速列车行车安全造成严重威胁。因此，在长心轨不同位置设置断缝以模拟心轨折断，探明不同位置的折断对辙叉几何形位及其转换性能的影响。从长心轨弹性可弯段至心轨尖端依次设置1#—6#共6处断缝，如图1和图2所示。

图1 断缝设置

1#断缝距长心轨实际尖端7 895 mm，位于心轨固定端前轨底刨切圆弧（半径R=1 000 mm）位置，模拟长心轨弹性可弯段刨切起点处折断工况。2#断缝距长心轨实际尖端6 800 mm，位于24号和25号顶铁之间，模拟顶铁间长心轨折断工况。3#断缝距长心轨实际尖端2 000 mm，位于长短心轨第1和第2水平螺栓之间，模拟长心轨折断后仅有一颗螺栓与短心轨连接的工况。4#断缝距长心轨实际尖端1 820 mm，顶宽70 mm，模拟长心轨与短心轨配合段轨底刨切或长短心轨硬接触引起断裂的工况。5#断缝距长心轨实际尖端185 mm，心轨顶宽16 mm，模拟一动工电接口后端心轨轨底刨切圆弧（R=125 mm）存在加工缺陷引起心轨疲劳断裂工况。6#断缝位于第一牵引点前80 mm，模拟一动转辙机动作杆和表示杆之间心轨薄弱断面断裂的工况。

主要试验步骤（图3）如下。

1）在不锯切长心轨的条件下，对辙叉进行组装并调试至规范要求的状态；

2）拆除长心轨，按预设断缝位置锯切心轨；

3）对心轨断缝采用特制夹板固定，组装回辙叉后调试几何尺寸，并将辙叉转换至直向开通状态；

图3 试验步骤

4）拆卸夹板，测试心轨折断时的道岔几何状态；

5）进行转换试验，采集多次转换过程中扳动力曲线及折断心轨的几何状态；

6）再次组装夹板，转换至侧股开通状态模拟心轨折断并测试；

7）拆卸长心轨，并进行下一位置断缝试验。

对于5#、6#断缝，由于受转辙设备等因素的干涉无法安装夹板，因此锯切后直接将长心轨前端摆正，使之与翼轨保持自然密贴状态，多次转换试验结束以后再进行焊接。

试验中测试的数据包括辙叉几何状态以及转辙机扳动力。几何尺寸包括锯切后与多次扳动后的断缝位置钢轨错牙（轨顶错牙与工作边错牙）和断缝宽度。扳动力包括心轨折断前后转辙机扳动力。

2 试验结果及分析

2.1 长心轨折断对辙叉初始几何形位的影响

图4 断缝状态测试

如图4所示，首先将长心轨扳动至直向过岔方向，解除固定夹板后模拟轨件折断，测试长心轨发生折断时辙叉的初始几何形位；然后再重新安装固定夹板并扳动心轨至侧向过岔方向，模拟长心轨位于侧股时发生折断的情况，分析两种工况下长心轨折断对辙叉初始几何形位的影响。由于5#和6#断缝无法安装固定夹板，只对1#—4#断缝展开分析。

长心轨不同位置折断引起的辙叉几何形位变化见表1。

表1 长心轨不同位置折断引起的辙叉几何形位变化

由表1可知：

1）长心轨处于直股开通时，对于长心轨弹性可弯段刨切起点处的1#断缝，解开夹板后断缝前端长心轨向工作边偏移，断缝位置工作边错牙2.1 mm，同时长心轨产生翘曲变形，轨顶错牙0.7 mm，断缝宽度为2.1 mm；对于长心轨弹性可弯区域的2#断缝，解开夹板后断缝处钢轨工作边有少量错牙，约1.0 mm，两侧钢轨均无翘曲，断缝宽度约4.5 mm；3#断缝位于短心轨尖端第1与第2水平螺栓之间，长心轨在此处断裂后与短心轨仍有一颗螺栓连接，几何位置与正常轨件无异；对于长心轨与短心轨尖端密贴位置的4#断缝，长心轨折断后工作边直线度能得到保证，但轨顶错牙2.6 mm，断缝宽度1.5 mm。可见，1#断缝导致的工作边错牙最大，4#断缝导致的轨顶错牙最大，1#、2#、4#断缝均导致明显的轨缝，3#断缝位置由于有心轨螺栓约束，无明显错动。

2）长心轨处于侧股开通时，折断导致的错牙以及轨缝宽度明显降低。

综上，除3#断缝外，其余位置长心轨折断均造成严重错动或轨缝，影响行车安全。此外，折断后长心轨与滑床板最大离缝为2.3 mm，由长心轨前端的下拉作用引起。

2.2 长心轨折断对道岔转换性能的影响

在辙叉多次转换后，分别对断缝处的错牙、断缝宽度进行测量，同时记录转辙机扳动力。

2.2.1 多次转换后辙叉几何形位变化

考虑两种工况：①直股工况，指初始状态为长心轨处于直股开通，反复扳动后，仍回到直股开通状态进行测量；②侧股工况，指初始状态为长心轨处于侧股开通，反复扳动后，仍回到侧股开通状态进行测量。

辙叉多次转换后1#—4#断缝引起的辙叉几何形位变化见表2。

表2 多次转换后辙叉几何形位变化

由表2可知：

1）对于1#断缝，直股工况下辙叉多次转换后工作边错牙、轨顶错牙、断缝宽度分别增至6.5、1.1、3.1 mm，侧股工况下多次转换后分别增至6.7、1.1、3.1 mm，两种工况下几何形位差别不大。

2）对于2#断缝，直股工况下辙叉多次转换后工作边错牙、轨顶错牙、断缝宽度分别增至4.7、0.3、4.5 mm，侧股工况下辙叉几何形位与直股工况接近。

3）对于3#断缝，由于短心轨之间螺栓连接，辙叉几何形位与正常轨件无异。

4）对于4#断缝，由于处于两个牵引点中间，辙叉多次转换后断缝处错位严重，直股工况、侧股工况下工作边错牙分别高达29.5、55.5 mm。

5）对于5#断缝，经过多次转换后心轨尖端开口增大至20 mm，并且还存在心轨断缝前端后移导致断缝处干涉卡阻的情况。

6）对于6#断缝，长心轨前端保持原位，不随转换发生运动。

综上，长心轨折断情况下，辙叉进行多次转换后断缝处错牙及断缝宽度增大，长心轨初始状态为直股开通或侧股开通对多次转换后的辙叉状态影响不明显。

2.2.2 长心轨折断对转辙机扳动力的影响

长心轨在不同位置折断时转辙机扳动力见表3。

表3 断轨前后转辙机扳动力

可知：

1）对于1#断缝，断轨前后一动转辙机扳动力变化不大，均为1.0 kN；二动转辙机扳动力略有增加，由4.3 kN增至4.6 kN。这是因为长心轨存在初始应力，折断后向工作边偏移，导致转辙机扳动力增大。此处发生折断时，电务转辙机拉入、伸出均有表示，虽然有钢轨存在错牙但不影响电务转辙机工作，因此无法从转辙机信号中发现长心轨折断。

2）对于2#断缝，断轨前后一动转辙机扳动力变化不大，由1.1 kN减至0.7 kN；二动转辙机扳动力有所增加，由4.2 kN增至4.4 kN，这主要是受长心轨内部初始应力影响。此处发生折断时，电务转辙机拉入、伸出均有表示，也无法从转辙机信号发现长心轨折断。

3）对于3#断缝，因与短心轨螺栓连接，断轨对辙叉几何尺寸无影响，断轨前后一动、二动转辙机扳动力差别不大，电务转辙机均有表示。

4）对于4#断缝，断轨后一动转辙机扳动力明显增大，由1.0 kN增至3.5 kN，这是因为断轨后长心轨前端错位，一动表示杆无表示，导致一动转辙机持续动作。长心轨在此位置发生折断时一动电务转辙机无表示，因此能及时发现病害并进行抢修。

5）对于5#断缝，断轨后一动、二动转辙机扳动力明显增大。一动转辙机扳动力由1.0 kN增至4.4 kN，这是因为折断后长心轨前端错位，一动表示杆无表示，导致一动转辙机持续动作，扳动力增大；二动扳动力由3.0 kN增至7.0 kN，这是因为断轨后长心轨无法密贴，导致二动转辙机持续动作。虽然辙叉几何错位较大，但电务转辙机无表示，能及时发现病害。

6）对于6#断缝，断轨后一动转辙机扳动力有所减小，二动转辙机扳动力变化不大。在此处折断时，长心轨前端保持不动，对后端转换无影响。但此时一动表示杆保持原位，转辙机无表示，能及时发现病害。

综上，长心轨在4#—6#断缝位置（长心轨尖端至短心轨尖端范围内）折断后转换过程中转辙机无表示或扳动力明显异常，可通过转辙机信号发现轨件折断；而在1#—3#断缝位置（长短心轨配合段至跟端范围内）折断后无法根据转辙机信号进行判断和报警。

3 结论

1）长心轨折断后，高速道岔辙叉几何形位变化与断缝位置以及初始状态有关。长心轨初始状态为直股开通时，长心轨弹性可弯段、长短心轨密贴位置发生断裂会导致道岔产生明显错牙和断缝，而短心轨尖端第1与第2水平螺栓之间对应位置的长心轨发生断裂基本不会导致辙叉几何形位变化。长心轨初始状态为侧股开通时，断轨导致的错牙以及断缝宽度明显降低。

2）轨件折断后再次扳动道岔将导致断缝进一步劣化，工作边错牙、轨顶错牙、断缝宽度均有所增大，其中长心轨与短心轨尖端密贴位置发生断裂时，多次转换后工作边最大错牙达到55.5 mm；对于一动工电接口后端心轨轨底圆弧位置轨件断裂工况，多次转换后心轨尖端开口量达到20 mm。

3）在长心轨尖端至短心轨尖端范围内发生轨件折断时，可从转辙机扳动力及表示信号判断轨件状态；在长短心轨配合段至跟端范围内发生折断时，转辙机扳动力无明显变化，无法从电务信号中发现病害。