大秦鐵路用75 kg/m鋼軌18號翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉的結構設計和使用

蔣 昕

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院,北京 100055)

1 概述

重載運輸是國際上公認的鐵路貨物運輸的有效方式之一,大秦鐵路是中國第一條雙線電氣化開行重載單元列車的運煤專線,具有重(開行重載列車)、大(大通道、大運量)、高(高質量、高效率)的特點。2012年運量達到4.5億t,重載列車開行數量、密度均達到世界先進水平,這就對鐵路軌道結構提出了更高的要求,作為軌道結構中重要設備的道岔也面臨著與之適應的新課題。

大秦鐵路開行萬噸重載列車,高錳鋼轍叉平均壽命僅為1～1.5億t通過總重,而可動心軌轍叉的平均壽命僅為1.5～3億t,且養護維修的工作量大,更換軌件十分困難,必須依靠較長的天窗時間才能完成,增加了工務部門的養護維修工作量。因此研制高強度、高韌性、高耐磨的長壽命轍叉已是當務之急。為配合大秦鐵路技術改造,針對大秦鐵路重載運輸條件的特點,吸收了近年來合金鋼轍叉的成熟經驗,采用翼軌鑲嵌合金鋼式組合的結構形式,開發了75 kg/m鋼軌18號固定型合金鋼轍叉,利用合金鋼材料良好的力學性能延長轍叉使用壽命,結構合理,效果良好。

2 設計原則

(1)轍叉能夠適應25 t軸重貨車以V≤90 km/h速度通過的運行條件。

(2)轍叉預留高錳鋼整鑄轍叉的互換條件。

(3)轍叉趾、跟端設1∶40的軌底坡,可以和線路平順連接。

(4)扣件采用彈條Ⅱ型扣件。

(5)轍叉能夠適應無縫化的要求。

3 結構設計

3.1 翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉整體結構(圖1)

翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉主要包括以下幾部分：合金鋼叉心、翼軌、合金鋼翼軌鑲塊、叉跟軌、間隔鐵、鐵墊板、高強螺栓、彈性扣件、軌下及板下墊層等部件組成。

圖1 翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉整體結構

3.2 合金鋼鍛造叉心

合金鋼叉心采用強度高、韌性好、耐磨性強的合金鋼鍛造并機加工,見圖2。叉心經過鍛壓,其材質質密均勻,避免因材質內部缺陷造成轍叉破損,另外合金鋼鍛造叉心磨耗均勻,不存在高錳鋼初期快速磨損階段。

圖2 合金鋼叉心

3.3 翼軌與合金鋼翼軌鑲塊的設計

(1)翼軌

由75 kg/m U75V鋼軌加工制造,見圖3。為了保證轍叉咽喉處合金鋼翼軌鑲塊能夠單獨承擔車輪荷載的能力,減小翼軌的彎折角度,翼軌的刨切起點取在咽喉前,這樣也可避免因彎折角度大造成彎折點處垂直裂紋,同時也保證了車輪在離開翼軌前鋼軌軌頭沒有被削弱。

圖3 翼軌

(2)合金鋼翼軌鑲塊的設計

由于大秦鐵路特殊的運營條件,早期使用的合金鋼拼裝轍叉,翼軌采用的是U75V鋼軌,而心軌是合金鋼,心軌的強度高于翼軌,表現在翼軌磨耗嚴重,為解決普通翼軌強度和壽命較低的問題,翼軌上鑲嵌部分合金鋼,提高了翼軌強度和使用壽命,實現了心軌和翼軌等壽命。

翼軌軌頭與合金鋼鑲塊貼合面處采用貼尖式,為防止輪緣沖擊,貼合面的前端采用適當降低值。見圖4。

圖4 合金鋼鑲塊尖端

合金鋼鑲塊沖擊段的末端采用鑲尖式,這是考慮當采用貼尖式時,因采用降低值而斷線,造成輪背二次沖擊。

(3)翼軌與合金鋼翼軌鑲塊組合后頂面坡度設計(圖5)。

圖5 翼軌與合金鋼翼軌鑲塊組合

列車在經過轍叉時,錐形車輪由翼軌滾向心軌時,因車輪逐漸離開翼軌工作邊,使車輪逐漸下降(在對心軌寬10、20 mm處),當車輪踏面完全滾過心軌后,車輪又回升到原來的高度。反之車輪由心軌滾向翼軌時,情況也是如此。因此輪對經過轍叉時,必然會使車體發生振動和搖擺。而且這種情況隨著翼軌和心軌的磨耗而加劇,因此改善輪軌匹配關系是提高轍叉使用壽命的有效措施。為改善列車通過轍叉的運行條件,普通合金鋼拼裝轍叉是將翼軌從咽喉部位開始縱向頂彎抬高6 mm,而本設計不將翼軌作縱向頂彎,翼軌加高是由合金鋼鍛造翼軌來完成。當輪對由心軌滾向翼軌時,首先合金鋼翼軌鑲塊承載輪對,然后逐漸過渡到鋼軌上。見圖6。

圖6 合金鋼翼軌鑲塊頂面坡度(單位：mm)

關于心軌與翼軌接觸輪對的受力分配是設計的難點,由于輪對在心軌與翼軌轉移時的受力分配較為復雜,心軌與翼軌之間的高差,直接影響到2個部件的使用壽命。經過長期研究論證采用了合理匹配的縱坡設計。從實際運營的光帶和磨損來看,心軌與翼軌的受力部位較為均勻,沒有出現偏磨的情況,見圖7。

為保證咽喉處翼軌單獨承擔車輪荷載的能力,在有害空間的受力區域和接觸力最大的部位,考慮到車輪和鋼軌的真實幾何形狀和邊界情況,取翼軌的最寬處為66 mm。

圖7 心軌、翼軌受力光帶

(4)叉心和合金鋼翼軌鑲塊沉孔設計

為了避免因升降溫產生的溫度力直接作用到螺栓上,在叉心工作邊兩側設計了3個φ80 mm的沉孔,合金鋼翼軌鑲塊也設計了6個沉孔,與間隔鐵上的凸臺鑲嵌在一起,,將力直接傳遞到翼軌,避免螺栓直接受力,見圖8。

圖8 叉心和合金鋼翼軌鑲塊沉孔

3.4 叉心與叉跟軌部分

叉心與叉跟軌的連接方式采用鑲尖式,鑲尖式在拼接處將叉心跟部切成弧形缺口,同時叉跟軌頭部也削成相應的形狀,鑲在缺口中。這種方式,可保持叉心工作邊為一連續的直線,避免了輪背二次沖擊。在叉心的跟部做成喇叭口,具有限制叉心與叉跟軌相互移動的作用。

3.5 間隔鐵及螺栓的布置

間隔鐵和高強度螺栓是保證整個轍叉使用性能的重要部件,轍叉共設置22塊間隔鐵,材料為鑄鋼,采用28根M27、10.9級高強度螺栓和10級的防松螺母組裝聯結,提高了轍叉整體框架剛度,最大限度地減小轍叉各部件的相對位移,保證轍叉的整體性。螺栓扭矩為1 100～1 200 N·m。

3.6 軌底坡設置

為了與線路平順連接,轍叉趾、跟端設1∶40的軌底坡,轍叉趾端的軌底坡是由翼軌前接頭夾板后250 mm扭轉過渡,跟端軌底坡是由叉跟軌接頭夾板前250 mm扭轉過渡。

3.7 鐵墊板設計

采用焊接墊板,轍叉墊板厚度為26 mm,寬度200 mm。

3.8 螺栓的防松

由于各連接螺栓均為高強度螺栓,且扭矩較大,因此螺栓的防松應主要靠螺栓的緊固力提供。轍叉組裝時應嚴格按工藝規程安裝螺栓,確保轍叉使用過程中螺栓不松動。

3.9 轍叉部分軌下及板下墊層

鋼軌下設5 mm厚橡膠墊板,鐵墊板下設10 mm厚橡膠墊板。

4 主要創新點

首次采用鑲嵌式合金鋼轍叉,利用合金鋼材料良好力學性能,可提高轍叉的使用壽命。研究設計了新的轍叉結構型式,翼軌加高由合金鋼翼軌鑲塊來完成,其受力最惡劣的心軌及翼軌部位采用耐磨合金鋼,并研究設計出了合理匹配的縱坡,改善了輪軌配合關系。轍叉能夠適應無縫化的要求。

5 上道使用情況

2010年10月4日開始在大秦鐵路鋪設75 kg/m 18號翼軌鑲嵌合金鋼轍叉,目前已經2年多的時間,茶塢工務段管轄內75 kg/m 18號合金鋼轍叉上道使用情況的統計見表1。

表1 茶塢工務段管轄內75 kg/m 18號合金鋼轍叉上道使用情況統計

從表1統計的數據來看,75 kg/m 18號翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉平均使用260.18 d,換算平均通過總重達到3.2億t以上。通過上道運營,不僅極大地減少了現場的養護維修工作量,延長了設備的使用壽命,而且節省了可觀的養護維修費用,具有極高的推廣價值,為重載道岔的深入研究打下了良好的基礎。

6 結語

鑲嵌合金鋼翼軌轍叉是一種新近發展的轍叉制造技術,即根據轍叉各個部位受力情況的不同,用不同的材料組合拼裝而成,其受力最惡劣的心軌及翼軌部位采用特殊煉制的耐磨合金鋼,具有高強度、高韌性、高硬度、可焊性好等特點,成為大秦鐵路轍叉快速發展的一種新的結構形式。這種鑲嵌合金鋼翼軌的轍叉正逐漸得到認可而廣泛應用,它可以形成不同鋼軌類型、不同號數、不同品種的轍叉系列產品,產生顯著的經濟效益, 其市場前景廣闊。此外,合金鋼轍叉使用壽命的延長,將減少更換次數和維修養護工作量,節約了養護維修費用,相信經過不斷改進和完善,翼軌鑲嵌式合金鋼轍叉將在我國重載線路上得到更為廣泛的應用。

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