拼裝式固定型轍叉的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

董彥錄

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006)

1 概述

轍叉是道岔中使車輪由一股越過另一股鋼軌的設(shè)備。由叉心、翼軌和聯(lián)結(jié)零件組成。目前，我國鐵路應(yīng)用的轍叉按構(gòu)造類型分，主要有整鑄轍叉和拼裝式固定型轍叉2種。

整鑄轍叉是用高錳鋼澆鑄的整體轍叉，具有較高的強(qiáng)度、良好的沖擊韌性，在初期荷載作用下，會(huì)很快硬化，使表面具有良好的耐磨性能。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國的高錳鋼整鑄轍叉的平均使用壽命達(dá)到1億t通過總重，有一定數(shù)量的達(dá)到了1.2億t通過總重［2，8］。但是，由于高錳鋼轍叉與普通鋼軌現(xiàn)場可焊性差、廠內(nèi)焊接成本高，另外，由于其表層強(qiáng)度與硬度和母材強(qiáng)度與硬度相差懸殊、且表面易剝落掉塊等原因，難以適應(yīng)列車提速以及無縫線路的應(yīng)用要求。

拼裝式固定型轍叉是用鋼軌及其他零件經(jīng)刨切拼裝而成。早期由普通鋼軌刨切并組合成的固定式轍叉，因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、病害多、養(yǎng)護(hù)維修工作量大，目前已很少使用。隨著高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性的貝氏體鋼種的開發(fā)成功，以貝氏體叉心、長短心軌及翼軌組合而成的合金鋼轍叉已廣泛采用。在大號(hào)碼固定轍叉道岔中，因轍叉較長，目前的鑄造工藝無法實(shí)現(xiàn)，由此開發(fā)了拼裝式高錳鋼轍叉，這2種拼裝式固定型轍叉因具有結(jié)構(gòu)簡單、可焊接等特點(diǎn)，目前已發(fā)展成為無縫線路中廣泛使用的主要產(chǎn)品［3］。

2 拼裝式固定型轍叉結(jié)構(gòu)及存在的問題

2.1 拼裝式合金鋼轍叉

心軌采用鍛造合金鋼與叉跟標(biāo)準(zhǔn)鋼軌拼接或焊連;翼軌采用淬火鋼軌或標(biāo)準(zhǔn)鋼軌鑲嵌合金鋼塊制造。如圖1所示。

圖1 拼裝式合金鋼轍叉

拼裝式合金鋼轍叉具有高強(qiáng)度、高硬度和高韌性的特點(diǎn)。心軌采用合金鋼母材，經(jīng)鍛造、熱處理和探傷檢驗(yàn)合格后，應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效處理消除應(yīng)力，在高精度銑床上進(jìn)行成型銑削加工。運(yùn)營實(shí)踐表明:合金鋼材料能大幅度提高材料的硬度和耐磨性能，延長使用壽命。目前已經(jīng)上道的合金鋼轍叉，通過總重接近2億t;翼軌、心軌后端采用標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，能滿足跨區(qū)間無縫線路焊接要求［4］。

2.2 拼裝式高錳鋼轍叉

拼裝式高錳鋼轍叉采用高錳鋼整鑄叉心與翼軌組合或拼裝的結(jié)構(gòu)形式，翼軌采用與區(qū)間同材質(zhì)鋼軌，具有可焊性，通過間隔鐵與整鑄叉心連接(圖2)。一般在轍叉易傷損部位(心軌，有害空間段及對(duì)應(yīng)心軌60 mm斷面前部分)的翼軌輪軌作用面進(jìn)行爆炸硬化工藝處理。拼裝式高錳鋼轍叉經(jīng)過爆炸硬化，最大限度地解決了高錳鋼整鑄轍叉有害空間段、心軌尖端及對(duì)應(yīng)翼軌受強(qiáng)力沖擊易磨耗而造成剝落掉塊的難題。且心軌及部分翼軌采用錳鋼材質(zhì)的設(shè)計(jì)，解決了心軌大斷面空腔尺寸大、鑄造質(zhì)量低及難以實(shí)施爆炸硬化工藝等難題［3］。

圖2 拼裝式高錳鋼轍叉

3 存在問題原因分析

目前，國內(nèi)線路上廣泛采用的拼裝式固定型轍叉以合金鋼轍叉居多。拼裝式高錳鋼轍叉正在研究試用階段。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，拼裝式合金鋼轍叉在運(yùn)營中主要病害為心軌剝落掉塊(圖3)和翼軌垂向磨耗過大［1］(圖4)。心軌剝落掉塊主要集中在頂面30 mm寬斷面之前，而翼軌病害則主要發(fā)生在對(duì)應(yīng)心軌30 mm斷面之后的區(qū)域。

圖3 心軌剝落掉塊

出現(xiàn)以上病害的主要原因有以下幾個(gè)方面。

圖4 翼軌垂向磨耗

(1)心軌、翼軌材質(zhì)不同，在輪載過渡范圍內(nèi)，一旦心、翼軌高低差匹配不良，易使其中一根鋼軌單獨(dú)受力而產(chǎn)生較大磨耗，易造成心軌、翼軌局部受力狀況惡化。

(2)翼軌抬高設(shè)置不當(dāng)。車輛在通過轍叉時(shí)，由于輪軌(翼軌)接觸點(diǎn)外移，為了補(bǔ)償車輪豎向位置下降，需要對(duì)翼軌進(jìn)行抬高。一般地，從咽喉開始，輪軌接觸點(diǎn)逐漸外移，到心軌50 mm斷面完全脫離翼軌。理論上抬高范圍需要從咽喉到心軌50 mm斷面。但如果在心軌薄弱斷面開始對(duì)翼軌設(shè)置超高，將使翼軌過早與輪軌接觸，增大翼軌受力，加劇磨耗，同時(shí)增加了過岔不平順性。

(3)翼軌頂面既有斜度輪廓設(shè)計(jì)不能有效保護(hù)心軌，特別是薄弱的小斷面，易產(chǎn)生磨損、打塌或剝離掉塊現(xiàn)象。如圖5所示，在踏面中心接觸的情況下，工作邊圓弧上部有1.5 mm的干涉，這說明在運(yùn)營中干涉部位首先與車輪接觸，由于輪軌接觸面積小，局部應(yīng)力超過彈性極限后易引起軌頂金屬塑性變形，形成肥邊。

圖5 輪軌接觸擬合(單位:mm)

拼裝式固定型轍叉因翼軌和心軌母材材質(zhì)不同的特殊性，輪載轉(zhuǎn)移的復(fù)雜性，心軌受力條件的苛刻性，為最大限度地延長轍叉的使用壽命，結(jié)合合金鋼轍叉使用中存在的問題，需要重點(diǎn)解決以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 軌件材料

拼裝式固定型轍叉心軌受力最惡劣的部分一般在20～50 mm斷面，為提高轍叉使用壽命，要求制造心軌的材料具有高韌性和較強(qiáng)的抗變形能力、良好的耐磨性能。同時(shí)，為適應(yīng)無縫化需求，轍叉的趾、跟端一般采用與區(qū)間線路相同的鋼軌，使轍叉與區(qū)間鋼軌有良好的可焊性。所以，翼軌、叉跟軌多采用標(biāo)準(zhǔn)鋼軌制造，為提高耐磨性能，減少垂向磨耗，一般采用在線熱處理鋼軌(如U75V，硬度可達(dá)到370HB)。

3.2 心、翼軌高低差控制

列車在線路上運(yùn)行時(shí)，通過輪軌接觸實(shí)現(xiàn)與軌道之間的聯(lián)系，輪軌關(guān)系在一定程度上決定了列車的運(yùn)行特性。機(jī)車車輛通過轍叉時(shí)，車輪輪載將在翼軌和心軌之間轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移范圍由心軌和翼軌之間的相對(duì)高差決定，當(dāng)心軌偏高時(shí)，心軌將承擔(dān)較多的荷載，心軌將磨耗嚴(yán)重;相反，當(dāng)心軌偏低時(shí)，翼軌將承擔(dān)較多的荷載，翼軌將磨耗嚴(yán)重。所以合理設(shè)置和控制心翼軌的高差將決定轍叉心軌或翼軌的磨耗，決定了轍叉的壽命。

3.3 心、翼軌連接

在無縫道岔中，組合轍叉既是緊固部件也是傳力部件。在對(duì)轍叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在滿足穩(wěn)固連接的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點(diǎn)考慮溫度力傳遞，合理布置間隔鐵，滿足無縫化適應(yīng)性問題。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合上述關(guān)鍵技術(shù)，為進(jìn)一步提高轍叉使用壽命，提出如下優(yōu)化措施。

4.1 合金鋼轍叉

(1)軌件材料。合金鋼心軌選用性能更高的合金鋼材料，避免剝落掉塊。近幾年，國內(nèi)開發(fā)了1 300 MPa級(jí)重載鋼軌(即PG4)，該軌熱處理強(qiáng)度達(dá)到1 300 MPa級(jí)，且耐磨性明顯高于其他在線淬火軌，能極大改善翼軌、叉跟軌的機(jī)械性能，降低翼軌磨耗超限、剝落掉塊的出現(xiàn)幾率，同時(shí)，PG4在線淬火軌與線路使用的普通CHN60軌焊接也不存在技術(shù)問題，所以，合金鋼轍叉翼軌、叉跟軌選用PG4在線淬火軌將成為發(fā)展趨勢。

(2)心、翼軌相對(duì)高差改進(jìn)。合理設(shè)置轍叉輪載轉(zhuǎn)移點(diǎn)位置，使其位于心軌頂寬20～30 mm之間，使心軌與翼軌的受力較為合理。

(3)翼軌頂面輪廓改進(jìn)。進(jìn)一步優(yōu)化翼軌頂面輪廓形狀，降低輪軌動(dòng)力作用，提高行車平順性。

(4)控制輪緣槽寬度。控制心軌20～50 mm斷面輪緣槽寬度，使輪載過渡范圍內(nèi)處輪緣槽盡可能在技術(shù)條件規(guī)定的范圍內(nèi)，保證翼軌的受力面積，減小垂向磨耗。

4.2 拼裝式高錳鋼轍叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1)為增大心軌薄弱斷面受力面積，提高強(qiáng)度及抗沖擊能力，借鑒國外成熟經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)心軌尖端進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹⒕鶆虻募訉捥幚恚能壖舛思訉捄螅瑸楸苊庾布鈫栴}，一般在不受垂向力的心軌實(shí)際尖端至30 mm斷面采取鎖尖處理，同時(shí)須考慮滿足查照間隔的要求。

(2)為改善轍叉受力狀態(tài)，減緩垂磨，可采用雙咽喉形式設(shè)計(jì)，增加有害空間受壓面積。但雙咽喉設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致翼軌橫向沖擊角增大較多，使行車安全性降低，需進(jìn)一步優(yōu)化輪緣槽寬度，減小沖擊力。

(3)雖然高錳鋼在自然沖擊下能產(chǎn)生硬化層，但深度較薄，在車輪碾壓、滑移作用下會(huì)出現(xiàn)硬化層與機(jī)體的分離，形成剝離掉塊現(xiàn)象，為有效控制初期磨損，抵抗肥邊的產(chǎn)生和撕裂掉塊現(xiàn)象的發(fā)生，可采用爆炸硬化處理，增加硬化深度，使硬度由原始狀態(tài)的不大于229HBW達(dá)到320HBW以上。

5 結(jié)論

對(duì)于拼裝式合金鋼轍叉，采用合金鋼作為組合轍叉的叉心，需穩(wěn)定原材料性能，并盡可能使心軌頂寬20 mm以后斷面受力;若采用普通鋼軌作為組合轍叉的翼軌，則翼軌的頂面磨耗是不可避免的，應(yīng)盡可能擴(kuò)大翼軌頂面承力面積，提高叉心及翼軌的承載能力，可考慮在心軌20～50 mm對(duì)應(yīng)位置給翼軌鑲嵌合金鋼塊，提高翼軌的耐磨性是發(fā)展方向。

拼裝式高錳鋼轍叉在美國正線上使用較多，與既有拼裝類轍叉相比，能實(shí)現(xiàn)主要沖擊表面錳鋼化，結(jié)合爆炸硬化技術(shù)，可大幅提高轍叉使用受命。雙咽喉和尖端加寬設(shè)計(jì)，能有效提高心軌的承載能力，可滿足與線路無縫化及重載線路使用要求，作為一種新型固定型轍叉，應(yīng)用前景較為廣闊。

［1］付淑娟，王平，王會(huì)永.合金鋼組合轍叉輪軌接觸應(yīng)力分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(4):34-35.

［2］張東風(fēng)，蔣昕.合金鋼叉心拼裝式轍叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(2):4-7.

［3］中鐵山橋集團(tuán)有限公司.重載鐵路75 kg/m鋼軌12號(hào)單開道岔設(shè)計(jì)報(bào)告［Z］.秦皇島:中鐵山橋集團(tuán)有限公司，2011.

［4］王建新，張文寧.合金鋼鍛造心軌組合轍叉的設(shè)計(jì)與改進(jìn)［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2004(3):35-35.

［5］李松，程亮.貝氏體合金鋼軌與PD3鋼軌閃光焊接工藝［J］.電焊機(jī)，2004(3):69-71，96.

［6］白富平.提速線路無縫轍叉的焊接工藝［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2004(20):31-32.

［7］于興義.60 kg/m 12號(hào)拼裝式合金鋼轍叉對(duì)道岔無縫化的適應(yīng)性研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(5):1-3.

［8］陳小平，王平.鐵路道岔合金鋼組合轍叉聯(lián)結(jié)螺栓強(qiáng)度分析［J］.鐵道建筑，2010(3):89-92.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB/T412—2004 標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［10］鐵道部第三勘測設(shè)計(jì)院.道岔設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:人民鐵道出版社，1975.

［11］郝瀛.鐵道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2000.

［12］高亮.軌道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.