30 t軸重60 kg/m鋼軌18號重載道岔設計

駱 焱

(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)

30 t軸重60 kg/m鋼軌18號重載道岔設計

駱 焱

(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)

隨著國內客運專線的大規模建設，重載運輸也必將得到普遍的推廣使用。根據30 t大軸重的特殊要求，結合山西中南部重載鐵路的使用條件，在大秦線經過大量現場調研，研究開發了專用的重載道岔產品，從道岔平面、結構設計、軌下基礎及轉換設備等各個方面，有針對性地進行研究，分別從尖軌尖端加厚、轍叉采用多種合金鋼鋼軌組合型式、護軌采用新型軌撐墊板結構、岔枕采用預埋鐵座聯結方式等方面進行設計創新。并在既有線上道試驗，目前使用狀況良好，根據測試結果反饋的問題，優化了道岔結構及材料性能指標，從而建立了國內重載道岔技術體系。

重載鐵路；道岔；設計；創新

1 國內外重載道岔的現狀

重載鐵路運輸因其運能大、效率高、運輸成本低而受到世界各國鐵路的廣泛重視，不僅在一些幅員遼闊、資源豐富、煤炭和礦石等大宗貨物運量占有較大比重的國家，如美國、加拿大、澳大利亞、南非、巴西、瑞典等發展重載鐵路，大量開行重載列車，而且在歐洲以客運為主的客貨混運干線上也開始開行重載列車。目前，國外發展重載運輸技術較先進的國家主要有：美國、澳大利亞、南非、巴西、瑞典等國家。在國外經過多年的發展，重載鐵路道岔方面均有較為成熟的技術和產品，這些國家的重載鐵路雖然軸重和牽引質量較大，但運量與國內大秦線相比并不算很高。

隨著國內客運專線的大規模建設，既有線運能得到有效釋放，客貨分離成為了未來鐵路運輸的發展方向，重載運輸必將得到普遍的推廣使用。但目前大秦線、朔黃線的道岔主要采用提速道岔的技術標準，其結構型式與提速道岔基本相同，采用分開式彈性扣件，轍叉分為固定型轍叉和可動心轍叉兩種，軌下基礎為混凝土岔枕。由于沒有針對重載鐵路的特點進行專門研究，道岔的強度低、穩定性差，使用壽命短，現場的養護維修工作量較大，尤其是可動心軌轍叉，傷損較快，現場更換不便，更換費用也較高，難以適應重載運輸的需要。

2 工程概況

山西中南部鐵路通道工程為國內第一條30 t軸重的重載線路，地處華北地區南部，西起晉中南地區，銜接南北向主要鐵路干線，東至山東沿海港口，形成了石太—石德—膠濟鐵路、邯長—邯濟—膠濟鐵路、侯月～新菏兗日鐵路間一條新的“西煤東運”的能源運輸動脈，也是我國東西向路網干線鐵路之一，對我國國民經濟發展具有重要的能源安全保障作用。

道岔是鐵路運輸的關鍵環節之一，通過對重載道岔的研究，對建立國內重載道岔的技術體系，研制出具有自主知識產權的系列重載道岔產品，滿足國內不同條件下重載鐵路的使用需要，進一步提升國內道岔的技術水平，具有重要意義。

3 既有道岔的使用情況

目前大秦線是我國最主要的重載鐵路，列車運行速度70～80 km/h，軸重25 t，牽引質量10 000～20 000萬t，年運量已達到4億t以上。

通過對大秦線現場調查，了解道岔的使用情況，掌握道岔部件的傷損情況，分析傷損的原因，為重載道岔的設計提供依據。發現的主要問題如下。

(1)曲尖軌、導曲線上股鋼軌和護軌磨耗嚴重。對于側向行車較多的道岔，曲尖軌傷損嚴重，尖軌前端多數出現嚴重磨耗或剝離掉塊。對于多數道岔，曲尖軌的磨耗一直延伸到導曲線部位，嚴重影響鋼軌的使用壽命，一般1.0～1.5億t就要下道(4～5個月)；對于直尖軌，容易出現鋼軌頂面壓潰，一般能使用9個月以上(圖1)。

圖1 道岔尖軌現場使用情況

(2)轍叉傷損較快，使用壽命短。現場調查發現，各種結構形式的固定轍叉均出現了較為嚴重的傷損，使用壽命離散性較大。目前最好的轍叉使用壽命可達3.5億t以上，也有些使用壽命不到1億t。轍叉的傷損以壓潰、剝離掉塊、磨耗到限、裂紋等為主(圖2)。

圖2 轍叉現場使用情況

從總體上看，合金鋼鋼軌組合轍叉的使用壽命要高于高錳鋼整鑄轍叉的使用壽命，目前大秦線以采用合金鋼轍叉為主。

(3)護軌磨耗較快，使用壽命短。

(4)扣件系統失效，彈條折斷、鐵墊板和鐵座斷裂。

經調查，現場有較多的道岔扣件系統出現傷損，包括彈條折斷，鐵墊板脫焊、斷裂，橡膠墊板變形、壓潰，軌撐斷裂等，見圖3。

圖3 扣件現場使用情況

(5)塑料套管失效。主要表現為塑料套管螺紋滑脫造成失效。

(6)螺栓松動、折斷。

(7)混凝土岔枕傷損。

4 重載道岔結構設計及主要創新點

(1)道岔平面線型

60 kg/m鋼軌18號道岔采用與既有18號道岔相同的平面線型，導曲線半徑采用1 100 m，有利于改善列車通過狀態和技術標準的統一，道岔主要尺寸：前長28 600 mm，后長31 400 mm，總長60 000 mm。根據道岔主要尺寸和岔枕布置，確定尖軌尖端至基本軌的距離為1351 mm，尖軌從39 mm斷面半切，尖軌尖端向后200 mm作藏尖刨切。尖軌設置3個牽引點。轍叉為曲線轍叉，直側向護軌長度分別為8.6 m和8.2 m。

(2)道岔軌底坡的設置

國內的道岔設計，長期以來一直不設軌底坡。從提速道岔開始，設1∶40軌底坡。從道岔使用情況來看，目前軌頂面的光帶普遍偏向內側，輪對與軌頂面的軌距角接觸，造成鋼軌容易出現肥邊或壓潰，進而出現剝離掉塊。重載道岔推薦采用1∶20的軌底坡(在尖軌和固定轍叉部分設軌頂坡)。其目的一是改善輪軌接觸關系，使軌頂光帶居中，以延長尖軌的使用壽命。二是減小鋼軌所受的橫向力。道岔與兩端線路的連接用順坡墊板過渡。

在成都局區間小半徑地段曾進行1∶20軌底坡的試驗，證明采用1∶20軌底坡后，對減輕鋼軌磨耗、減少鋼軌所受的橫向力具有較好的效果，試驗沒有發現對軌道結構的不利影響，因此30 t軸重重載道岔選用1∶20軌底坡，有效減少鋼軌所受的橫向力。

(3)尖軌、基本軌采用合金鋼鋼軌

尖軌、基本軌采用合金鋼鋼軌，主要是為了提高使用壽命。合金鋼鋼軌強度、韌性、沖擊、落錘、疲勞、靜彎等指標均優于普通鋼軌，其力學性能實現了強度和韌性的同步提高，特別是軌腰處的沖擊韌性增幅大，是普通鋼軌的10倍。使用合金鋼鋼軌制作組合轍叉和尖軌，其各項性能指標能完全滿足使用要求，且使用壽命長，耐磨性好，并可與線路鋼軌焊連，滿足超長無縫線路發展需要。

重載道岔尖軌、基本軌采用合金鋼鋼軌制造；對于導曲線上股鋼軌，建議由用戶根據岔位情況，可選擇采用U75V、PG4在線淬火軌或合金鋼鋼軌。

尖軌可動部分用整根鋼軌制造，不焊接。尖軌尖端采用藏尖刨切，為減少尖軌后端的不足位移便于制造和鋪設使用，尖軌長度盡量縮短。尖軌采用60AT鋼軌制造，尖軌跟端需鍛壓成標準60 kg/m鋼軌斷面。尖軌滑床板部分采用施維格彈性夾扣壓，尖軌跟端的基本軌內側采用臺板扣壓，尖軌兩側采用普通彈條扣件扣壓，尖軌跟端的軌底可作少量刨切。對于尖軌后端的扣壓，采用客運專線道岔優化后的扣板扣壓。雖然增加了制造和組裝的難度，但可以保證鋼軌的穩定性。

尖軌跟端的傳力機構采用限位器結構，可以允許尖軌相對基本軌有少量位移，基本軌承受的附加力較小，但當限位器受力，容易引起尖軌、基本軌方向的變化，影響行車的平穩性。采用間隔鐵時，基本軌承受的附加力較大。只用扣件固定時，可以保證尖軌伸縮時，不影響列車通過時和平穩性，但當尖軌的伸縮位移較大時，容易造成轉換設備的卡阻。因此重載道岔按限位器和間隔鐵2種跟端結構設計。

(4)開發了獨創的尖軌加厚技術

列車側向通過較多時，尤其是順向出岔較多的道岔，曲尖軌磨耗較為嚴重，影響曲尖軌的使用壽命。曲尖軌的磨耗除與鋼軌材質有關外，也與平面線型和道岔結構有關。為此60 kg/m鋼軌18號道岔除了在材質上采用合金鋼鋼軌制造尖軌，從平面線型上也提出了3種方案進行比選。

方案一：軌距加寬5 mm(圖4)

圖4 方案一(單位：mm)

該方案在原60 kg/m鋼軌18號重載道岔平面線型基礎上軌距加寬5 mm，可以改善車輪通過曲線的內接條件，仿真分析結果表明，軌距加寬對改善曲尖軌側磨是有利的，缺點是不利于車輛直向過岔的平穩性，由于道岔直向旅客列車容許通過速度為120 km/h，計算結果也表明，軌距加寬對行車影響不大。

方案二：基本軌刨切3 mm，尖軌加厚3 mm，軌距加寬5 mm(圖5)

圖5 方案二(單位：mm)

該方案在方案一的基礎上優化，改善車輛曲線通過條件的同時，基本軌刨掉3 mm，尖軌加厚3 mm，其他線型不變。優點為從改善行車條件和加厚尖軌自身兩個方面同時考慮增加尖軌耐磨方案，在尖軌密貼段前后3 mm寬度向前、向后多刨切一段長度，兼顧鋼軌伸縮時密貼的保持，同時3 mm過渡斜度取值考慮了輪軌沖擊的影響，在尖軌尖端為1∶150，尖軌整軌頭斷面為1∶400，與法國、英國客貨混跑道岔相比，尖軌，基本軌加工簡單。

方案三 FAKOP軌距加寬(圖6)

圖6 方案三(單位：mm)

該方案保持尖軌沖擊角0.425 8°不變，在原60 kg/m鋼軌18號道岔半切斷面39.8(54.8) mm基礎上加厚15 mm，根據德國設計經驗，設計在48.8 mm前后為1∶215和1∶515 mm的斜線。優點是直、曲尖軌在相同距離的刨切斷面加寬很大，提高了尖軌抗彎剛度，缺點是密貼段由兩段折線組成，尖軌伸縮時密貼不容易保持。

綜合上述18號道岔轉轍器平面線型3個方案，推薦采用方案二。尖軌在結構上加寬3 mm，同時軌距加寬5 mm，并在密貼段嵌入基本軌，尖軌厚度增加，尤其是尖軌尖端厚度的增加可以防止尖端的快速磨耗和掉塊，增大安全儲備。

(5)轍叉采用合金鋼鋼軌組合轍叉

拼裝式合金鋼轍叉國內已有多年使用經驗，大秦線60 kg/m鋼軌18號轍叉已經取得良好的使用效果，拼裝式合金鋼轍叉結構形式較多，山西中南部30 t軸重重載道岔優選合金鋼鋼軌組合轍叉(圖7)。

圖7 翼軌、心軌連接結構

為解決合金鋼轍叉大批量上道后傷損較快的問題，保證心軌、翼軌的軌底基本持平，并取消心軌的跟端壓型，簡化心軌的制造，特研制了高型特種斷面鋼軌，鋼軌高度177 mm(預留1 mm軌頂加工量)，軌腰加厚，其他尺寸基本與60 kg/m鋼軌相同。為避免心軌過早受力，在轍叉咽喉至心軌尖端前逐漸將翼軌抬高6 mm。為保持結構的穩定性，將翼軌內側軌底適度刨切，長短心軌直接落在臺板上。

長短心軌及翼軌間用間隔鐵及高強螺栓連接，間隔鐵為全斷面接觸，材質為鑄鋼，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(圖8)。

圖8 長短心軌與翼軌聯接結構示意

為方便現場安裝，便于養護維修，采用10.9H級的防松螺母和具有防轉功能的墊圈(圖9)。

圖9 防轉墊圈

(6)合金鋼槽形護軌及軌撐墊板新結構

本道岔采用合金鋼材質槽形護軌，目前已軋制出與合金鋼轍叉叉心或合金鋼鋼軌同材質的槽形護軌，用其制造的護軌已在大秦線上道試驗，取得了較好的效果。采用槽形護軌可以減輕護軌的質量，具有較好的經濟性，但護軌墊板受力較大，在國內92型道岔上曾發生過多起護軌墊板折斷現象。根據大同工務段的反映，原來的間隔鐵式護軌穩定性較好，適合重載線路使用，但間隔鐵式護軌不便于調整，不利于養護維修。為此先期將護軌、基本軌、墊板撐板通過間隔鐵、螺栓連接在一起，以提高整體穩定性。經過現場試鋪、試驗，連接基本軌和間隔鐵的螺栓發生折斷現象，因此，對護軌墊板的結構進行了優化，取消原有護軌與基本軌間間隔鐵，基本軌外側增加新型軌撐結構，既提高了整體穩定性，又可以方便地進行調整。護軌墊板，本著技術成熟，安全可靠的原則，仍然采用了焊接墊板，護軌基本軌內側采用彈性夾扣壓，外側采用軌撐彈條扣壓(圖10)。

圖10 護軌墊板

(7)扣件系統

扣件系統采用加強型Ⅱ型扣件，在鐵墊板上設鐵座，通過T形螺栓緊固彈條。與提速道岔相同。鐵墊板采用最小25 mm厚的焊接墊板，鐵墊板上設1∶20軌底坡(轍叉墊板上不設軌底坡)。

鐵墊板與岔枕的連接有2種方案，方案一是采用客運專線道岔的結構(或類似結構)，岔枕內預埋塑料套管，鐵墊板通過復合定位套和緩沖調距塊用M30螺釘連接，該方案已在客運專線道岔上使用；方案二是在岔枕內設預埋件，通過彈條扣壓鐵墊板，國外的重載鐵路道岔，多采用在岔枕內設預埋件的方式，如南非、英國的道岔等，國內曾在小半徑曲線的軌枕上和秦嶺隧道的扣件系統上應用。方案一，結構較為復雜，造價也較高，同時重載鐵路現場反映岔枕內預埋塑料套管時有損壞，養護維修工作量較大。方案二用預埋件代替了塑料套管，與岔枕的連接較為牢固。

由于本道岔主要用于重載鐵路，從加強結構穩定性方面考慮，推薦采用方案二。扣件系統可以通過更換不同的軌距塊調整軌距，一股軌距調整量為+6～-8 mm。

由于本道岔設置1∶20軌底坡，若采用焊接墊板，加工量較大，經濟性較差，若今后道岔有一定的批量，平墊板等標準化程度較高的墊板應采用鑄造墊板，以提高經濟性，為此本道岔設計了鑄造平墊板，建議部分采用，進行上道試驗。

對于長墊板，60 kg/m鋼軌18號重載道岔優化設計時，在中間有條件的部位增設了螺栓。

(8)重載道岔專用岔枕

岔枕底面寬度由300 mm增加至320 mm，頂寬由260 mm增加至280 mm，達到減少道床壓應力的目的。岔枕承載能力最大正彎矩由23.6 kN·m提高至29.2 kN·m，最大負彎矩由17.7 kN·m提高至23.0 kN·m。在岔枕內設預埋件與岔枕聯結。

(9)工電結合部尺寸

60 kg/m鋼軌18號道岔尖軌設3個牽引點，各牽引點動程分別為160 mm、120 mm、75 mm。正常情況下，各牽引點的理論轉換力分別為2 000 N、4 000 N和4 500 N。牽引點采用分動外鎖閉裝置。

5 道岔廠內試制試鋪及擴大試用情況

通過對30 t軸重18號重載道岔的設計、理論分析、廠內試制試鋪、上道試驗和長期觀測研究，完成了60 kg/m鋼軌18號重載道岔研究的全過程。從道岔試驗和測試結果來看，30 t軸重列車過岔時的安全性、平穩性滿足要求且有較大的余量，與提速道岔相比，養護維修工作量可減少50%以上，道岔的穩定性良好，道岔的整體使用壽命有較大提高。道岔使用中發現的問題已明確原因，并提出了優化措施，在批量生產中能夠有效解決。部分易損件的使用壽命，在技術條件中已規定了質量保證期限。

根據以上情況，30 t軸重重載道岔可以滿足山西中南部通道的使用要求，具備了批量生產的條件，目前在山西中南部鐵路全線進行擴大試用。

6 結語

60 kg/m鋼軌18號道岔適合我國重載鐵路道岔，結合山西中南部鐵路工程實際，通過60 kg/m鋼軌18號重載道岔的試制和上道試驗，開發、優選并完善道岔所用材料，優化材料的性能指標。建立了國內重載道岔的技術體系，研制出具有自主知識產權的系列重載道岔產品，滿足國內不同條件下重載鐵路的使用需要，進一步提升國內道岔的技術水平。

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Design of 60 kg/m Rail 18# Turnout for Heavy Haul Railway

Luo Yan

(Rail Engineering Design & Research Institute， China Railway Engineering Consultants Group Co.， Ltd.， Beijing 100055, China)

With the massive construction of passenger dedicated line， heavy haul transport will tend to be promoted. According to the special requirements of 30 tons axle load and southern Shanxi railway， after a lot of field studies on Da～Qin Railway， it’s necessary to develop heavy haul turnouts， turnouts from aspects of layout geometry， structural design， sub-rail foundation and conversion equipment with design innovation from the point of switch rail thickening， variety of alloy steel combined frogs， the new tie plate of rail brace structure of check rail， concrete sleeper of pre-embedded seat and etc. Heavy haul turnouts had been applied in existing lines with good results. According to test results， turnout structure and material performance are optimized， thus， a domestic heavy-duty turnout technical system is established．

Heavy haul railway; Turnout; Design; Innovation

2014-02-19；

：2014-03-15

駱 焱(1982— )，女，工程師，2005年畢業于蘭州交通大學機械工程設計制造及其自動化專業，工學學士，E-mail:12364257@qq.com。

1004-2954(2014)11-0047-05

U213.6

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.012