神朔鐵路重載道岔病害成因分析及整治措施

李瑞俊，韓治平，魏朝雄，肖 宏，王 璞

(1.神朔鐵路分公司 河東運輸段，山西忻州 036200;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

神朔鐵路重載道岔病害成因分析及整治措施

李瑞俊1，韓治平1，魏朝雄1，肖 宏2，王 璞2

(1.神朔鐵路分公司 河東運輸段，山西忻州 036200;2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

道岔區病害形式多種多樣，重載鐵路由于其大軸重、高密度和大運量的性質，道岔部件的傷損更為嚴重，因而其平均使用壽命要短于普通線路相同型號的道岔。通過對神朔重載鐵路現場調研，發現重載鐵路道岔常見的幾種病害有尖軌與基本軌不密貼，軌距、水平超限，鋼軌剝離掉塊，鋼軌疲勞裂紋，扣件及軌枕傷損等。通過道岔病害產生機理分析，提出定期檢測、更換和調整部件、定期打磨鋼軌等一系列整治措施，并對重載道岔養護維修方式提出建議。

重載鐵路；道岔；病害；整治措施；養護維修

神朔鐵路是我國“八五”計劃重點建設項目之一，是中國神華能源股份公司礦、電、路、港、航系統工程的重要組成部分[1]。它是我國繼大秦鐵路之后的第二條西煤東運的大通道。神朔鐵路為國家Ⅰ級電氣化重載鐵路。最小曲線半徑為400 m，最大限制坡度12‰。由于道岔區結構復雜，零配件較多，日常養護維修不足，因此造成了道岔區的多種病害[2-4]，道岔區逐漸成為養護維修重點地段。主要對神朔重載鐵路忻州市陰塔車站咽喉區道岔進行了現場調研分析，并總結了重載道岔常見的幾種病害以及相應的整治措施，為道岔的養護維修提出了建議。

1 道岔區調研內容

根據相關規范[5-6]和文獻資料[7-12]，選取神朔鐵路忻州市陰塔車站上行方向道岔區2條單渡線共4組道岔(1、3、5、7號道岔)為對象，主要對以下內容進行調研和測量：

(1)轉轍器區尖軌與基本軌密貼程度；

(2)尖軌軌頭寬度變化規律；

(3)轉轍器區及轍叉區典型斷面鋼軌軌頭輪廓測試；

(4)道岔區典型位置幾何形位；

(5)道岔區鋼軌接頭處軌縫寬度以及其他接頭病害；

(6)道岔區鋼軌擦傷、剝離掉塊、波磨、側磨、飛邊等傷損情況；

(7)扣件傷損及軌枕裂紋、破損等情況；

(8)岔前曲線地段病害。

2 調研結果

以3號道岔為例，調研結果如下。

2.1 尖軌密貼程度

對3號道岔列車側向過岔時曲尖軌與直基本軌密貼程度以及列車直向過岔時直尖軌與曲基本軌密貼程度進行了測量。各枕位處尖軌基本軌之間的縫隙值如圖1所示。

圖1 尖軌密貼變化趨勢

由圖1可知，列車直向過岔時，鎖閉狀態下3號道岔直尖軌與曲基本軌密貼狀況不良。除了轉轍機位置尖軌密貼值為0之外，在其他位置尖軌基本軌均不密貼，在尖軌1動后第6枕位和第8枕位處，尖軌基本軌間隙值達到最大，為0.65 mm。

列車側向過岔時，鎖閉狀態下3號道岔曲尖軌與直基本軌密貼狀況也欠佳。轉轍機位置及尖軌一動后1、2枕位尖軌密貼值為0，在其他位置尖軌基本軌均不密貼，在尖軌1動后第8枕位尖軌基本軌間隙值達到最大，為0.60 mm。

2.2 尖軌軌頭寬度

對3號道岔的曲尖軌以及直尖軌軌頭頂寬進行了測量。各枕位斷面尖軌軌頭頂寬值如圖2所示。

圖2 尖軌軌頭頂寬變化趨勢

由圖2可知，尖軌一動位于尖軌尖端，該位置處直曲尖軌軌頭寬度均為0 cm。隨著軌枕號的增加，尖軌軌頭頂寬逐漸增大。9枕位接近尖軌二動位置，該位置處直尖軌軌頭頂寬達到2.386 cm，曲尖軌軌頭頂寬達到2.454 cm。總體來看，3號道岔直曲尖軌軌頭頂寬變化情況均在合理范圍內。

2.3 軌縫寬度

3號道岔型號為12號道岔，道岔區一共有14個接頭，道岔區配軌及各接頭編號如圖3所示。

圖3 道岔區配軌及接頭編號

對3號道岔岔區每個接頭處的軌縫寬度進行了測量，具體測量結果如表1所示。

由表1可知，3號道岔岔區各接頭位置軌縫寬度均較大，其中8號接頭處軌縫值最大，達到了15.14 mm。行車條件下，過大的軌縫會激起軌道結構的劇烈振動，加速接頭位置鋼軌磨耗及掉塊等傷損的產生和發展。頻繁沖擊荷載作用下，可能引起接頭夾板螺栓斷裂以及其他接頭病害的產生。

表1 軌縫寬度測量結果 mm

2.4 軌頭輪廓

在3號道岔轉轍器區選取尖軌頂寬20、30、50 mm三個斷面對曲尖軌軌頭輪廓進行了測量，并在轍叉區選取心軌頂寬20、70、110 mm三個斷面對心軌軌頭輪廓進行了測量。

通過將實測廓形與標準廓形對比(圖4、圖5)，3號道岔心軌軌頭磨耗較為明顯，心軌頂寬20 mm位置斷面軌頭垂向磨耗達到4 mm左右，頂寬70 mm位置斷面軌頭垂向磨耗達到2.5 mm左右，頂寬110 mm位置斷面軌頭垂向磨耗為2 mm左右。

圖4 尖軌軌頭寬20 mm處實測與標準輪廓對比

圖5 心軌頂寬70 mm處實測與標準輪廓對比

隨著心軌頂寬不斷增加，在軌頭兩側出現較為明顯的飛邊。

2.5 岔區軌距、水平

在調研過程中選取3號道岔岔區一些典型斷面對鋼軌軌距、水平幾何形位要素進行了測量，結果如表2所示。

表2 3號道岔典型位置軌距、水平 mm

由表2可知，對于3號道岔，在各個測量位置軌道水平測量值基本均在合理范圍內。在間隔鐵位置水平測量值最大，為5 mm，但仍在容許范圍內。

軌距測量值在岔區多個測量位置達到+9 mm，根據《鐵路線路修理規則》已經達到了臨時補修的標準。可以看出， 3號道岔岔區鋼軌軌距超限的情況普遍存在。在間隔鐵位置，出現軌距減小的情況，軌距測量值為-5 mm，也超過了容許限值。

2.6 鋼軌、扣件、軌枕傷損情況

對3號道岔進行了系統全面的觀測，3號道岔鋼軌、扣件、軌枕傷損情況主要表現在以下幾個方面。

(1)道岔岔區基本軌、尖軌剝離掉塊現象普遍存在。見圖6。

圖6 曲尖軌軌角剝離掉塊

(2)接頭位置鋼軌磨耗嚴重、剝離掉塊，存在低接頭等病害。見圖7。

(3)扣件位置異常，不能很好地扣壓鋼軌。見圖8。

圖7 低接頭，接頭位置磨耗嚴重，光帶異常

圖8 扣件位置異常

3 道岔病害機理分析及整治措施

3.1 尖軌與基本軌不密貼、尖軌側拱及上拱等

通過現場調研情況發現，尖軌同基本軌間不密貼情況較為嚴重，可能原因有如下幾種：尖軌50 mm斷面內剖切長度不夠；尖軌頂鐵長度不合理；尖軌補強板螺栓突出；扳道器或轉轍機的位置與尖軌動作拉桿的位置不在同一水平線上；基本軌彎折點錯后；基本軌內側存在飛邊；基本軌或尖軌存在硬彎等。出現尖軌與基本軌不密貼的情況下，在重載列車荷載作用下，尖軌出現側拱及上拱現象。

建議定期針對各組道岔尖軌及基本軌的密貼情況進行檢查，對尖軌發生側拱及上拱的區段按照其傷損的級別分別進行整治。對于尖軌側拱或上拱不嚴重的區域，可以通過調整連接桿的長度、調整連接轉轍機上拉桿的調整螺母、整修頂鐵、整修轍跟螺栓、更換滑床臺、校正基本軌彎折點的位置與彎折量、及時打磨掉基本軌內側飛邊、及時清除尖軌與基本軌之間的雜物等方式進行調整，使之滿足設計要求。當尖軌的側拱及上拱較為嚴重時，無法通過現場采取措施消除或減弱此種病害，建議對尖軌進行返場整修或下道更換新的道岔。

3.2 軌距、水平超限

經現場調研發現，岔區轉轍區、轍叉區的軌距、水平超限情況較為明顯，經初步分析認為，產生此種病害的原因有護軌及翼軌輪緣槽寬度不合格、搗固不實或排水不良等因素導致的道床不足、附帶曲線正矢不良導致列車進出道床時劇烈搖晃造成道岔軌距和水平的變化、岔群內道岔軌距遞減不良進而在列車經過時相互影響。

建議結合人工定期檢測，對岔區的幾何形位進行監測，隨時掌握岔區轉轍區及轍叉區的軌距、水平的發展情況，對岔區出現軌距、水平超限時，可通過將曲基本軌彎折好以保持各部軌距間隔尺寸正確、加強道岔及前后各50 m范圍內線路的鎖定、加強道砟道床的維護等途徑進行修正，以避免軌距、水平病害進一步發展引起岔區受力惡化，影響道岔的使用壽命。

3.3 鋼軌剝離、掉塊

目前研究表明，鋼軌的剝離掉塊大多源于輪軌接觸應力超過了鋼軌材料的疲勞應力，在長期循環荷載的作用下導致鋼軌發生疲勞破壞，出現剝離、掉塊的現象。對于鋼軌剝離掉塊已經發生并較為嚴重的區段，為了避免剝離掉塊進一步發展導致鋼軌折斷等問題，建議對其進行更換；對于鋼軌剝離掉塊較為輕微的階段，建議對鋼軌表面進行打磨，改善輪軌接觸關系，減小輪軌接觸應力。

3.4 接頭病害

對于重載道岔，其接頭主要分布在岔前及岔后與基本軌相接處，以及岔區內尖軌同翼軌相接處。從現場調研結果來看，目前現場接頭各處的軌縫均已超限，且夾板螺栓有多處發生因振動導致的松動甚至折斷，迎車一側鋼軌同送車一側鋼軌已形成較為明顯額錯牙接頭，迎車一側鋼軌壓潰情況嚴重。因此建議對已出現的軌端壓潰，要用角磨機打磨并倒棱；整治接頭上下錯牙，原有錯牙接頭，軌面壓潰的也要進行整治，同時，建議在條件允許情況下開展重載道岔無縫化研究，取消重載道岔的接頭。

3.5 鋼軌疲勞裂紋

鋼軌軌面出現裂紋的主要原因是鋼軌材質缺陷(偏析、非金屬夾雜、氣孔、縮孔和裂紋)在輪載的反復作用下逐步發展并最終導致軌面裂紋的產生，在鋼軌材質較好的部分，裂紋出現的原因則是由高應力引起軌面發生棘輪效應，發生剪切破壞，并最終導致裂紋產生。裂紋發展情況主要與列車軸重、鋼軌材質、輪軌接觸情況及軌下支撐類型有關。與疲勞裂紋有關的外界因素主要有循環應力幅及循環次數。由于生產的需要，荷載循環的次數無法降低甚至會繼續增加，只能通過降低循環應力幅值來減緩裂紋的產生。

建議通過定期鋼軌打磨、合理設置軌底坡等方式，改善輪軌接觸關系、降低輪軌間摩擦系數，以達到減小鋼軌在列車荷載下的輪軌接觸應力，減緩裂紋的開展速率。

3.6 翼軌、心軌側磨飛邊

翼軌、心軌出現的側磨飛邊病害是線路鋼軌比較常見的病害類型之一，通常是由于鋼軌在列車荷載作用下，軌面產生塑性流變現象，長時間的循環荷載下積累產生飛邊。飛邊的產生，與查照間隔也有很大的關系，不合理的查照間隔會使輪對過岔時對翼軌或者心軌產生側向沖擊作用，進而加速了飛邊現象的產生。建議對尖軌、心軌及翼軌等不同斷面開展定期人工監測，尤其注意查照間隔設置是否合理，并及時進行調整，及時對出現飛邊的地方進行人工打磨。對飛邊現象嚴重的地方，用游標卡尺測量其磨耗值，當尖軌、心軌及翼軌磨耗異常時對其進行更換工作。

3.7 扣件、軌枕傷損

產生扣件、軌枕傷損的主要原因如下：軌縫處動力荷載較大容易造成道砟的粉碎并出現暗坑和吊板的情況，同時，轍叉部分搗固不易，在對道岔進行定期的養護維修工作的時候，由于天窗時間的限制，短時間內不能保證此處道砟密實，從而導致列車通過時鋼軌、軌枕有較大的垂向位移，軌枕和鋼軌間通過扣件約束，因此，扣件在反復較大的循環荷載作用下容易發生斷裂，軌枕循環拍打道砟也會引起軌枕出現傷損。建議定期檢測岔區扣件、軌撐的工作情況，對列車通過時位移過大的軌枕處進行重點搗固，必要時可在軌縫附近采用寬枕，對于發生破損的扣件及軌枕進行及時更換。

4 結論

根據大量的現場調研，神朔鐵路道岔傷損類型主要有尖軌與基本軌不密貼、尖軌側拱及上拱，軌距、水平超限，鋼軌剝離、掉塊，接頭病害，鋼軌疲勞裂紋，翼軌、心軌側磨飛邊，扣件、軌枕傷損等。經過對不同病害成因及其對道岔使用壽命的影響分析，建議在對道岔的病害整治過程中應該重點關注岔區鋼軌磨耗情況、查照間隔、尖軌滑床臺等。關注岔區鋼軌磨耗情況并及時對產生的磨耗、飛邊情況進行打磨，可以減輕尖軌、心軌病害，并且及時的打磨還能降低鋼軌裂紋的開展、劣化；關注查照間隔，主要是為了防止過大或不足的查照間隔導致輪對過岔時沖擊心軌、護軌，對減輕心軌掉塊、護軌側磨具有重要的意義；關注尖軌處滑床臺有無雜物、是否需要涂油，對防止尖軌與基本軌不密貼及尖軌側拱、上拱具有很大的作用。

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