重載鐵路用鍛造高錳鋼轍叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

閆 旭 輝

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

1 概述

重載運(yùn)輸是國(guó)際上公認(rèn)的鐵路貨物運(yùn)輸?shù)挠行Х绞街唬哂休S重大、牽引質(zhì)量大、運(yùn)量大的特點(diǎn)。主要代表大秦鐵路是中國(guó)第一條雙線電氣化開(kāi)行重載單元列車(chē)的運(yùn)煤專(zhuān)線，2018年運(yùn)量達(dá)到4.51億t，重載列車(chē)開(kāi)行數(shù)量、密度、貨運(yùn)總重均達(dá)到世界之最，同時(shí)，隨著重載鐵路的發(fā)展，鐵路道岔(轍叉)無(wú)縫化技術(shù)逐漸進(jìn)行推廣，作為道岔的核心部件——轍叉，整鑄轍叉壽命僅為1億t～1.3億t，而線路天窗時(shí)間短，更換軌件工作量大，較頻繁的更換，不但增加養(yǎng)護(hù)維修成本，對(duì)行車(chē)安全也造成隱患，已不能滿(mǎn)足既有線路要求。為此，采用鍛造高錳鋼材料研發(fā)的75 kg/m鋼軌12號(hào)鍛造高錳鋼組合轍叉，不但結(jié)構(gòu)安全性高，而且鍛造高錳鋼高強(qiáng)度、超強(qiáng)韌的特點(diǎn)得以充分發(fā)揮，大幅延長(zhǎng)服役壽命，材料性能見(jiàn)表1。

表1 材料性能

2 設(shè)計(jì)原則

1)適用30 t軸重以下，貨車(chē)以V≤90 km/h速度通過(guò)的運(yùn)行條件。

2)與既有SC559、研線1116道岔中的轍叉可互換。

3)適應(yīng)跨區(qū)間無(wú)縫線路。

3 結(jié)構(gòu)

75 kg/m鋼軌12號(hào)鍛造高錳鋼組合轍叉(以下簡(jiǎn)稱(chēng)組合轍叉)由鍛造高錳鋼心軌(以下簡(jiǎn)稱(chēng)錳叉心)、翼軌、叉跟軌、間隔鐵、鐵墊板、高強(qiáng)螺栓、彈性扣件、軌下及板下墊層等部件組成，見(jiàn)圖1。

3.1 錳叉心

3.1.1材質(zhì)

采用高強(qiáng)度、高韌性、低裂紋敏感性的鍛造高錳鋼制造。鍛造后基本消除內(nèi)部縮孔、縮松等鑄造缺陷，組織更加均勻，力學(xué)性能優(yōu)異。

3.1.2錳叉心與翼軌配合結(jié)構(gòu)

1)錳叉心中間區(qū)域。錳叉心與翼軌上下顎1∶4斜面配合，上下顎圓弧處間隙配合，翼軌軌頭與鋼軌軌頭間隙1 mm。

2)錳叉心兩端區(qū)域。為了避免車(chē)輪橫向力對(duì)應(yīng)錳叉心兩端薄弱區(qū)域沖擊而造成裂紋、剝落掉塊病害的發(fā)生，錳叉心兩端與翼軌(鋼軌)軌頭采用密貼配合，同時(shí)設(shè)計(jì)較大的心翼軌高差，提高強(qiáng)度。

3.1.3錳叉心趾端過(guò)渡段結(jié)構(gòu)

通過(guò)設(shè)計(jì)合理的錳叉心趾端頂面與翼軌的高差，LMA車(chē)輪在錳叉心翼軌外側(cè)距軌距線40 mm寬位置(實(shí)際選取咽喉位置)與鋼軌和錳叉心頂面接觸，隨錳叉心翼軌寬度減小，車(chē)輪逐漸脫離錳叉心向翼軌過(guò)渡，在錳叉心翼軌外側(cè)距軌距線20 mm寬位置，車(chē)輪距錳叉心頂面最小間隙不少于2 mm,過(guò)渡長(zhǎng)度L2mm，L2區(qū)域軌頂面呈斜面降低，提高趾端的平順性，見(jiàn)圖2。

3.1.4心軌結(jié)構(gòu)

為了提高錳叉心心軌寬20 mm～50 mm區(qū)域強(qiáng)度，降低接觸應(yīng)力，延長(zhǎng)轍叉使用壽命，對(duì)心軌工作邊加寬設(shè)計(jì)：心軌寬20 mm～50 mm區(qū)域單側(cè)均勻按1∶5斜度加寬，然后向兩端過(guò)渡。加寬后心軌承載面面積較大，心軌粗壯，接觸應(yīng)力降低，延長(zhǎng)心軌使用壽命不低于40%。

3.1.5降低值

大數(shù)據(jù)表明，轍叉服役過(guò)程車(chē)輪對(duì)心軌的沖擊強(qiáng)度大于翼軌，為此通過(guò)增大心軌降低值的措施，即車(chē)輪從心軌往翼軌過(guò)渡時(shí)，在脫離心軌30 mm斷面后與心軌不再接觸，翼軌完全承受載荷，從而減少車(chē)輪對(duì)心軌小斷面區(qū)域的沖擊，延長(zhǎng)心軌使用壽命。

3.1.6錳叉心間隔鐵與叉跟軌配合結(jié)構(gòu)

轍叉錳叉心間隔鐵與叉跟軌上鄂主要為圓弧和少部分1∶4斜面配合，尾部設(shè)計(jì)為燕尾結(jié)構(gòu),提高抵抗溫度力性能，因此，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，燕尾結(jié)構(gòu)能夠阻止叉跟軌水平方向移動(dòng)，適用于無(wú)縫線路。

3.2 翼軌、叉跟軌

材質(zhì)均選用U75V在線熱處理鋼軌制造。翼軌僅對(duì)第一個(gè)折點(diǎn)軌頭進(jìn)行刨切，以減少翼軌刨切量和彎折角度，降低組裝難度。

3.3 止口間隔鐵結(jié)構(gòu)

止口間隔鐵設(shè)計(jì)圓形凸止口，與錳叉心凹止口連接，為面接觸，單位面積承載較大，整體穩(wěn)定性較好，見(jiàn)圖3。

3.4 間隔鐵及高強(qiáng)螺栓

采用材料為Q235B的焊接間隔鐵結(jié)構(gòu)，共6塊；18條M30 10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓和10級(jí)的防松螺母組裝聯(lián)結(jié)。

3.5 軌底坡設(shè)置

轍叉趾、跟端設(shè)1∶40的軌底坡，轍叉趾端的軌底坡是由翼軌前接頭夾板后280 mm扭轉(zhuǎn)過(guò)渡。

3.6 螺栓的防松

叉跟軌與翼軌重合范圍采用螺栓+防轉(zhuǎn)墊圈+GB6184自鎖螺母，其余采用螺栓+防轉(zhuǎn)墊圈、NS-01b雙螺母防松。

4 組合轍叉部件強(qiáng)度校核

經(jīng)分析，圖3處結(jié)構(gòu)受力大，屬薄弱部位，因此對(duì)該處部件進(jìn)行校核。依據(jù)車(chē)輛—道岔耦合動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，車(chē)輛過(guò)岔時(shí)，產(chǎn)生的最大輪軌豎向力F為300 kN，心軌采用鍛造高錳鋼制造，抗拉強(qiáng)度900 MPa，屈服強(qiáng)度400 MPa。

4.1 圖3處高強(qiáng)螺栓受拉校核

1)查標(biāo)準(zhǔn)，M30高強(qiáng)螺栓施工預(yù)拉力Pe=407 kN(實(shí)際采用值)。2)10.9級(jí)別高強(qiáng)螺栓的許用拉應(yīng)力[σ]：900 MPa。3)螺栓直徑d：30 mm。4)摩擦力f。

建立高強(qiáng)螺栓受力模型，如圖4所示。由于錳叉心與鋼軌下斜面接觸，在豎向力F作用下，擠壓力F3產(chǎn)生靜摩擦力f:

N=F3=F×73/(37+73)=300×73/(37+73)=210 kN。

f=μN(yùn)=0.15×210=31.5 kN。

其中，μ為摩擦系數(shù)，取μ=0.15；N為壓力，N。

F1=Pe=407 kN。

F2=F3×sin14.07°=210×0.24=50.4 kN。

F0=F1+F2-f=407+50.4-31.5=425.9 kN。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論危險(xiǎn)截面拉伸應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足：σca=1.3σ≤[σ]。

σca=784 MPa≤900 MPa。

結(jié)論：圖4處M30螺栓拉應(yīng)力強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4.2 圖5處止口間隔鐵強(qiáng)度

4.2.1受壓校核

間隔鐵材料為Q235B，許用擠壓應(yīng)力[σbc]：240 MPa。

4.2.2受剪校核

間隔鐵材料為Q235A，許用剪切應(yīng)力[τ]：98 MPa。

τ=[τ]。

結(jié)論：圖3處止口間隔鐵強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

5 關(guān)鍵技術(shù)

1)國(guó)內(nèi)首次采用鍛造高錳鋼材料制造錳叉心，大幅提高轍叉的使用壽命。

2)心軌等寬加寬設(shè)計(jì)，降低了制造難度，提高了心軌強(qiáng)度。

3)合理的結(jié)構(gòu)，例如心軌降低值、錳叉心前端和后段降低值等，提高了轍叉平順性，減少了車(chē)輪對(duì)心軌小斷面區(qū)域的沖擊。

6 上道情況

6.1 上道信息

2018年開(kāi)始組合轍叉在大秦鐵路神朔鐵路小批量上道應(yīng)用，良好效果，在線轍叉最大通過(guò)總重5.64億t，截至4月24日在線轍叉使用情況的統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，圖5。

表2 在線使用信息

6.2 磨耗分析

對(duì)在大秦鐵路上道使用鋼組合轍叉和普通線路鑄造高錳鋼轍叉輪廓檢測(cè)可知，在同等運(yùn)量條件下，鍛造高錳鋼與鑄造高錳鋼磨耗相比，前者心軌磨耗明顯低于后者，翼軌磨耗接近，見(jiàn)圖6。

由于鍛造高錳鋼綜合力學(xué)性能更加優(yōu)異，每?jī)|噸心軌垂磨量0.8 mm，而鑄造高錳鋼每?jī)|噸心軌垂磨量達(dá)1.4 mm。

7 結(jié)語(yǔ)

由于鍛造高錳鋼高強(qiáng)度、超強(qiáng)韌等特點(diǎn)，降低了鐵路工務(wù)轍叉養(yǎng)護(hù)工作量，大幅提高服役壽命，經(jīng)與國(guó)內(nèi)主流道岔廠家制造的不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)的組合式轍叉同工況、同岔位應(yīng)用比較，中鐵寶橋開(kāi)發(fā)的組合轍叉在2018年率先滿(mǎn)足了大秦線遷安北站無(wú)縫化連接要求，并完成了與線路的焊連，產(chǎn)品質(zhì)量深受用戶(hù)好評(píng)。作為轍叉高端產(chǎn)品，市場(chǎng)前景廣闊，將在我國(guó)重載線路上得到廣泛應(yīng)用。