提速道岔心軌啟動卡阻原因分析及解決方案

張明鵬

成綿樂城際鐵路始發江油站，終到峨眉山站，共設20座車站，于2014年12月開通運營，初期運營速度為200 km/h；2017年提速達標整治后，運營速度提升至250 km/h。成綿樂城際鐵路正線有90組客專線（07）009型道岔，其心軌采用ZYJ7+SH6配置的電液主、副機牽引［1］。據統計，成錦樂城際鐵路2020年共發生啟動后第2.2～2.8 s內心軌卡阻故障12件，其中10件為客專線（07）009型道岔。

現場處置時，用榔頭敲擊鎖鉤頭即可正常解鎖，后續扳動道岔良好，且在很長一段時間內不易復發，導致問題不能有效處理，存在重復發生的可能。

1 心軌轉換動作原理

心軌解鎖過程包含轉換設備機內解鎖，動作過程時間節點分布見圖1。

圖1 心軌轉換動作過程時間節點分布

以客專線（07）009型道岔為例，心軌轉換時長約8 s，兩點牽引心軌轉換過程對應的3個時間分布為：①階段1（0～3 s），機內以及外鎖閉解鎖過程；②階段2（3～6.5 s），轉轍設備帶載轉換過程；③階段3（6.5～8 s），轉換到位完成鎖閉行程。

現場在對10件客專線（07）009型道岔心軌卡阻故障排查中發現了3個共性問題：一是心軌的2個牽引點在啟動后動作不同步，心2明顯快于心1；二是故障位鎖鉤和鎖閉桿凸臺重合面（鎖閉量）均有不同程度的異常磨痕［2］；三是鎖閉桿與動作桿連接處（鴨嘴鐵）發生形變，轉換設備在拉入或伸出位置時，動作桿與鎖閉桿連接處別勁，螺栓銷絕緣管墊兩側無間隙且發生變形。

2 心軌卡阻分析

2.1 道岔阻力

外鎖閉道岔的轉換阻力受多種因素影響［3］，其表達式為：

式中：F為道岔轉換阻力；Fm為由道岔可動部件滑動摩擦引起反映到牽引點的阻力；Ft為道岔可動部件反映到牽引點處的反彈力；Fq為其他因素引起反映到牽引點處的阻力；Fe為轉換阻力理論計算值；K為考慮實際使用中各種因素的系數。

現場模擬故障情形：在心軌第2牽引點鎖閉位（伸出側和拉入側）的鎖鉤和鎖閉桿凸臺內，分別卡入直徑不小于1 mm的異物，用三相交流轉轍機拉力測試儀對心軌2個牽引點輸出力進行測試（見圖2）。綜合2個牽引點轉換力分析可得：在道岔外鎖閉解鎖時，心2除需克服阻力Fm外，還需提供更多的力來克服異物引起反映在牽引點的反彈力Ft和阻力Fq，此時又因兩牽引點存在明顯動作不同步，可動心軌在兩牽引點的相互作用下產生形變，心2鎖鉤別卡不解鎖造成道岔無法正常轉換。

圖2 模擬鎖閉桿與鎖鉤卡異物時道岔扳動推拉力

2.2 磨痕產生原因

心軌第2牽引點外鎖閉結構見圖3。通過分析對比鎖鉤與鎖閉桿凸臺的磨痕形狀，兩者完全重合。列車高速過岔，輪對撞擊牽引點處時鎖閉位的鎖鉤和鎖閉桿間會出現間隙，伴隨巨大的風力形成渦流現象，將道床以及岔槽內的不規則顆粒異物卷入鎖鉤與鎖閉桿的縫隙和外鎖閉裝置的有害空間內，當道岔再次啟動時，顆粒物被帶入鎖鉤與鎖閉桿凸臺內，使得鎖閉側鎖鉤位置上升，接觸面由原來的面接觸變為了線或點接觸，來回多次扳動道岔，鎖閉桿帶著異物動作就造成鎖閉桿凸臺和鎖鉤磨痕［4］。

圖3 心軌第2牽引點外鎖閉結構

2.3 心2受力

1）道岔轉換初始，正常鎖閉位時的鎖閉桿凸臺與鎖鉤為面接觸，當鎖閉桿凸臺和鎖鉤間混入異物時，就使鎖閉桿凸臺與鎖鉤摩擦面由原來的面接觸變為線或點接觸，鎖鉤整體高度稍有升高，且鎖鉤傾斜，與鎖閉鐵形成夾角。又因列車運行對牽引點處撞擊，造成心軌第2牽引點鎖鉤向一側偏移，偏移量越大，夾角越大，下一次道岔扳動時，就必須克服這部分額外的阻力，即道岔動作時，其額外增加的滑動摩擦阻力，造成道岔啟動時功率曲線急劇上升，甚至發生不解鎖故障。功率曲線上升的開始時間為道岔啟動后的2.2～2.8 s，而該時間外鎖閉還未完全解鎖。

現場通過三相轉轍機拉力測試儀進行推拉力測試，心軌第1，2牽引點轉換設備額定轉換力分別為2500 N和4200 N。現場測試在不同溢流壓力下心軌牽引點轉換設備的輸出力見表1。

表1 不同溢流壓力下轉換設備的輸出力

結合表1和圖2綜合分析可以得出：①轉換設備的輸出力與溢流壓力成正比；②心2動作快且提供的力不足以克服轉換阻力時，導致兩牽引動作不同步，心2鎖鉤無法解鎖。現場對故障道岔使用了上述方法測試，結果和模擬情形基本一致。

2）設計以及制造工藝缺陷［5］。鎖閉桿接頭處設計尺寸為：動作連桿開口30 mm，鎖閉桿連接彎頭寬度22 mm，兩側絕緣墊厚度各為3.5 mm，在φ25 mm螺栓緊固后應有1 mm的余量（圖4）。現場檢查發現故障道岔的動作桿開口均不足30 mm，最小的甚至不足28 mm，導致鎖閉桿接頭處別死，絕緣管墊受擠壓變薄，甚至破損，動作桿連接處不能自由擺動。

圖4 心軌動作桿與鎖閉桿連接處結構及尺寸

通過測試φ25 mm螺栓銷尺寸，發現其無絲部分長度不足，導致動作桿開口變小，施工及維修時為滿足防松防脫的要求，螺栓銷復緊后造成鎖閉桿接頭變形，改變了外鎖閉設計結構。在列車高速過岔時，因振動等原因使得鎖鉤發生一定的偏移，動作桿、鎖閉桿和鎖鉤不在一條直線上形成夾角，造成鎖鉤別勁，存在垂直于動作桿和鎖閉桿方向的力。在道岔動作過程中，需要克服這部分額外的力才能順暢的做扇形運動，這也是外鎖閉別卡的又一重要因素。

3 整治方案及措施

3.1 使用改進型心軌鎖鉤

通過現場對外鎖閉裝置分解檢查對比分析，目前在用鎖鉤強度雖然在設計的強度范圍內，但基本處于外鎖閉裝置強度設計的下限［6］，通過和相關專家共同研討，對目前在用外鎖閉裝置進行優化。

1）提高外鎖閉裝置摩擦面的強度和耐磨度，對鎖鉤鎖閉面、鎖閉桿凸臺，以及鎖閉鐵鎖閉斜面進行不小于0.8 mm激光淬火處理，并在其表面滲鋅0.4～0.6 mm，使其達到良好的防腐防銹效果。

2）心軌鎖鉤優化改型，在心軌第2牽引點鎖鉤上增加擋板（見圖5），在列車高速過岔時，將鎖鉤的橫向偏移限定在一定范圍內。現場維護人員定期對外鎖閉裝置進行分解檢查，對磨耗超標的外鎖閉裝置進行成套更換［7］。

圖5 帶有擋板的改進型鎖鉤

2020年下半年，將成綿樂城際鐵路90組道岔的心軌第2牽引點鎖鉤更換為擋板鎖鉤，并在更換后的6個月對原發生過卡阻故障的外鎖閉裝置分解檢查，未發現異常劃痕；鎖鉤基本在鎖閉鐵斜面中心位置，偏移量比使用老式鎖鉤偏移量明顯減少。

3.2 更換動作桿連接銷螺栓

現用動作桿與鎖閉桿連接銷螺栓規格為長度102 mm，無絲長度為49 mm，有絲長度為25 mm，通過和廠家共同研討，將動作桿連接銷螺栓的無絲長度增長1 mm，上道前經過線下試驗，將螺栓銷螺母擰到底后也不會造成連接頭（鴨嘴）變形，滿足施工和現場作業習慣。更換內、外動作桿連接銷螺栓（垂直于道床、φ22 mm），外動作桿和鎖閉桿連接銷螺栓（平行于基本軌（翼軌）、φ25 mm），緊固螺母在規定扭力值緊固后，動作桿連接頭（鴨嘴鐵）仍然有1 mm的間隙，無論道岔在拉入或伸出位，手搖連接頭處能自由擺動，保證道岔扳動時順暢做扇形運動。

采用上述方法整治后，使用三相交流轉轍機拉力測試儀進行推拉力測試（圖6），同圖2對比分析，兩牽引點的同步性和心軌第2牽引點的推拉力最大值明顯降低，較整治前有明顯改善。

圖6 整治后心軌兩牽引點轉換力

4 結束語

經過對成錦樂客專道岔心軌的鎖鉤和螺栓銷更換后，從根本上解決了心軌啟動卡阻問題。同時對管內其他客專線路的外鎖閉道岔心軌采取上述方法進行整治，并在時隔半年后，對更換后的道岔外鎖閉裝置分解檢查，發現劃痕已基本消除，整治效果顯著。