無砟軌道道岔曲尖軌及可動心軌疲勞傷損成因與維護措施研究

王建國

摘要 隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，道岔魚鱗紋病害已成為大家關注的焦點。京哈高鐵大站場側的道岔魚鱗紋多發(fā)生在無砟軌道道岔上，是正線道岔進入到發(fā)線的逆向道岔的曲尖軌上。曲尖軌和可動心軌是無砟軌道道岔上比較常見的軌道形式，文章針對無砟軌道道岔曲尖軌疲勞裂紋和可動心軌疲勞傷損形成的原因進行分析，提出解決的措施。

關鍵詞 高速鐵路;道岔;曲尖軌;可動心軌道岔;滾動接觸疲勞;道岔維修

中圖分類號 U213.244 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0077-03

0 引言

我國高鐵開通10余年來，高速道岔病害開始逐步出現(xiàn)，CN系列、客專系列道岔長心軌、翼軌、轉(zhuǎn)換凸緣、間隔鐵等部位發(fā)生多起傷損，影響了列車運行秩序，危及行車安全。高速道岔中曲尖軌和可動心軌是道岔的重要組成部分，具有結構復雜、受荷載作用大、病害多發(fā)等特點。可動心軌也是工務和電務管理的交叉點，維護難度大。基于軌道線路的重要性和易出現(xiàn)疲勞傷損等病害特性，建設單位和施工單位除應采取多種有效措施防止或減少無砟軌道出現(xiàn)裂縫傷損外，還應在無砟軌道出現(xiàn)裂縫后及時采取措施對損傷進行治理并加強傷損修復處的監(jiān)測，降低傷損的復現(xiàn)概率，為列車的安全運行提供可靠的線路保障。

1 無砟軌道概述

與傳統(tǒng)有砟軌道相比，無砟軌道因其可靠性高、軌下基礎和運營條件適應性強、耐久壽命長、施工靈活、平穩(wěn)性好和維護量小等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應用在我國新建軌道交通建設中。但由于無砟軌道在我國的使用時間較短，在設計、施工和運營維護等方面還不太成熟等，無砟軌道道床彈性差、剛度強，無砟軌道在運營一段時間后較易出現(xiàn)裂縫等傷損問題。

2 京哈高鐵道岔傷損

高速鐵路無砟軌道中無砟道岔是薄弱環(huán)節(jié)，無砟道岔應用時間較短，在日常養(yǎng)護中沒有太多的經(jīng)驗可以借鑒，在京哈高鐵幾年的養(yǎng)護維修過程中，整體狀態(tài)良好，但是近期在檢查中發(fā)現(xiàn)道岔曲尖軌出現(xiàn)不同程度的側面磨耗，特別是大站場側出道岔曲尖軌側磨尤為嚴重，有部分曲尖軌側面磨耗達4 mm以上，已列為重點監(jiān)控對象，通過長期的觀測及監(jiān)控分析，發(fā)現(xiàn)側向進站道岔轍叉短心軌、岔跟尖軌頂面與作用邊易產(chǎn)生魚鱗傷，并形成剝落掉塊，這些問題嚴重影響到了高鐵設備安全，導致高鐵運營也存在極大的安全隱患。

尖軌側磨、魚鱗紋較多的地方主要集中在正線道岔進入到發(fā)線的逆向道岔的曲尖軌上，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)曲尖軌新上線后第8～10天，尖軌跟端、導曲軌即出現(xiàn)細微、肉眼可見的魚鱗傷，隨后損傷迅速發(fā)展，長度、深度、密度均有所增加。后期表現(xiàn)為軌頭壓潰、垂磨、側磨等病害，其中壓潰多出現(xiàn)在曲基軌及導曲下股，尤以第一轉(zhuǎn)轍機至轍叉間部分發(fā)展嚴重。

根據(jù)觀察結果，大站場側出道岔魚鱗傷的發(fā)展趨勢如下：

（1）大量流量，背面的火車和火車進入車站的傳統(tǒng)制動使鐵路軌距角在短期內(nèi)出現(xiàn)斜裂縫，魚鱗發(fā)展速率大于列車的磨損速度。但初始一般深度不深，只有1～2 mm。

（2）傾斜裂縫在早期發(fā)展迅速，但形成一定狀態(tài)后，發(fā)展速度相對滯后。

（3）當鋼軌塑性變形向流線方向擴展并達到一定深度時，在水平剪應力的作用下形成水平帽。隨著水平帽的不斷膨脹，部分鋼軌表面脫落，其方形方向與行駛方向一致。接頭冒沿在初期發(fā)展較快，出現(xiàn)冒沿后在迎車端鋼軌作用邊一側有明顯增長，后進入發(fā)展變緩階段。同時，在非迎車端側出現(xiàn)冒沿，由單側演變發(fā)展為雙側。

3 曲尖軌裂紋成因分析

根據(jù)高速鐵路道岔設計圖紙控制斷面，采用鋼軌廓形儀分別對我國某高速鐵路兩組客專線60軌18號道岔曲尖軌尖端、頂寬3 mm、5 mm、20 mm、35 mm、50 mm和72 mm斷面位置的曲尖軌-基本軌組合廓形進行了測量。兩組道岔分別為逆向-側向進岔和順向-側向出岔，列車側向過岔最高速度80 km/h，根據(jù)綜合檢測車測力輪對實測速度68～73 km/h，測試時距離上道時間約3個月，每天通過列車5～7對，通過總重有限，可認為道岔鋼軌未發(fā)生明顯磨損。

3.1 無砟軌道道床彈性差，剛度強

綜合來看，曲尖軌在頂寬20～50 mm區(qū)域均可能形成疲勞裂紋，且應根據(jù)1、2位輪對外輪對曲尖軌不同控制斷面的疲勞指數(shù)來確定其對裂紋形成的貢獻[1]。此外，現(xiàn)場觀測表明，高速道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)鋼軌磨耗隨著服役時間的增長逐漸趨穩(wěn)，這為曲尖軌疲勞損傷的累積提供了條件：在道岔服役初期，磨耗發(fā)展快，鋼軌表面和亞表面疲勞損傷來不及累積到臨界值便被磨耗掉;當磨耗逐漸趨穩(wěn)，廓形變化較小時，鋼軌表面和亞表面疲勞損傷不斷累積直至達到臨界值，形成疲勞裂紋（如圖1～2）。

3.2 道岔結構性原因

還有的時候是因為道岔結構性原因，根據(jù)規(guī)定，尖軌與基本軌頂面高度偏差不大于1 mm。尖軌降低值超限會影響車輛通過道岔時的動力特性、輪載轉(zhuǎn)移和輪軌接觸情況。京哈高鐵道岔的導曲部分是圓曲線型的，但它不像曲線設有超高，（18號道岔圓曲線半徑是1 100 mm）列車通過時對道岔的導曲上股及曲尖軌產(chǎn)生較大的橫向力。針對超高的問題，在設置曲線超高的時候有外軌抬高法和線路中心高度不變法兩種方法。“設置超高時，最理想的方法是將超高值之半在里股鋼軌向下落低，而將另一半在外股鋼軌向上抬高，這樣設置的超高可使車輛通過曲線時，其重心高度幾乎不變，從而避免了不必要的上下振動。”在京哈高鐵的養(yǎng)護維修過程中有利用這個原理進行實踐過，發(fā)現(xiàn)整治10 mm左右的曲線超高效果明顯，特別對反向曲線夾直線的晃車非常好，對條件允許夾直線上最好有20 m左右的過渡平臺，不允許就在夾直線長度一半上，兩邊同時順坡，順坡率不大于0.6‰。借用設置曲線超高的線路中心高度不變法，去處理轍叉上的魚鱗紋效果明顯。

除了超高的問題，在道岔區(qū)還存在側向轍叉部水平整體低于護軌一側曲下股的水平，導致曲線反超的現(xiàn)象。針對這個問題可以采取以下方式：

一撒：是撤出轍叉部曲下股調(diào)高墊板3～5 mm，在撒板段兩側做好順坡，這樣就能減小車輪對轍叉的橫向沖擊，緩解魚鱗紋的發(fā)展，提高設備質(zhì)量。二改：是改正曲下股軌距，達到按標準軌大1 mm左右，不要有小軌距，道岔側向?qū)糠窒鹿绍壘嘈∫仔纬赊H叉魚鱗紋。三必保：是在檢查或作業(yè)中，必須保證道岔轍叉部位的水平，一定要曲下股低于轍叉，這樣能減少魚鱗傷的形成。

3.3 曲尖軌低于曲基本軌，使曲尖軌承受更大的離心力

目前有一些高速鐵路的道岔區(qū)段養(yǎng)護維修質(zhì)量不高，曲線超高的設置矛盾頗多。一些無砟軌道道岔的曲尖軌低于曲基本軌，使曲尖軌承受更大的離心力，從而產(chǎn)生了裂紋[2]。一般尖軌和基本軌是一樣高的（尖軌頭上比基本軌略低），但是在京哈高鐵支線進行維護過程中有見過因為時間長而導致軌道變形后導致尖軌會比基本軌高，這樣的道岔很容易讓機車輪緣跳上軌面導致機車脫軌。必須保證道岔曲尖軌的水平高于曲基本軌。具體的話是將道岔曲尖軌一側墊入2 mm的調(diào)高墊板，這樣能減小列車通過時車輪對尖軌的沖擊，最好是墊高曲尖軌尖端至導曲上股絕緣接頭處（58根枕木上），道岔直股兩端按不大于0.6‰，做好順坡。

3.4 道岔彎折點尺寸存在問題

道岔曲基本軌的彎折是為了適應尖軌尖端方向的突變和轉(zhuǎn)轍部分軌距遞減率較大而設置的。必須做到恰到好處，彎折過大或過小，都會造成轉(zhuǎn)轍部分方向不良，軌距超限，導致列車搖晃。因為岔曲基本軌彎折處，就像曲線的額頭一樣，是產(chǎn)生晃車的源頭，彎折點尺寸不好，使列車通過時產(chǎn)生的車輪橫向阻力增大。道岔養(yǎng)護過程中，如發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍部分軌向不良，軌距難以保持的情況就需要對尺寸進行檢查，發(fā)現(xiàn)有出入，可以改正曲下股彎折點處的彎折尺寸及軌距，做到按標準軌距1 435 mm，減少車輪的橫向沖擊力，還可以用彎軌器對彎折量進行調(diào)正，以達到根治道岔病害的目的。

4 可動心軌傷損案例及原因

4.1 CN系列道岔翼軌折斷的原因

CN系列道岔翼軌由普通60 kg/m鋼軌制造，客專道岔翼軌采用TY特種斷面。在車輪通過可動心軌時在翼軌上過渡，翼軌受到輪對橫向向外的力量，導致翼軌有向外傾覆趨勢，故安裝軌撐，以提高結構的整體性。為保證列車通過道岔時乘客乘坐的舒適性，客專道岔采用將翼軌加高2 mm設計。客專道岔采用合理的可動心軌結構形式以改善輪軌接觸關系，提高列車過岔平穩(wěn)性和安全性，延長道岔使用壽命。結構不平順造成輪軌在可動心軌區(qū)劇烈的相互作用。隨著翼軌向外彎折，輪軌主要接觸區(qū)域開始外移，客專18#道岔心軌頂寬50 mm處的心軌降低值為0，此時翼軌向外側彎折50 mm，所以其翼軌上的輪軌主要接觸點也會相應地向外側移動50 mm，導致列車輪對質(zhì)心向心軌移動，增大作用力。

4.2 客專道岔長心軌折斷的原因

客專道岔長短心軌之間設有夾片，以保證長短心軌密貼。轉(zhuǎn)換過程中，長短心軌會發(fā)生一定的相對位移，由于相互摩擦，夾片滑入長心軌彈性軌底，并嵌入長心軌軌底與滑床臺板之間，導致長心軌受力不均勻，從而產(chǎn)生裂紋，裂紋沿螺孔向上發(fā)展最終折斷。通過減小長心軌剛度，增加其橫向擺動的彈性，形成懸臂梁結構，在螺栓孔等薄弱處出現(xiàn)疲勞傷損。客專系列道岔長短心軌為拼接結構，采用螺栓連接，可動心軌在定位和反位轉(zhuǎn)換過程中有位移相錯量，將長短心軌之間調(diào)整縫隙的調(diào)整片磨薄，滑向長心軌底部，墊在滑床臺上，導致長心軌受力發(fā)生變化而折斷。

4.3 可動心軌間隔鐵拉斷的原因

可動心軌部位間隔鐵為了傳遞區(qū)間與站內(nèi)股道溫度應力，在結構上采用扭力矩為900～1 100 nm的螺栓，螺栓和間隔鐵連接處采用膠接方式增強結構強度。為保持心軌整體性，固定長心軌與翼軌、岔跟尖軌與翼軌，以提高整體框架結構強度。鎖定軌溫是無縫線路輔鋪設和養(yǎng)護維修的依據(jù)。在新線建設過程中，施工單位如果未按無縫線路和道岔鎖定要求施工，設備管理單位提前介入不及時，就會造成無縫道岔未按要求溫度鎖定。由于該道岔在冬季鋪設和鎖定，夏季軌溫過高就造成道岔內(nèi)部溫度應力過大，從而導致間隔鐵拉斷。該組道岔違背相關標準，造成無縫道岔設計鎖定軌溫與兩端區(qū)間無縫線路設計鎖定軌溫不一致，無法滿足跨區(qū)間無縫線路允許溫升與溫降要求。

5 高鐵道岔養(yǎng)護維修措施

5.1 定期巡查線路

嚴格按照每周1次巡查道岔結構，做到巡查項目全覆蓋。道岔間隔鐵、限位器連接螺栓、護軌螺栓、長短心軌聯(lián)結螺栓、接頭鐵螺栓應保持齊全、作用良好，折斷時必須立即更換。道岔同一部位只有2條螺栓或接頭鐵螺栓有1條缺少或折損時，應停止使用。頂鐵、心軌防跳鐵和心軌防跳卡鐵等各部位聯(lián)結和固定螺栓變形、損壞或者作用不良時，應進行修理或更換，并從設計源頭，結合道岔輪軌關系受力特點進行分析，及時補充原廠配件。

5.2 加強探傷檢測

探傷時將方木置于長心軌與翼軌中間，做好安全防護。利用K1探頭、K2.5探頭結合手錘和反光鏡檢查，當探頭探測出現(xiàn)疑似波形，分析儀器屏幕上顯示水平位置、深度、輻射當量值時，確認波形位移量，結合手摸、尺量、眼看確認出波位置，判斷是傷波還是缺陷波。比照焊縫探傷判傷標準，即軌底達到大于或等于直徑4 mm豎孔當量時，判重傷;小于上述標準時，判為輕傷。

5.3 整體更換

可動心軌利用大部件更換時，可以整體更換可動心軌。整體更換有以下好處，首先，心軌和翼軌整體更換利于保持可動心軌結構的整體性和各部結構匹配。其次，整體更換僅需將可動心軌前后基本軌和渡線M30岔枕螺栓拆卸后原位換裝即可，標準化原裝設備可提高電務、供電設備更換效率。第三，可以提高機械化程度，減少人工操作，也便于積累可動心軌更換經(jīng)驗，推廣工法[3]。施工完成后，對現(xiàn)場設備技術狀態(tài)進行聯(lián)合回檢，達到放行列車條件，方可開通線路。

5.4 盤活備用料并加強技術攻關

設備管理單位須高度重視培養(yǎng)高技能人才，加強道岔備用材料管理，可以將備用道岔鋪設在實訓場，這樣一來可以有效地保護道岔配件及其結構，另外還可以詳細地掌握已消耗道岔配件種類和數(shù)量，便于及時補充;另外將備用道岔鋪設在實訓場可以綜合地進行利用，進行職工的培訓，提升職工職業(yè)技能水平，開展技術攻關。

6 結語

道岔是鐵路軌道的重要組成部分，是鐵路線路中最薄弱的設備之一。由于無砟軌道施工工藝簡單、整體程度高，能廣泛適應不同工程基礎結構的施工要求，因此在我國軌道交通項目建設中被廣泛應用推廣。然而無砟軌道因受到各種因素的影響而出現(xiàn)損傷問題，給列車的安全運行帶來嚴重隱患。因此，建設單位和施工單位應加強對無砟軌道曲尖軌及可動心軌疲勞傷損的管理監(jiān)督，確保無砟軌道具有較高的RAMS性能，并在運營過程中增大對無砟軌道的狀態(tài)監(jiān)測密度，確保及時發(fā)現(xiàn)疲勞損傷問題。

參考文獻

[1]黃傳岳，溫浩，楊懷志，等.高速鐵路道岔區(qū)無砟軌道傷損現(xiàn)狀及分類研究[J].鐵道建筑，2019（6）：117-122.

[2]汪愛東，汪鳳弟，韋庭三.城市軌道交通道岔傷損原因分析及整治措施研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（7）：77-79.

[3]王猛，楊東升，司道林.重載鐵路道岔關鍵技術研究與應用[J].中國鐵路，2020（5）：110-115.