既有普速鐵路合金鋼轍叉優化研究

喬神路 劉婷林

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室，北京 100044)

轍叉是鐵路道岔的關鍵組成部分。為適應運量增大、軸重增加的運營需求，合金鋼轍叉近年來在普速鐵路正線道岔上得到了廣泛應用。相較于傳統高錳鋼轍叉，合金鋼轍叉強度高、耐磨性好，使用壽命較長[1-2]，且可實現無縫化，已成為普速鐵路正線道岔的主型轍叉，并應用于重載鐵路及城市軌道交通[3-4]，發展出多種結構形式[5]。

鍛制合金鋼心軌組合轍叉是合金鋼組合轍叉的基本型式，結構簡單，加工制造方便，目前應用最為普遍。鍛制合金鋼心軌組合轍叉由翼軌、鍛造心軌、叉跟軌等通過高強螺栓聯結而成，其中鍛造心軌采用合金鋼坯制造；翼軌、叉跟軌采用普通鋼軌制造。由于翼軌強度較低，現場轍叉多因翼軌過量磨耗或心軌傷損提前下道，造成更換作業頻繁，難以適應現場高密度、大運量的運輸條件，已成為工務養護維修的重點和難點[6-7]。目前合金鋼組合轍叉既有研究集中于養護維修措施的強化[8-11]，也對合金鋼轍叉新結構新方案有所關注[12-13]，但較少考慮既有轍叉的優化完善。

根據實際需求，以普速鐵路60 kg/m鋼軌12號道岔(SC330)某型既有合金鋼轍叉為基礎，對鍛制合金鋼心軌組合轍叉進行結構優化設計研究，以期改善轍叉服役性能，延長轍叉使用壽命。

1 既有轍叉結構特點

既有鍛制合金鋼心軌組合轍叉趾長m=2 192 mm，跟長n=3 800 mm，平面布置見圖1，結構特點如下。

圖1 既有鍛制合金鋼組合轍叉

(1)心軌為合金鋼鍛造叉心與叉跟軌組合式結構，翼軌、叉跟軌采用普通鋼軌制造。

(2)翼軌平直段由心軌20 mm斷面至心軌50 mm斷面；翼軌設置抬高6 mm，抬高過渡段由咽喉至心軌50 mm斷面。

(3)鋼軌件采用M27高強度螺栓副、間隔鐵及鋼軌墊圈聯結。

(4)采用Ⅱ型彈條分開式可調扣件，利用軌距塊調距。

(5)轍叉下設5 mm厚橡膠墊板，鐵墊板下設10 mm厚橡膠墊板。

2 現場典型病害

(1)翼軌磨耗過快，心軌剝離掉塊情況見圖2。翼軌最大磨耗出現在心軌、翼軌之間的輪載過渡范圍，此處輪軌沖擊作用強，鋼軌承載面積有限。翼軌磨耗超限是既有轍叉下道的主要原因。

圖2 翼軌磨耗及心軌傷損

(2)心軌端部軌下膠墊壓潰竄出情況見圖3。心軌端部軌下膠墊在輪載長期反復作用下發生壓潰失效，影響叉心承載能力，加劇輪軌沖擊及翼軌磨耗。

圖3 心軌端部軌下膠墊失效

(3)間隔鐵螺栓剪斷情況見圖4。輪載過渡范圍輪軌沖擊作用顯著，該范圍內心軌與翼軌聯結的單根螺栓間隔鐵承載能力不足，易發生剪斷。

圖4 間隔鐵螺栓斷裂

3 結構優化研究

3.1 優化設計原則

(1)轍叉趾長、跟長保持不變。

(2)墊板釘孔與既有轍叉一致。

(3)扣件采用II型彈條扣件。

(4)盡量利用既有通用零部件。

(5)適用于跨區間無縫線路。

3.1 翼軌平直段設置

既有轍叉翼軌平直段范圍由叉心20 mm斷面至50 mm斷面，是我國普速道岔轍叉普遍采用的設置方式[14]。考慮過岔速度不高，本次優化合金鋼組合轍叉翼軌平直段起點可由既有轍叉的心軌20 mm斷面移至心軌理論尖端，增加翼軌在輪載過渡范圍的有效承載面積，減小輪軌接觸應力，進而延緩翼軌垂向磨耗，延長其使用壽命。平直段起點改變后，翼軌輪載過渡段的沖擊角有所增大，但此部分位于護軌平直段范圍內，不會增大列車對翼軌沖擊作用。

3.2 翼軌軌頭刨切

既有轍叉翼軌軌頭未進行加工，由于軌頭廓形的影響，車輪踏面與翼軌軌頂的實際接觸面積有限。本次優化對軌頭工作邊進行機加工，在咽喉至心軌50 mm斷面范圍內，對軌頭工作邊豎向刨切0～4 mm(見圖5)，減小軌頭側面連接圓弧所占寬度，增加車輪踏面在翼軌頂面上的有效碾壓寬度，避免翼軌及心軌的快速磨耗。

圖5 翼軌軌頭刨切(單位：mm)

3.3 叉心結構及軌下支承方式

既有轍叉叉心始端僅部分支承在鐵墊板處，叉心在荷載作用下的變形及軌下膠墊局部受力較大。為提高叉心承載力，減小結構變形，本次優化設計將叉心向轍叉趾端延長至鐵墊板邊緣，增加叉心始端的支承面積；為避免軌下膠墊壓潰竄出等病害，叉心前端軌下取消膠墊，采用相同厚度的剛性臺板。

3.4 間隔鐵布置

既有轍叉在咽喉與叉心理論尖端之間、叉心理論尖端與心軌50 mm斷面之間、心軌70 mm斷面附近均只設1個單根螺栓間隔鐵，聯結強度不足，本次優化改為雙螺栓間隔鐵，保證結構在車輛沖擊荷載下的穩定性。轍叉水平聯結螺栓數量由15根增加至18根，可提高轍叉承受及傳遞鋼軌溫度、制動等縱向力作用的能力，適應無縫化需求。

轍叉優化后的間隔鐵分別設置于咽喉前、咽喉后、理論尖端后、心軌70 mm斷面、叉跟軌50 mm斷面、翼軌跟端、叉跟軌跟端處，見圖6。除叉跟軌50 mm斷面、叉跟軌整軌頭處為單螺栓間隔鐵外，其余位置均為雙螺栓間隔鐵。

圖6 優化后的間隔鐵布置

3.5 螺栓防松措施

轍叉間隔鐵高強螺栓垂直于轍叉角平分線，為保證螺栓正常安裝，既有轍叉鋼軌墊圈在與鋼軌接觸一側設置斜差，但高度不變，現場安裝不易區分。根據相關實驗[15]，在鋼軌墊圈裝反的情況下，M27高強螺栓應力增幅可達30%，在車輛荷載長期反復作用下，轍叉螺栓發生斷裂的可能性顯著增加。為此，本次優化采用結構高度隨斜差變化的鋼軌墊圈，方便現場正確安裝，同時設置防轉片，避免螺栓發生松動，見圖7。

圖7 優化前后的鋼軌墊圈示意

3.6 整體墊板

既有轍叉軌件鐵墊板支撐設在岔枕處，在車輛荷載作用下，輪載過渡范圍內的叉心、翼軌等軌件難以實現協調變形，造成翼軌或心軌磨耗傷損，影響轍叉使用壽命，增加現場養護維修量。

本次優化設計整體鐵墊板，跨枕設置于輪載過渡段范圍，現場可根據實際情況替換使用，見圖8。鐵墊板頂面與翼軌軌底接觸的部分設置縱坡，并在縱坡范圍內設置鐵座，保證彈條對翼軌軌底的正常扣壓；由于叉心沒有抬高，且為保證鐵墊板與岔枕聯結螺栓的正常安裝，鐵墊板在與叉心軌底接觸及聯結螺栓安裝范圍內保持平面。為避免軌下彈性墊板壓潰，影響結構正常使用，整體鐵墊板不設軌下彈性墊板，鋼軌與鐵墊板剛性接觸，通過增加鐵墊板厚度保證軌面高度不變。

圖8 整體墊板

4 結論與建議

針對既有普速合金鋼轍叉的典型病害，對合金鋼轍叉進行結構優化研究，提出延長翼軌平直段范圍、翼軌軌頭刨切、強化叉心結構及下部支承、優化間隔鐵布置及螺栓防松措施、采用整體墊板等結構優化措施，可有效延長轍叉使用壽命。優化后的轍叉保持墊板釘孔不變，可與既有合金鋼轍叉互換使用，具有較好的實施性。

合金鋼組合轍叉型式多樣，結構復雜，零部件較多，更換作業費時費力，不能適應現場天窗時間短的實際條件，影響線路開通質量。為此，建議結合對鍛制合金鋼心軌組合轍叉、合金鋼鋼軌組合轍叉、鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉、焊接式翼軌加強型合金鋼組合轍叉的結構優化，對合金鋼組合轍叉在線更換技術進行深入研究，實現不同型式合金鋼組合轍叉易損軌件的單獨更換，降低轍叉養護成本，提高經濟效益。