高速道岔長心軌折斷對轍叉狀態的影響

易強 楊東升 楊亮 王樹國

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

道岔是實現列車轉線運行的關鍵設備，也是軌道結構中的薄弱環節。高速鐵路道岔過車速度高，輪軌沖擊劇烈，長期服役后軌件不可避免地存在疲勞損傷，在長期循環荷載作用下可能發展為軌件折斷，嚴重威脅行車安全［1-2］。高速道岔號碼較大，尖軌和心軌較普速道岔更長，轉轍器區和轍叉區零部件也更多，因此高速道岔可動軌件發生折斷的位置更加難以預測。此外，尖軌、心軌制造過程中需要對鋼軌進行彎折以及非均勻機加工以實現變截面［3］，軌腰還需多處鉆孔，多道加工工序使鋼軌內部存在復雜的初始應力［4］。高速道岔可動軌件發生折斷將導致道岔幾何尺寸難以保持，因此開展高速道岔可動軌件折斷對道岔狀態的影響研究具有重要的工程意義。

高速道岔軌件傷損一直是鐵路工務部門的關注重點，但目前的研究主要關注岔區輪軌接觸導致的鋼軌表面疲勞損傷，而對于軌件折斷的研究相對較少。王平等［5］開展了基于彈性波傳播的高速道岔尖軌斷軌識別研究，對比分析了不同激勵頻率、尖軌斷軌位置及密貼狀態等因素對高速道岔尖軌彈性波傳播特性的影響。蘇躍斌［6］采用經驗模態分解理論對道岔的隨機響應信號進行分析處理，結合粗糙集理論和神經網絡的建模方法，研究基于振動信號的高速道岔損傷識別。此外，基于聲發射［7-8］、超聲導波［9-10］等技術的高速鐵路道岔軌件傷損識別技術也得到了廣泛的關注和探索。目前，這些研究尚處于起步階段，未能實現高速道岔軌件折斷的精確監測。司道林等［11］開展道岔尖軌折斷試驗，在尖軌不同位置設置斷縫，分析尖軌折斷對鋼軌錯動以及道岔開行的影響，為道岔運營安全評估提供參考。

對于高速道岔長心軌，由于轍叉區零部件較多，還需考慮長短心軌配合。因此，本文開展轍叉區長心軌折斷的試驗研究，探究長心軌斷裂對轍叉幾何形位以及轉換性能的影響規律。

1 試驗方案

采用常用的客運專線18號高速道岔可動心軌轍叉進行試驗，轍叉圖號為客專線（07）004-Ⅲ。該型號可動心軌轍叉全長20 992 mm，翼軌采用軋制60TY1鋼軌制造，長短心軌采用60AT2鋼軌制造，叉跟尖軌采用60 kg/m鋼軌制造。在工廠內的組裝平臺上對轍叉各部件進行組裝，同時裝配轉轍設備，以確保與實際服役情況相符。

高速道岔轍叉零部件較多，長心軌存在多處薄弱斷面，一旦發生折斷，對高速列車行車安全造成嚴重威脅。因此，在長心軌不同位置設置斷縫以模擬心軌折斷，探明不同位置的折斷對轍叉幾何形位及其轉換性能的影響。從長心軌彈性可彎段至心軌尖端依次設置1#—6#共6處斷縫，如圖1和圖2所示。

圖1 斷縫設置

1#斷縫距長心軌實際尖端7 895 mm，位于心軌固定端前軌底刨切圓弧（半徑R=1 000 mm）位置，模擬長心軌彈性可彎段刨切起點處折斷工況。2#斷縫距長心軌實際尖端6 800 mm，位于24號和25號頂鐵之間，模擬頂鐵間長心軌折斷工況。3#斷縫距長心軌實際尖端2 000 mm，位于長短心軌第1和第2水平螺栓之間，模擬長心軌折斷后僅有一顆螺栓與短心軌連接的工況。4#斷縫距長心軌實際尖端1 820 mm，頂寬70 mm，模擬長心軌與短心軌配合段軌底刨切或長短心軌硬接觸引起斷裂的工況。5#斷縫距長心軌實際尖端185 mm，心軌頂寬16 mm，模擬一動工電接口后端心軌軌底刨切圓弧（R=125 mm）存在加工缺陷引起心軌疲勞斷裂工況。6#斷縫位于第一牽引點前80 mm，模擬一動轉轍機動作桿和表示桿之間心軌薄弱斷面斷裂的工況。

主要試驗步驟（圖3）如下。

1）在不鋸切長心軌的條件下，對轍叉進行組裝并調試至規范要求的狀態；

2）拆除長心軌，按預設斷縫位置鋸切心軌；

3）對心軌斷縫采用特制夾板固定，組裝回轍叉后調試幾何尺寸，并將轍叉轉換至直向開通狀態；

圖3 試驗步驟

4）拆卸夾板，測試心軌折斷時的道岔幾何狀態；

5）進行轉換試驗，采集多次轉換過程中扳動力曲線及折斷心軌的幾何狀態；

6）再次組裝夾板，轉換至側股開通狀態模擬心軌折斷并測試；

7）拆卸長心軌，并進行下一位置斷縫試驗。

對于5#、6#斷縫，由于受轉轍設備等因素的干涉無法安裝夾板，因此鋸切后直接將長心軌前端擺正，使之與翼軌保持自然密貼狀態，多次轉換試驗結束以后再進行焊接。

試驗中測試的數據包括轍叉幾何狀態以及轉轍機扳動力。幾何尺寸包括鋸切后與多次扳動后的斷縫位置鋼軌錯牙（軌頂錯牙與工作邊錯牙）和斷縫寬度。扳動力包括心軌折斷前后轉轍機扳動力。

2 試驗結果及分析

2.1 長心軌折斷對轍叉初始幾何形位的影響

圖4 斷縫狀態測試

如圖4所示，首先將長心軌扳動至直向過岔方向，解除固定夾板后模擬軌件折斷，測試長心軌發生折斷時轍叉的初始幾何形位；然后再重新安裝固定夾板并扳動心軌至側向過岔方向，模擬長心軌位于側股時發生折斷的情況，分析兩種工況下長心軌折斷對轍叉初始幾何形位的影響。由于5#和6#斷縫無法安裝固定夾板，只對1#—4#斷縫展開分析。

長心軌不同位置折斷引起的轍叉幾何形位變化見表1。

表1 長心軌不同位置折斷引起的轍叉幾何形位變化

由表1可知：

1）長心軌處于直股開通時，對于長心軌彈性可彎段刨切起點處的1#斷縫，解開夾板后斷縫前端長心軌向工作邊偏移，斷縫位置工作邊錯牙2.1 mm，同時長心軌產生翹曲變形，軌頂錯牙0.7 mm，斷縫寬度為2.1 mm；對于長心軌彈性可彎區域的2#斷縫，解開夾板后斷縫處鋼軌工作邊有少量錯牙，約1.0 mm，兩側鋼軌均無翹曲，斷縫寬度約4.5 mm；3#斷縫位于短心軌尖端第1與第2水平螺栓之間，長心軌在此處斷裂后與短心軌仍有一顆螺栓連接，幾何位置與正常軌件無異；對于長心軌與短心軌尖端密貼位置的4#斷縫，長心軌折斷后工作邊直線度能得到保證，但軌頂錯牙2.6 mm，斷縫寬度1.5 mm。可見，1#斷縫導致的工作邊錯牙最大，4#斷縫導致的軌頂錯牙最大，1#、2#、4#斷縫均導致明顯的軌縫，3#斷縫位置由于有心軌螺栓約束，無明顯錯動。

2）長心軌處于側股開通時，折斷導致的錯牙以及軌縫寬度明顯降低。

綜上，除3#斷縫外，其余位置長心軌折斷均造成嚴重錯動或軌縫，影響行車安全。此外，折斷后長心軌與滑床板最大離縫為2.3 mm，由長心軌前端的下拉作用引起。

2.2 長心軌折斷對道岔轉換性能的影響

在轍叉多次轉換后，分別對斷縫處的錯牙、斷縫寬度進行測量，同時記錄轉轍機扳動力。

2.2.1 多次轉換后轍叉幾何形位變化

考慮兩種工況：①直股工況，指初始狀態為長心軌處于直股開通，反復扳動后，仍回到直股開通狀態進行測量；②側股工況，指初始狀態為長心軌處于側股開通，反復扳動后，仍回到側股開通狀態進行測量。

轍叉多次轉換后1#—4#斷縫引起的轍叉幾何形位變化見表2。

表2 多次轉換后轍叉幾何形位變化

由表2可知：

1）對于1#斷縫，直股工況下轍叉多次轉換后工作邊錯牙、軌頂錯牙、斷縫寬度分別增至6.5、1.1、3.1 mm，側股工況下多次轉換后分別增至6.7、1.1、3.1 mm，兩種工況下幾何形位差別不大。

2）對于2#斷縫，直股工況下轍叉多次轉換后工作邊錯牙、軌頂錯牙、斷縫寬度分別增至4.7、0.3、4.5 mm，側股工況下轍叉幾何形位與直股工況接近。

3）對于3#斷縫，由于短心軌之間螺栓連接，轍叉幾何形位與正常軌件無異。

4）對于4#斷縫，由于處于兩個牽引點中間，轍叉多次轉換后斷縫處錯位嚴重，直股工況、側股工況下工作邊錯牙分別高達29.5、55.5 mm。

5）對于5#斷縫，經過多次轉換后心軌尖端開口增大至20 mm，并且還存在心軌斷縫前端后移導致斷縫處干涉卡阻的情況。

6）對于6#斷縫，長心軌前端保持原位，不隨轉換發生運動。

綜上，長心軌折斷情況下，轍叉進行多次轉換后斷縫處錯牙及斷縫寬度增大，長心軌初始狀態為直股開通或側股開通對多次轉換后的轍叉狀態影響不明顯。

2.2.2 長心軌折斷對轉轍機扳動力的影響

長心軌在不同位置折斷時轉轍機扳動力見表3。

表3 斷軌前后轉轍機扳動力

可知：

1）對于1#斷縫，斷軌前后一動轉轍機扳動力變化不大，均為1.0 kN；二動轉轍機扳動力略有增加，由4.3 kN增至4.6 kN。這是因為長心軌存在初始應力，折斷后向工作邊偏移，導致轉轍機扳動力增大。此處發生折斷時，電務轉轍機拉入、伸出均有表示，雖然有鋼軌存在錯牙但不影響電務轉轍機工作，因此無法從轉轍機信號中發現長心軌折斷。

2）對于2#斷縫，斷軌前后一動轉轍機扳動力變化不大，由1.1 kN減至0.7 kN；二動轉轍機扳動力有所增加，由4.2 kN增至4.4 kN，這主要是受長心軌內部初始應力影響。此處發生折斷時，電務轉轍機拉入、伸出均有表示，也無法從轉轍機信號發現長心軌折斷。

3）對于3#斷縫，因與短心軌螺栓連接，斷軌對轍叉幾何尺寸無影響，斷軌前后一動、二動轉轍機扳動力差別不大，電務轉轍機均有表示。

4）對于4#斷縫，斷軌后一動轉轍機扳動力明顯增大，由1.0 kN增至3.5 kN，這是因為斷軌后長心軌前端錯位，一動表示桿無表示，導致一動轉轍機持續動作。長心軌在此位置發生折斷時一動電務轉轍機無表示，因此能及時發現病害并進行搶修。

5）對于5#斷縫，斷軌后一動、二動轉轍機扳動力明顯增大。一動轉轍機扳動力由1.0 kN增至4.4 kN，這是因為折斷后長心軌前端錯位，一動表示桿無表示，導致一動轉轍機持續動作，扳動力增大；二動扳動力由3.0 kN增至7.0 kN，這是因為斷軌后長心軌無法密貼，導致二動轉轍機持續動作。雖然轍叉幾何錯位較大，但電務轉轍機無表示，能及時發現病害。

6）對于6#斷縫，斷軌后一動轉轍機扳動力有所減小，二動轉轍機扳動力變化不大。在此處折斷時，長心軌前端保持不動，對后端轉換無影響。但此時一動表示桿保持原位，轉轍機無表示，能及時發現病害。

綜上，長心軌在4#—6#斷縫位置（長心軌尖端至短心軌尖端范圍內）折斷后轉換過程中轉轍機無表示或扳動力明顯異常，可通過轉轍機信號發現軌件折斷；而在1#—3#斷縫位置（長短心軌配合段至跟端范圍內）折斷后無法根據轉轍機信號進行判斷和報警。

3 結論

1）長心軌折斷后，高速道岔轍叉幾何形位變化與斷縫位置以及初始狀態有關。長心軌初始狀態為直股開通時，長心軌彈性可彎段、長短心軌密貼位置發生斷裂會導致道岔產生明顯錯牙和斷縫，而短心軌尖端第1與第2水平螺栓之間對應位置的長心軌發生斷裂基本不會導致轍叉幾何形位變化。長心軌初始狀態為側股開通時，斷軌導致的錯牙以及斷縫寬度明顯降低。

2）軌件折斷后再次扳動道岔將導致斷縫進一步劣化，工作邊錯牙、軌頂錯牙、斷縫寬度均有所增大，其中長心軌與短心軌尖端密貼位置發生斷裂時，多次轉換后工作邊最大錯牙達到55.5 mm；對于一動工電接口后端心軌軌底圓弧位置軌件斷裂工況，多次轉換后心軌尖端開口量達到20 mm。

3）在長心軌尖端至短心軌尖端范圍內發生軌件折斷時，可從轉轍機扳動力及表示信號判斷軌件狀態；在長短心軌配合段至跟端范圍內發生折斷時，轉轍機扳動力無明顯變化，無法從電務信號中發現病害。