鐵路客運專線18號道岔裝載加固方案研究

田力，任靜，文小龍

(1.中鐵特貨大件運輸有限責(zé)任公司 鐵路物資項目部，北京 100070；2.中鐵寶橋集團有限公司物流中心，陜西 寶雞 721006)

近年來，隨著高速鐵路和客運專線的建設(shè)，對客運專線60-18號道岔需求量大幅增加，運輸需求也隨之增加。為進一步提高客運專線60-18號道岔裝載質(zhì)量和裝載率，針對運輸中的難點，吸取普通木地板平車運輸客運專線60-18號道岔方案實施過程中的經(jīng)驗教訓(xùn)，研究制定D22A型長大平車運輸客運專線60-18號道岔方案，為確保道岔裝載的穩(wěn)定性和安全性，提升長大平車裝載率，降低運輸成本提供借鑒。

1 客運專線60-18號道岔概述

作為實現(xiàn)股道轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，道岔是列車運行的“方向盤”，是關(guān)鍵的基礎(chǔ)信號設(shè)備，可以實現(xiàn)列車從一股道轉(zhuǎn)入另一股道，確保列車按照規(guī)定的線路和方向通行，通常在車站、編組站大量鋪設(shè)道岔。通過鋪設(shè)道岔，可以充分發(fā)揮線路的通過能力，即使在單線鐵路，通過鋪設(shè)道岔，并修筑一段大于列車長度的叉線，就可以實現(xiàn)列車對開。以杭州東站為例，每天有300多趟高速鐵路列車通過至少87組客運專線60-18號道岔，進出不同的股道，及時更換損傷道岔對保障高速鐵路列車平穩(wěn)舒適運行和安全正點到達至關(guān)重要。

為了保證道岔的運輸質(zhì)量，研究制定D22A型長大平車運輸60-18道岔方案，該方案可運輸60-18道岔2組，總重57 t，每組道岔規(guī)格參數(shù)如下：①轍叉1根，長20 992 mm，重9 t；②轉(zhuǎn)轍器2根，每根長23 392 mm，每根重5.5 t，重心距大頭端10 480 mm；③導(dǎo)曲線軌共6根，長24 614 mm 2根、24 592 mm 2根、20 992 mm 2根，均為60 kg/m軌，1組總重28.5 t。

2 客運專線60-18號道岔鐵路運輸現(xiàn)狀分析

目前鐵路運輸客運專線60-18號道岔，主要采用車長為15.4 m的普通木地板平車[1]。裝運1組道岔時，裝載形式為3車連掛1組，1車負重，兩端均衡突出，每端各加掛游車1輛，客運專線60-18號道岔1組普通木地板平車裝載加固方案示意圖如圖1所示。裝運2組道岔時，裝載形式為5車連掛1組，第2、4輛車單車負重，兩端均衡突出，第1、3、5輛車為游車，其中第3輛車為共用游車，客運專線60-18號道岔2組普通木地板平車裝載加固方案示意圖如圖2所示。游車一般選用車長為13 m的普通木地板平車。

圖1 客運專線60-18號道岔1組普通木地板平車裝載加固方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading and strengthening for 1 group of ordinary wooden floor flat car at turnout No.60-18 passenger dedicated line

圖2 客運專線60-18號道岔2組普通木地板平車裝載加固方案示意圖Fig.2 Schematic diagram for loading and reinforcement of two sets of 60-18 turnouts on passenger dedicated lines using ordinary flat cars

2.1 現(xiàn)有裝載加固方法

使用車長為15.4 m的普通木地板平車1車負重，裝載貨物3層。第1層裝轍叉1根，第2層裝轉(zhuǎn)轍器2根，第3層裝導(dǎo)曲線軌6根，3層貨物均沿車輛縱中心線對稱擺放且每層貨物兩端突出車輛長度一致。裝后貨物總重心投影縱向與負重車縱中心線重合，橫向偏離負重車橫中心線不大于150 mm。第1層貨物與負重車車地板間鋪墊橫墊木，層間鋪墊橫隔木，均沿車輛橫中心線兩側(cè)對稱擺放，每層最外側(cè)橫隔木用鐵線[2]與下層貨物捆綁為一體。

采用扒鋦釘將橫墊木固定在車地板上，采用圓鋼釘將每層貨物固定在各層外側(cè)橫隔木上。用鋼絲繩在貨物中部整體捆綁，在兩端反又字形整體下壓加固，在每層端部用鋼絲繩倒八字型捆綁加固。

2.2 問題分析

目前普通木地板平車需求緊張，車源不足，用車困難，且無法辦理回送，實現(xiàn)循環(huán)運輸。在車輛運輸過程中，道岔受到各種慣性力和振動沖擊，車輛通過駝峰溜放時產(chǎn)生的沖擊力對道岔穩(wěn)定性帶來一定影響。單車負重的裝載方式道岔突出車端較長有一定程度的下?lián)希赡軙绊戀|(zhì)量。

3 客運專線60-18號道岔裝載加固方案設(shè)計

設(shè)計D22A型長大平車裝載客運專線60-18號道岔裝載加固方案[3]，和普通木地板平車相比，D22A型長大平車可以辦理回送循環(huán)使用，解決了普通木地板平車車源不足的問題，并且能節(jié)省加固材料，提高道岔裝載的穩(wěn)定性，保證了運輸安全。

3.1 運輸方案的研究對比

客運專線60-18號道岔采用D22A型長大平車運輸時，運用性能能夠滿足安全要求[5]。運輸方案具有良好的可操作性，且不影響道岔質(zhì)量，加固道岔均使用常規(guī)的加固材料，運輸成本較低。60-18號道岔，1組總重28.5 t，其組件中最長部分是導(dǎo)曲線軌，其長度為24 614 mm。D22A型長大平車，承載面長25 000 mm，寬3 000 mm，載重120 t。根據(jù)貨物特點及車輛參數(shù)[4]，60-18號道岔與D22A型長大平車的尺寸、載重量等各方面匹配度高，屬于D22A型長大平車的適裝貨源。客運專線60-18號道岔2組長大平車裝載加固方案示意圖如圖3所示。

圖3 客運專線60-18號道岔2組長大平車裝載加固方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of loading and strengthening plan for the large flat car of the group leader of 2 turnout No.60-18 passenger dedicated line

與目前鐵路采用的普通木地板平車裝運相比較，D22A型長大平車可辦理空車回送，實現(xiàn)循環(huán)運輸。該車型禁止溜放與沖擊，禁止通過駝峰，有效減少慣性力的沖撞，提高道岔運輸中的穩(wěn)定性和安全性。D22A型長大平車運輸方案為單車負重裝載，裝載后道岔兩端均不突出車輛，能減少貨物下?lián)希ＷC道岔狀態(tài)良好。同時可以實現(xiàn)1車裝載2組道岔，既降低運輸費用又減少加固材料的使用，提高運輸效率。

3.2 加固材料的選取

裝載道岔選用加固材料均使用常用裝置和材料，其技術(shù)性能符合國家標準和行業(yè)標準。加固客運專線60-18號道岔所需材料包括：橫墊木2 700 mm×300 mm×200 mm、橫隔木2 500 mm×200 mm×150 mm、直徑16 mm和直徑13 mm鋼絲繩及配套鋼絲繩夾、鋼擋、圓鋼釘、扒鋦釘、U型夾具(選用)、8號鍍鋅鐵線。橫墊木和橫隔木用于支撐道岔，鋼絲繩及配套鋼絲繩夾用于道岔拉牽加固和整體下壓捆綁加固，鋼擋用于橫墊木的加固，圓鋼釘和扒鋦釘用于固定道岔，U型夾具用于道岔端部，便于鋼絲繩拉牽穿過，8號鍍鋅鐵線用于橫隔木和道岔的整體捆綁[6]。

3.3 裝載加固方法

3.3.1 裝載方法

使用D22A型長大平車1車負重，裝載貨物4層。第1層裝轍叉2根，方向相反各放置1根；第2層裝導(dǎo)曲線軌12根，長導(dǎo)曲線軌在中間，短的在兩側(cè)，緊密排列；第3層、第4層分別裝轉(zhuǎn)轍器2根，方向相同。裝后總重心投影落于車輛縱中心線上，偏離車輛橫中心線不大于400 mm。第1層貨物與車地板間鋪墊4根橫墊木。層間鋪墊橫隔木6根，每層間橫隔木的數(shù)量和位置均相同，每層最外側(cè)橫隔木用鍍鋅鐵線與下層貨物捆綁為一體。

3.3.2 加固方法

使用鋼擋將每根橫墊木固定在車地板上，單根橫墊木使用擋鐵在車地板焊接加固示意圖如圖4所示。使用φ16 mm圓鋼釘、扒鋦釘將每根轍叉、導(dǎo)曲線軌和轉(zhuǎn)轍器分別釘固在每層橫墊木、橫隔木上。用φ13 mm鋼絲繩在貨物兩端反又字下壓共4道捆綁于車側(cè)支柱槽或繩拴上，在貨物中部整體捆綁1道。第1層轍叉和第2層4根20 992 mm導(dǎo)曲線軌兩端用φ16 mm鋼絲繩穿過端頭孔(如無孔，可使用U型夾具)，第1層單股倒八字、第2層單股倒八字捆綁于車側(cè)支柱槽上。第2層導(dǎo)曲線軌兩端和第3、4層轉(zhuǎn)轍器兩端用φ16 mm鋼絲繩穿過端頭孔(如無孔，可使用U型夾具)，第2、3、4層分別單股倒八字捆綁于車側(cè)支柱槽上。

圖4 單根橫墊木使用擋鐵在車地板焊接加固示意圖Fig.4 Schematic diagram of welding and reinforcement of a single horizontal cushion wood using a blocking iron on the car floor

3.4 裝載加固計算方法

2組道岔總重為57 t(其中2根轍叉和4根20 992 mm導(dǎo)曲線軌總重23.1 t，4根轉(zhuǎn)轍器和其余8根導(dǎo)曲線軌總重33.9 t)，裝后道岔總重心高1 980 mm，實際裝載中，要求裝后貨物總重心投影偏離車輛橫中線距離不大于400 mm。D22A型長大平車自重44 t，載重120 t，轉(zhuǎn)向架中心距17 800 mm，車地板面至軌面高1 080 mm，空車重心高552 mm。裝后重車總重101 t[7]。

3.4.1 貨物總重心偏離車輛橫中心線的容許距離a容

當P容-Q≥10時，a容公式如下。

式中：P容為車輛的容許載重量，t；l為車輛轉(zhuǎn)向架中心距，mm；Q為車輛所裝貨物質(zhì)量，t。

通過公式⑴計算得出，a容為1 561 mm＞400 mm，符合貨物重心縱向位移的技術(shù)條件。

3.4.2 重車重心高度H

一車負重裝載時，H公式如下。

式中：Q車為車輛自重，t；h車為空車重心自軌面起算的高度，mm；h為裝車后貨物重心自軌面起算的高度，mm。

通過公式⑵計算得出，重車重心高1 358 mm。

3.4.3 運輸過程中作用于貨物上的力

（1）縱向慣性力T、橫向慣性力N、垂直慣性力Q垂公式如下。

式中：t0為每噸貨物的縱向慣性力，kN；n0為每噸貨物的橫向慣性力，kN；q垂為每噸貨物的垂直慣性力，kN。根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》，t0為9.77 kN/t；n0為2.87 kN/t；q垂為4.71 kN/t。

以2根轍叉和4根20 992 mm導(dǎo)曲線軌為研究對象，Q1為23.1 t，通過公式⑶—⑸計算得出，T1為225.69 kN，N1為66.30 kN，Q垂1為108.80 kN。以4根轉(zhuǎn)轍器和其余8根導(dǎo)曲線軌為研究對象，通過公式⑶—⑸計算得出，T2為331.20 kN，N2為97.30 kN，Q垂2為159.67 kN。

（2）貨物縱向摩擦力、貨物橫向摩擦力公式如下。

式中：μ為摩擦系數(shù)，取值0.4。

以2根轍叉和4根20 992 mm導(dǎo)曲線軌為研究對象(計算時不考慮上層貨物壓力)，通過公式⑹、⑺計算得出，為90.55 kN，為47.03 kN。以4根轉(zhuǎn)轍器和其余8根導(dǎo)曲線軌為研究對象，通過公式⑹、⑺計算得出，為132.89 kN，為69.02 kN。

3.4.4 加固材料應(yīng)承受的縱向和橫向力

加固材料應(yīng)承受的縱向力公式為

加固材料應(yīng)承受的橫向力公式為

式中：W為風(fēng)力。

以2根轍叉和4根20 992 mm導(dǎo)曲線軌為研究對象，通過公式⑻、⑼計算得出，ΔT1為135.14 kN，ΔN1為35.85 kN。以4根轉(zhuǎn)轍器和其余8根導(dǎo)曲線軌為研究對象，通過公式⑻、⑼計算得出，ΔT2為198.67 kN，ΔN2為52.61 kN。

3.4.5 加固強度計算

為防止貨物移動，本方案采取拉牽加固，每根拉牽繩應(yīng)承受的拉力S，公式如下。

每根拉牽繩應(yīng)承受的縱向拉力

每根拉牽繩應(yīng)承受的橫向拉力

式中：n為拉牽繩道數(shù)；AC為拉牽繩在貨物上栓結(jié)點所在橫向垂直平面至車輛栓結(jié)點之間的距離，mm；BO為拉牽繩在貨物上的栓結(jié)點至車輛地板面起算的高度，mm；BC為拉牽繩在貨物上的栓結(jié)點所在縱向垂直平面至車輛邊線的距離，mm。

以2根轍叉和4根20 992 mm導(dǎo)曲線軌為研究對象，取n為4，AC為2 500 mm，BO為500 mm，BC為400 mm，ΔT1為135.14 kN，ΔN1為35.85 kN，通過公式⑽、⑾計算得出，S縱移1為34.88 kN，S橫移1為57.82 kN。以4根轉(zhuǎn)轍器和其余8根導(dǎo)曲線軌為研究對象，取n為6，AC為1 700 mm，BO為1 100 mm，BC為850 mm，ΔT2為198.67 kN，ΔN2為52.61 kN，通過公式⑽、⑾計算得出，S縱移2為42.77 kN，S橫移2為22.65 kN。

每根拉牽繩應(yīng)承受的力S≥max{S縱移1，S橫移1，S縱移2，S橫移2}=57.82 kN。

本方案選用公稱抗拉強度為1 870 N/mm2，直徑為16 mm的鋼絲繩，其破斷拉力S破為157 kN>2S(115.64 kN)，滿足鋼絲繩拉牽強度要求。

3.5 經(jīng)濟效益

從鐵路貨物運輸費用、裝載加固裝置和材料費2個方面比較本方案的經(jīng)濟效益。鐵路貨物運輸費用由貨票和雜費組成，貨票中D型長大貨物車使用費已于2019年4月1日取消，約定貨物按指定日期裝載完成，2種運輸方式均不產(chǎn)生雜費。

現(xiàn)以南口至株洲北項目為例，運輸2組客運專線60-18號道岔，運輸里程為1 715 km，使用普通木地板平車5車1組裝運產(chǎn)生貨票費用約85 455.6 元，使用長大平車單車裝運產(chǎn)生貨票費用約32 594.3 元。裝載2組道岔所需裝載加固材料規(guī)格及費用估算如表1所示，選擇D22A型長大平車裝運客運專線60-18號道岔木材使用量減少約1.36 m3，鋼絲繩使用量減少約215 m，扒鋦釘使用量減少約50個。通過計算對比，采用D22A型長大平車裝運2組60-18號道岔比使用普通木地板平車裝運節(jié)約運輸成本61.86%，節(jié)約加固成本38.39%。

表1 裝載2組道岔所需裝載加固材料規(guī)格及費用估算[9]Tab.1 Specification and cost estimation of reinforcement materials required for loading 2 sets of turnouts

4 結(jié)束語

客運專線60-18號道岔D22A型長大平車運輸方案，與普通木地板平車運輸方案相比，該方案通過改良運輸方式，解決了普通木地板平車車源緊張、操作復(fù)雜的問題，降低了運輸成本，提升了裝車質(zhì)量，提高了運輸效率，在實際運輸中運用效果良好[10]。該方案的研究為客運專線60-18號道岔運輸提供了新的裝運方式，在鐵路運輸?shù)啦磉x車和運輸成本方面具有顯著優(yōu)勢和較好的市場前景。