大秦線重載鐵路道岔技術(shù)指標探討

趙洪雁

(太原鐵路局 太原工務(wù)機械段，太原 030045)

大秦線重載鐵路道岔技術(shù)指標探討

趙洪雁

(太原鐵路局 太原工務(wù)機械段，太原 030045)

大軸重、高密度和大運量是大秦重載鐵路的“三大特征”，在此運行條件下道岔部件傷損嚴重，平均使用壽命短于普通線路同型號道岔。根據(jù)大秦鐵路的運營條件，提出了研制新型道岔和優(yōu)化既有道岔結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循的原則及其主要技術(shù)指標。試驗表明，新型道岔較既有道岔的使用壽命明顯提高，已達到或超過設(shè)計壽命期望值。

大秦線 重載線路 道岔

1 存在問題

2007年和2008年大秦重載鐵路分別完成了300 Mt和350 Mt運量，2009年將實現(xiàn)340 Mt運量。大軸重(25 t)、高密度(行車間隔最短3～5 min)和大運量(300 Mt)是大秦重載鐵路的“三大特征”，在這種極其嚴峻的運輸條件下，道岔部件(包括基本軌、尖軌，固定轍叉翼軌及心軌，可動心軌轍叉翼軌、心軌，鋼軌接頭等)的磨損和傷損(垂磨、側(cè)磨、壓潰、掉塊等)遠遠大于普通線路道岔。造成道岔部件損傷的原因是綜合性的，涉及到道岔平面線型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、部件材質(zhì)、制造工藝等諸多因素。就大秦重載鐵路而言，特殊的運輸條件和不能及時維修(行車間隔時間短，上道維修作業(yè)極為困難，天窗時間里主要更換損壞部件，而無精力進行維修作業(yè))是引發(fā)部件損傷和道岔主要部件的平均使用壽命短的主要原因。

大秦鐵路在用道岔有兩種:①固定型道岔，轍叉為高錳鋼鑄造轍叉和合金鋼組合轍叉;②可動心軌道岔，轍叉為單肢彈性可彎結(jié)構(gòu)。其中固定型道岔占絕大部分。不同類型道岔及其部件的使用壽命列于表1。由表1可知:①在重載線路上高錳鋼轍叉平均使用壽命與普通線路接近，屬基本正常范圍，而可動心軌轍叉的平均使用壽命遠遠低于普通線路，沒有發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。②曲線尖軌在短時間內(nèi)磨耗、壓潰、掉塊嚴重，在重載線路上平均使用壽命遠遠低于普通線路。③重載鐵路道岔在軌線中斷部位(鋼軌接頭)和剛度突變部位(間隔鐵等)及軌腰螺栓孔部位，軌頂面的壓塌及磨耗均明顯增加，這是普通線路道岔不多見的現(xiàn)象。

表1 道岔部件使用壽命 Mt

2 研制新型道岔和優(yōu)化既有道岔結(jié)構(gòu)

2.1 道岔及其部件、扣件系統(tǒng)的要求

道岔及其部件應(yīng)易于更換，以適應(yīng)高密度的行車條件，減少更換作業(yè)時間，減小作業(yè)強度。道岔及其部件應(yīng)長壽命，以延長更換周期，減少對行車的影響。道岔及其部件應(yīng)易維修或免維修，以適應(yīng)大秦鐵路養(yǎng)護維修的現(xiàn)狀，不應(yīng)因維修不及時而嚴重影響其使用壽命。道岔扣件系統(tǒng)(包括彈條扣件、緊固螺栓及墊板)中，除有個別滑床板、側(cè)后墊板斷裂及臺板開焊外，總的破損率較低，其強度基本滿足使用要求;Ⅲ型岔枕的強度和壽命能夠滿足使用要求;電務(wù)設(shè)備總體可以適應(yīng)重載運輸要求。優(yōu)化既有道岔結(jié)構(gòu)時，應(yīng)保持道岔全長及中線尺寸不變、扣件系統(tǒng)、岔枕及電務(wù)轉(zhuǎn)換設(shè)備基本不變。

2.2 固定型轍叉

固定型轍叉以其造價低、易更換、維修工作量小的優(yōu)點，受到現(xiàn)場的好評，比較適應(yīng)大秦鐵路養(yǎng)護維修的現(xiàn)狀。對既有固定型錳鋼轍叉的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工工藝進行優(yōu)化，延長其使用壽命是重載道岔發(fā)展的方向。拼裝式合金鋼固定型轍叉在既有線使用良好，使用壽命高于固定型錳鋼轍叉，可以考慮在重載線路小范圍內(nèi)試用。

2.3 可動心軌轍叉

大秦鐵路可動心軌轍叉的平均使用壽命遠遠低于普通線路，只是略長于固定型轍叉，不能適應(yīng)大秦重載鐵路的運營條件和養(yǎng)護維修的現(xiàn)狀。而且可動心軌道岔造價高，難于更換，對養(yǎng)護維修要求苛刻，養(yǎng)護維修成本很高。因此可動心軌道岔不適應(yīng)重載鐵路。

2.4 大秦鐵路軌道現(xiàn)狀及對策

大秦鐵路采用75 kg/m鋼軌配Ⅲ型枕的軌道結(jié)構(gòu)，由于75 kg/m鋼軌的抗彎剛度遠大于60 kg/m鋼軌，因此在相同的鋼軌支點剛度的條件下，軌道的整體剛度大幅度提高。在動輪載的作用下，軌道的變形小，造成輪軌接觸應(yīng)力急劇增大，區(qū)間鋼軌的磨耗、剝離、掉塊嚴重。在道岔區(qū)的翼軌跟部，間隔鐵連接翼軌和心軌使得軌道剛度突變，造成鋼軌頂面的壓塌及磨耗增加。應(yīng)對重載鐵路道岔(75 kg/m鋼軌)特有的剛度問題開展研究，并對彈性墊層進行優(yōu)化，選取合適的扣件系統(tǒng)剛度和軌道剛度，解決剛度過大和剛度突變問題，從而解決重載鐵路特有的垂磨、側(cè)磨、壓潰、掉塊等嚴重問題。

2.5 提高曲線尖軌的壽命的主要措施

提高曲線尖軌的壽命是需要重點解決的問題，增加尖軌厚度和使用新材料是提高曲線尖軌壽命的主要措施。與加大相離值和采用復合曲線的辦法相比，將基本軌刨切5 mm，從而將尖軌加寬5 mm，是最有效的方法。與采用軌距優(yōu)化技術(shù)相比，該方法簡單易行。同時將40 mm的降低值采用原設(shè)計35 mm處的降低值，降低尖軌薄弱斷面承受的垂直力。采用該方法在增大尖軌厚度的同時，保證了垂直力由直基本軌到曲尖軌的過渡范圍和過渡比例與既有道岔相同。為提高尖軌的耐磨性可以使用高強度合金鋼軋制的AT軌制造道岔尖軌。

3 主要技術(shù)指標

鑒于現(xiàn)有的道岔不適應(yīng)大秦鐵路重載運輸條件的需要，需要重新研制新型道岔，以解決大秦線重載鐵路道岔的諸多技術(shù)問題。主要技術(shù)條件如下所述。

3.1 運營條件

考慮到將來大秦線貨物列車可能會提速到100 km/h甚至更高，而貨車軸重可能會提高到28 t，因此新設(shè)計的重載道岔應(yīng)滿足以下運行條件:①靜軸重≤280 kN;②運行速度:直向≤120 km/h;而側(cè)向≤50 km/h;③適應(yīng)無縫線路年最大軌溫差為100℃。

3.2 設(shè)計荷載指標

雖然貨車過岔速度遠小于客運專線，但考慮到貨物列車車況好壞不一，相差較大，因此豎向力設(shè)計指標取2倍靜輪重。依據(jù)如下:①既有線和大秦鐵路動態(tài)測試中，在機車車輛狀態(tài)良好的情況下，動態(tài)垂直力可達靜輪重的0.9～1.3倍。在車輪存在扁疤情況下，動態(tài)垂直力可達靜輪重的1.3～1.9倍，豎向力280 kN(2.0倍靜輪重)。②橫向力水平力指車輪對單股鋼軌的橫向作用力，取值90 kN。列車側(cè)向過岔時，橫向水平力最大，既有線和大秦鐵路動態(tài)測試橫向力最大值為50～70 kN(對應(yīng)于25 t軸重)，考慮到軸重的增加和測試因素，取值90 kN。

3.3 使用壽命期望值

使用壽命是重載道岔的核心問題，解決該問題的難度不亞于解決高速道岔的平順性。對于曲線尖軌，其使用壽命遠低于在普通線路上的使用壽命，新研制的曲線尖軌的使用壽命應(yīng)力爭接近其在普通線路上的使用壽命。高錳鋼轍叉的使用壽命和其在普通線路上的使用壽命相差不大，應(yīng)推廣使用高強度、高韌性和高硬度的合金鋼轍叉。依據(jù)上述原則道岔部件的使用壽命列于表2。

表2 使用壽命期望值 Mt

3.4 道岔部件更換時間

大秦線高密度行車的特點(行車間隔最短3～5 min)決定了道岔部件的更換時間不宜過長。曲線尖軌、高錳鋼轍叉和合金鋼轍叉更換時間均應(yīng)≤30 min。

3.5 道岔部件主要強度指標

1)75 kg/m鋼軌:拉伸強度 σb≥980 MPa;表面硬度為350～370 HB。

2)高錳鋼轍叉:σb≥750 MPa;沖擊韌性αku≥147 J/cm2(20℃);表面硬度為320～350 HB。

3)合金鋼轍叉心軌:σb≥1 200 MPa;而 αku≥70 J/cm2(20℃);表面硬度為38～42 HRC。

4)貝氏體鋼軌:抗拉強度σ0為1 280～1 440 MPa;屈服強度為980～1 180 MPa;αku≥70 J/cm2(20℃)。

3.6 扣件系統(tǒng)技術(shù)指標

1)扣壓件扣壓力不小于10 kN;防爬阻力 ＞10 kN。

2)疲勞性能。結(jié)合重載鐵路道岔道岔區(qū)的受力特點，確定單組扣件的疲勞荷載為70 kN。疲勞試驗前后，鋼軌縱向阻力、剛度和扣壓力的降低值分別滿足以下要求:①鋼軌縱向阻力≤20%;②墊板剛度≤25%;③扣壓力≤20%。

3)絕緣性能。為保證軌道電路的正常工作，道岔區(qū)扣件系統(tǒng)應(yīng)有較好的絕緣性能，初步確定兩走行軌間絕緣電阻 ＞108 Ω(干態(tài))。

4)高低調(diào)整量?？紤]到有砟軌道的特點和速度較低，扣件系統(tǒng)不考慮高低調(diào)整。

5)左右位置調(diào)整量。鋼軌左右位置調(diào)整量為-4～+2 mm，軌距調(diào)整量為 -8～+4 mm，調(diào)整級別為1 mm。

6)預埋件抗拔力。在大秦重載線路上預埋套管失效問題突出，預埋件在混凝土軌枕中抗拔力應(yīng)＞100 kN。

7)軌底坡為 1∶40。

8)系統(tǒng)剛度。中國鐵道科學研究院于2005年對道岔區(qū)剛度進行了室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，研究成果參見《道岔區(qū)剛度及其合理匹配的研究》，主要結(jié)論有:①軌下橡膠墊板靜剛度量值分布范圍為170～200 kN/mm，板下橡膠墊板的靜剛度量值分布為50～160 kN/mm，離散度極大。②在采取大秦重載鐵路道岔扣件系統(tǒng)的條件下，扣件系統(tǒng)的剛度不僅僅取決于橡膠墊板的剛度，還取決于墊板長度、一塊墊板上螺栓數(shù)量、螺栓扭矩等因素。③扣件系統(tǒng)的靜剛度應(yīng)為組裝狀態(tài)下的剛度量值。④該種扣件形式的軌道剛度很難實現(xiàn)剛度均勻化。一般地段即單股鋼軌作用地段，扣件節(jié)點剛度為60 kN/mm(組裝剛度)，其它地段以軌道整體剛度均勻化原則進行分區(qū)段設(shè)置。

3.7 岔枕技術(shù)指標

鑒于現(xiàn)有混凝土岔枕能適應(yīng)大秦鐵路的運行條件，保持岔枕的技術(shù)指標不變。承載能力和混凝土永久預應(yīng)力最大值的要求列于表3。

表3 岔枕承載能力檢算

3.8 道岔制造精度

大秦重載鐵路道岔直向容許通過速度不大于120 km/h，道岔制造和組裝公差應(yīng)符合TB/T412的規(guī)定。

3.9 動力學評定安全指標

新型道岔鋪設(shè)后應(yīng)進行實車動力學試驗?？紤]到大秦鐵路道岔直側(cè)向速度較低，安全評定指標執(zhí)行速度≤160 km的標準，具體執(zhí)行標準和安全指標列于表4。

表4 安全評判標準

4 結(jié)束語

按上述技術(shù)指標所試制的道岔在大原鐵路局管內(nèi)大秦線湖東站鋪設(shè)運行已一年多，通過總重超過350 Mt。目前道岔整體狀態(tài)良好，尖軌、轍叉心軌、翼軌磨耗均勻、無掉塊;護軌磨耗均勻無損傷;軌枕承軌槽受力部位無裂紋和破損，主螺栓螺孔無開裂掉塊現(xiàn)象;軌枕與軌件聯(lián)結(jié)螺栓無松動、撓起和折斷情況;幾何尺寸無超限，道岔整體質(zhì)量仍有一定余量。通過試驗表明，新型道岔較既有道岔使用壽命明顯提高，已達到或超過設(shè)計壽命期望值。

新型道岔質(zhì)量可靠，磨耗量小，具有高強度、高韌性、無明顯剝落掉塊和不易壓潰的特點，相對目前現(xiàn)有的同類道岔，使用壽命長、維修工作量小、綜合性價比較高，確保運輸安全的可靠性，對重載鐵路的安全暢通和降低工務(wù)維修成本具有重要意義。

[1]趙秀春，杜順良，潘立忠.淺析萬噸列車引發(fā)道岔故障的原因及對策[J].鐵道通信信號，2004(11):2-3.

[2]馮偉.對大秦線重載列車側(cè)向通過的道岔進行加固研究[J].山西大同大學學報，2007(2):63-65.

U213.6

B

1003-1995(2010)04-0089-03

2009-09-22;

2010-01-25

趙洪雁(1959— )，男，山西清徐人，高級工程師。

(責任審編 白敏華)