無(wú)砟軌道道岔曲尖軌及可動(dòng)心軌疲勞傷損成因與維護(hù)措施研究

王建國(guó)

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(guān)注的焦點(diǎn)。京哈高鐵大站場(chǎng)側(cè)的道岔魚鱗紋多發(fā)生在無(wú)砟軌道道岔上，是正線道岔進(jìn)入到發(fā)線的逆向道岔的曲尖軌上。曲尖軌和可動(dòng)心軌是無(wú)砟軌道道岔上比較常見(jiàn)的軌道形式，文章針對(duì)無(wú)砟軌道道岔曲尖軌疲勞裂紋和可動(dòng)心軌疲勞傷損形成的原因進(jìn)行分析，提出解決的措施。

關(guān)鍵詞 高速鐵路;道岔;曲尖軌;可動(dòng)心軌道岔;滾動(dòng)接觸疲勞;道岔維修

中圖分類號(hào) U213.244 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）02-0077-03

0 引言

我國(guó)高鐵開通10余年來(lái)，高速道岔病害開始逐步出現(xiàn)，CN系列、客專系列道岔長(zhǎng)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(yùn)行秩序，危及行車安全。高速道岔中曲尖軌和可動(dòng)心軌是道岔的重要組成部分，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受荷載作用大、病害多發(fā)等特點(diǎn)?？蓜?dòng)心軌也是工務(wù)和電務(wù)管理的交叉點(diǎn)，維護(hù)難度大?；谲壍谰€路的重要性和易出現(xiàn)疲勞傷損等病害特性，建設(shè)單位和施工單位除應(yīng)采取多種有效措施防止或減少無(wú)砟軌道出現(xiàn)裂縫傷損外，還應(yīng)在無(wú)砟軌道出現(xiàn)裂縫后及時(shí)采取措施對(duì)損傷進(jìn)行治理并加強(qiáng)傷損修復(fù)處的監(jiān)測(cè)，降低傷損的復(fù)現(xiàn)概率，為列車的安全運(yùn)行提供可靠的線路保障。

1 無(wú)砟軌道概述

與傳統(tǒng)有砟軌道相比，無(wú)砟軌道因其可靠性高、軌下基礎(chǔ)和運(yùn)營(yíng)條件適應(yīng)性強(qiáng)、耐久壽命長(zhǎng)、施工靈活、平穩(wěn)性好和維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在我國(guó)新建軌道交通建設(shè)中。但由于無(wú)砟軌道在我國(guó)的使用時(shí)間較短，在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面還不太成熟等，無(wú)砟軌道道床彈性差、剛度強(qiáng)，無(wú)砟軌道在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后較易出現(xiàn)裂縫等傷損問(wèn)題。

2 京哈高鐵道岔傷損

高速鐵路無(wú)砟軌道中無(wú)砟道岔是薄弱環(huán)節(jié)，無(wú)砟道岔應(yīng)用時(shí)間較短，在日常養(yǎng)護(hù)中沒(méi)有太多的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，在京哈高鐵幾年的養(yǎng)護(hù)維修過(guò)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(cè)面磨耗，特別是大站場(chǎng)側(cè)出道岔曲尖軌側(cè)磨尤為嚴(yán)重，有部分曲尖軌側(cè)面磨耗達(dá)4 mm以上，已列為重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象，通過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)及監(jiān)控分析，發(fā)現(xiàn)側(cè)向進(jìn)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(wèn)題嚴(yán)重影響到了高鐵設(shè)備安全，導(dǎo)致高鐵運(yùn)營(yíng)也存在極大的安全隱患。

尖軌側(cè)磨、魚鱗紋較多的地方主要集中在正線道岔進(jìn)入到發(fā)線的逆向道岔的曲尖軌上，通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)曲尖軌新上線后第8～10天，尖軌跟端、導(dǎo)曲軌即出現(xiàn)細(xì)微、肉眼可見(jiàn)的魚鱗傷，隨后損傷迅速發(fā)展，長(zhǎng)度、深度、密度均有所增加。后期表現(xiàn)為軌頭壓潰、垂磨、側(cè)磨等病害，其中壓潰多出現(xiàn)在曲基軌及導(dǎo)曲下股，尤以第一轉(zhuǎn)轍機(jī)至轍叉間部分發(fā)展嚴(yán)重。

根據(jù)觀察結(jié)果，大站場(chǎng)側(cè)出道岔魚鱗傷的發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）大量流量，背面的火車和火車進(jìn)入車站的傳統(tǒng)制動(dòng)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(duì)滯后。

（3）當(dāng)鋼軌塑性變形向流線方向擴(kuò)展并達(dá)到一定深度時(shí)，在水平剪應(yīng)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(cè)有明顯增長(zhǎng)，后進(jìn)入發(fā)展變緩階段。同時(shí)，在非迎車端側(cè)出現(xiàn)冒沿，由單側(cè)演變發(fā)展為雙側(cè)。

3 曲尖軌裂紋成因分析

根據(jù)高速鐵路道岔設(shè)計(jì)圖紙控制斷面，采用鋼軌廓形儀分別對(duì)我國(guó)某高速鐵路兩組客專線60軌18號(hào)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(jìn)行了測(cè)量。兩組道岔分別為逆向-側(cè)向進(jìn)岔和順向-側(cè)向出岔，列車側(cè)向過(guò)岔最高速度80 km/h，根據(jù)綜合檢測(cè)車測(cè)力輪對(duì)實(shí)測(cè)速度68～73 km/h，測(cè)試時(shí)距離上道時(shí)間約3個(gè)月，每天通過(guò)列車5～7對(duì)，通過(guò)總重有限，可認(rèn)為道岔鋼軌未發(fā)生明顯磨損。

3.1 無(wú)砟軌道道床彈性差，剛度強(qiáng)

綜合來(lái)看，曲尖軌在頂寬20～50 mm區(qū)域均可能形成疲勞裂紋，且應(yīng)根據(jù)1、2位輪對(duì)外輪對(duì)曲尖軌不同控制斷面的疲勞指數(shù)來(lái)確定其對(duì)裂紋形成的貢獻(xiàn)[1]。此外，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，高速道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)鋼軌磨耗隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)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(lái)不及累積到臨界值便被磨耗掉;當(dāng)磨耗逐漸趨穩(wěn)，廓形變化較小時(shí)，鋼軌表面和亞表面疲勞損傷不斷累積直至達(dá)到臨界值，形成疲勞裂紋（如圖1～2）。

3.2 道岔結(jié)構(gòu)性原因

還有的時(shí)候是因?yàn)榈啦斫Y(jié)構(gòu)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(huì)影響車輛通過(guò)道岔時(shí)的動(dòng)力特性、輪載轉(zhuǎn)移和輪軌接觸情況。京哈高鐵道岔的導(dǎo)曲部分是圓曲線型的，但它不像曲線設(shè)有超高，（18號(hào)道岔圓曲線半徑是1 100 mm）列車通過(guò)時(shí)對(duì)道岔的導(dǎo)曲上股及曲尖軌產(chǎn)生較大的橫向力。針對(duì)超高的問(wèn)題，在設(shè)置曲線超高的時(shí)候有外軌抬高法和線路中心高度不變法兩種方法。“設(shè)置超高時(shí)，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(shè)置的超高可使車輛通過(guò)曲線時(shí)，其重心高度幾乎不變，從而避免了不必要的上下振動(dòng)?！痹诰┕哞F的養(yǎng)護(hù)維修過(guò)程中有利用這個(gè)原理進(jìn)行實(shí)踐過(guò)，發(fā)現(xiàn)整治10 mm左右的曲線超高效果明顯，特別對(duì)反向曲線夾直線的晃車非常好，對(duì)條件允許夾直線上最好有20 m左右的過(guò)渡平臺(tái)，不允許就在夾直線長(zhǎng)度一半上，兩邊同時(shí)順坡，順坡率不大于0.6‰。借用設(shè)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(wèn)題，在道岔區(qū)還存在側(cè)向轍叉部水平整體低于護(hù)軌一側(cè)曲下股的水平，導(dǎo)致曲線反超的現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)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(cè)做好順坡，這樣就能減小車輪對(duì)轍叉的橫向沖擊，緩解魚鱗紋的發(fā)展，提高設(shè)備質(zhì)量。二改：是改正曲下股軌距，達(dá)到按標(biāo)準(zhǔn)軌大1 mm左右，不要有小軌距，道岔側(cè)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(hù)維修質(zhì)量不高，曲線超高的設(shè)置矛盾頗多。一些無(wú)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(jìn)行維護(hù)過(guò)程中有見(jiàn)過(guò)因?yàn)闀r(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致軌道變形后導(dǎo)致尖軌會(huì)比基本軌高，這樣的道岔很容易讓機(jī)車輪緣跳上軌面導(dǎo)致機(jī)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(cè)墊入2 mm的調(diào)高墊板，這樣能減小列車通過(guò)時(shí)車輪對(duì)尖軌的沖擊，最好是墊高曲尖軌尖端至導(dǎo)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(diǎn)尺寸存在問(wèn)題

道岔曲基本軌的彎折是為了適應(yīng)尖軌尖端方向的突變和轉(zhuǎn)轍部分軌距遞減率較大而設(shè)置的。必須做到恰到好處，彎折過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)造成轉(zhuǎn)轍部分方向不良，軌距超限，導(dǎo)致列車搖晃。因?yàn)椴砬拒墢澱厶?，就像曲線的額頭一樣，是產(chǎn)生晃車的源頭，彎折點(diǎn)尺寸不好，使列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的車輪橫向阻力增大。道岔養(yǎng)護(hù)過(guò)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(duì)尺寸進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有出入，可以改正曲下股彎折點(diǎn)處的彎折尺寸及軌距，做到按標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，減少車輪的橫向沖擊力，還可以用彎軌器對(duì)彎折量進(jìn)行調(diào)正，以達(dá)到根治道岔病害的目的。

4 可動(dòng)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(guò)可動(dòng)心軌時(shí)在翼軌上過(guò)渡，翼軌受到輪對(duì)橫向向外的力量，導(dǎo)致翼軌有向外傾覆趨勢(shì)，故安裝軌撐，以提高結(jié)構(gòu)的整體性。為保證列車通過(guò)道岔時(shí)乘客乘坐的舒適性，客專道岔采用將翼軌加高2 mm設(shè)計(jì)?？蛯５啦聿捎煤侠淼目蓜?dòng)心軌結(jié)構(gòu)形式以改善輪軌接觸關(guān)系，提高列車過(guò)岔平穩(wěn)性和安全性，延長(zhǎng)道岔使用壽命。結(jié)構(gòu)不平順造成輪軌在可動(dòng)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(shí)翼軌向外側(cè)彎折50 mm，所以其翼軌上的輪軌主要接觸點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)地向外側(cè)移動(dòng)50 mm，導(dǎo)致列車輪對(duì)質(zhì)心向心軌移動(dòng)，增大作用力。

4.2 客專道岔長(zhǎng)心軌折斷的原因

客專道岔長(zhǎng)短心軌之間設(shè)有夾片，以保證長(zhǎng)短心軌密貼。轉(zhuǎn)換過(guò)程中，長(zhǎng)短心軌會(huì)發(fā)生一定的相對(duì)位移，由于相互摩擦，夾片滑入長(zhǎng)心軌彈性軌底，并嵌入長(zhǎng)心軌軌底與滑床臺(tái)板之間，導(dǎo)致長(zhǎng)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(guò)減小長(zhǎng)心軌剛度，增加其橫向擺動(dòng)的彈性，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在螺栓孔等薄弱處出現(xiàn)疲勞傷損?？蛯Ｏ盗械啦黹L(zhǎng)短心軌為拼接結(jié)構(gòu)，采用螺栓連接，可動(dòng)心軌在定位和反位轉(zhuǎn)換過(guò)程中有位移相錯(cuò)量，將長(zhǎng)短心軌之間調(diào)整縫隙的調(diào)整片磨薄，滑向長(zhǎng)心軌底部，墊在滑床臺(tái)上，導(dǎo)致長(zhǎng)心軌受力發(fā)生變化而折斷。

4.3 可動(dòng)心軌間隔鐵拉斷的原因

可動(dòng)心軌部位間隔鐵為了傳遞區(qū)間與站內(nèi)股道溫度應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)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(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為保持心軌整體性，固定長(zhǎng)心軌與翼軌、岔跟尖軌與翼軌，以提高整體框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鎖定軌溫是無(wú)縫線路輔鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修的依據(jù)。在新線建設(shè)過(guò)程中，施工單位如果未按無(wú)縫線路和道岔鎖定要求施工，設(shè)備管理單位提前介入不及時(shí)，就會(huì)造成無(wú)縫道岔未按要求溫度鎖定。由于該道岔在冬季鋪設(shè)和鎖定，夏季軌溫過(guò)高就造成道岔內(nèi)部溫度應(yīng)力過(guò)大，從而導(dǎo)致間隔鐵拉斷。該組道岔違背相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，造成無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)鎖定軌溫與兩端區(qū)間無(wú)縫線路設(shè)計(jì)鎖定軌溫不一致，無(wú)法滿足跨區(qū)間無(wú)縫線路允許溫升與溫降要求。

5 高鐵道岔養(yǎng)護(hù)維修措施

5.1 定期巡查線路

嚴(yán)格按照每周1次巡查道岔結(jié)構(gòu)，做到巡查項(xiàng)目全覆蓋。道岔間隔鐵、限位器連接螺栓、護(hù)軌螺栓、長(zhǎng)短心軌聯(lián)結(jié)螺栓、接頭鐵螺栓應(yīng)保持齊全、作用良好，折斷時(shí)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(shí)，應(yīng)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(jié)和固定螺栓變形、損壞或者作用不良時(shí)，應(yīng)進(jìn)行修理或更換，并從設(shè)計(jì)源頭，結(jié)合道岔輪軌關(guān)系受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，及時(shí)補(bǔ)充原廠配件。

5.2 加強(qiáng)探傷檢測(cè)

探傷時(shí)將方木置于長(zhǎng)心軌與翼軌中間，做好安全防護(hù)。利用K1探頭、K2.5探頭結(jié)合手錘和反光鏡檢查，當(dāng)探頭探測(cè)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(dāng)量值時(shí)，確認(rèn)波形位移量，結(jié)合手摸、尺量、眼看確認(rèn)出波位置，判斷是傷波還是缺陷波。比照焊縫探傷判傷標(biāo)準(zhǔn)，即軌底達(dá)到大于或等于直徑4 mm豎孔當(dāng)量時(shí)，判重傷;小于上述標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，判為輕傷。

5.3 整體更換

可動(dòng)心軌利用大部件更換時(shí)，可以整體更換可動(dòng)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(dòng)心軌結(jié)構(gòu)的整體性和各部結(jié)構(gòu)匹配。其次，整體更換僅需將可動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)化原裝設(shè)備可提高電務(wù)、供電設(shè)備更換效率。第三，可以提高機(jī)械化程度，減少人工操作，也便于積累可動(dòng)心軌更換經(jīng)驗(yàn)，推廣工法[3]。施工完成后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)合回檢，達(dá)到放行列車條件，方可開通線路。

5.4 盤活備用料并加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)

設(shè)備管理單位須高度重視培養(yǎng)高技能人才，加強(qiáng)道岔備用材料管理，可以將備用道岔鋪設(shè)在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)，這樣一來(lái)可以有效地保護(hù)道岔配件及其結(jié)構(gòu)，另外還可以詳細(xì)地掌握已消耗道岔配件種類和數(shù)量，便于及時(shí)補(bǔ)充;另外將備用道岔鋪設(shè)在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)可以綜合地進(jìn)行利用，進(jìn)行職工的培訓(xùn)，提升職工職業(yè)技能水平，開展技術(shù)攻關(guān)。

6 結(jié)語(yǔ)

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(shè)備之一。由于無(wú)砟軌道施工工藝簡(jiǎn)單、整體程度高，能廣泛適應(yīng)不同工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的施工要求，因此在我國(guó)軌道交通項(xiàng)目建設(shè)中被廣泛應(yīng)用推廣。然而無(wú)砟軌道因受到各種因素的影響而出現(xiàn)損傷問(wèn)題，給列車的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重隱患。因此，建設(shè)單位和施工單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無(wú)砟軌道曲尖軌及可動(dòng)心軌疲勞傷損的管理監(jiān)督，確保無(wú)砟軌道具有較高的RAMS性能，并在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中增大對(duì)無(wú)砟軌道的狀態(tài)監(jiān)測(cè)密度，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞損傷問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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