大秦重载铁路75kg钢轨道岔技术指标研究

大秦线重载铁路道岔发展思路与主要技术指标研究一、存在问题2007年和2008年大秦重载铁路分别完成了3.0和3.5亿吨运量， 2009年将分别实现4.0亿吨运量。

大轴重（25吨）、高密度（行车间隔最短3~5分钟）和大运量（3.0亿吨）是大秦重载铁路的“三大特征”，在这种极其严酷的运行条件下，道岔部件（包括基本轨、尖轨，固定辙叉翼轨及心轨，可动心轨辙叉翼轨、心轨，钢轨接头等）的磨损和伤损（垂磨、侧磨、压溃、掉块等）远远大于普通线路道岔，引发部件损伤的原因是综合性的，涉及到道岔平面线型、结构设计、部件材质、制造工艺等众多因素。

就大秦重载铁路而言特殊的运行条件和不能及时维修（行车间隔时间短，上道维修作业极为困难、天窗时间里主要更换损坏部件、无精力进行维修作业）是引发部件损伤和道岔主要部件的平均使用寿命短于普通线路同型号道岔的主要原因。

大秦铁路在用道岔有两种，一种是固定型道岔，辙叉为高锰钢铸造辙叉和合金钢组合辙叉。

另一种是可动心道岔，辙叉为单肢弹性可弯结构。

其中固定型道岔占绝大部分。

不同类型道岔及其部件的使用寿命列于表1，分析表中的数据可得：1 在重载线路上高锰钢辙叉平均使用寿命与普通线路接近，属基本正常范围，而可动心轨辙叉的平均使用寿命远远低于普通线路，没有发挥其使用寿命长的特点。

2 曲线尖轨在短时间内即磨耗、压溃、掉块严重，在重载线路上平均使用寿命远远低于普通线路。

另外、重载铁路道岔在轨线中断部位（钢轨接头）和刚度突变部位（间隔铁等）及轨腰螺栓孔部位，轨顶面的压塌及磨耗均明显增加，这是普通线路道岔所不多见的现象。

表1 道岔部件使用寿命二、发展思路根据大秦铁路的运营条件，研制新型道岔和优化既有道岔结构有如下几个原则。

1 道岔及其部件应易于更换，以适应高密度的行车条件、减少更换作业时间，减小作业强度。

2 道岔及其部件应长寿命，以延长更换周期，减少对行车的影响。

3 道岔及其部件应易维修或免维修，以适应大秦铁路养护维修的现状，不应因维修不及时而严重影响其使用寿命。

4 道岔扣件系统（包括弹条扣件、紧固螺栓及垫板）中，除有个别滑床板、侧后垫板断裂及台板开焊外，总的破损率较低，其强度基本满足使用要求；Ⅲ型岔枕的强度和寿命能够满足使用要求；电务设备总体可以适应重载运输要求。

优化既有道岔结构时，应保持道岔全长及中线尺寸不变、扣件系统、岔枕及电务转换设备基本不变。

5 固定型辙叉以其造价低、易更换、维修工作量小的有点，受现场喜爱，比较适应大秦铁路养护维修的现状。

对既有固定型锰钢辙叉的结构、材质、加工工艺进行优化，延长其使用寿命是重载道岔发展的方向。

拼装式合金钢固定型辙叉在既有线使用良好，使用寿命高于固定型锰钢辙叉，可以考虑在重载线路小范围试用。

6 大秦铁路可动心轨辙叉的平均使用寿命远远低于普通线路，只是略长于固定型辙叉，不能适应大秦重载铁路的运营条件和养护维修的现状。

而且可动心轨道岔造价高，难于更换、对养护维修要求苛刻，养护维修成本很高。

因此可动心轨道岔不适应重载铁路。

7 大秦铁路采用75kg/m钢轨配Ⅲ型枕的轨道结构，由于75kg/m钢轨的抗弯刚度远大于60kg/m钢轨，因此在相同的钢轨支点刚度的条件下，轨道的整体刚度大幅度提高。

在动轮载的作用下，轨道的变形小，造成轮轨接触应力急剧增大，区间钢轨的磨耗、剥离、掉块严重。

在道岔区的翼轨跟部，间隔铁连接翼轨和心轨使得轨道刚度突变，造成钢轨顶面的压塌及磨耗增加。

应对重载铁路道岔（75kg/m钢轨）特有的刚度问题开展研究，并对弹性垫层进行设计优化，选取合适的扣件系统刚度和轨道刚度，解决刚度过大和刚度突变问题，从而解决重载铁路特有的垂磨、侧磨、压溃、掉块严重的问题。

8 提高曲线尖轨的寿命是需要重点解决的问题，增加尖轨厚度和使用新材料是提高曲线尖轨的寿命的主要措施。

与加大相离值和采用复合曲线的办法相比，将基本轨刨切5mm，从而将尖轨加宽5mm，是最有效的方法。

与采用轨距优化技术相比，该方法简单易行。

同时将40mm的降低值采用原设计35mm处的降低值，降低尖轨薄弱断面承受的垂直力。

采用该方法在增大尖轨厚度的同时，保证了垂直力由直基本轨到曲尖轨的过渡范围和过渡比例与既有道岔相同。

为提高尖轨的耐磨性可以使用高强度合金钢轧制的AT轨制造道岔尖轨。

三、主要技术指标鉴于现有的道岔不适应大秦铁路重载运输条件的需要，需要重新研制新型道岔，以解决大秦线重载铁路道岔的诸多技术问题。

特提出以下主要技术条件：1 运营条件考虑到将来大秦线货物列车可能会提速到100km/h甚至更高，而货车轴重可能会提高到28t，因此新设计的重载道岔应满足以下运行条件：1）静轴重≤280kN2）运行速度直向≤(120km/h)；侧向≤50km/h3）适应无缝线路年最大轨温差：100℃2 设计荷载指标虽然货车过岔速度远小于客运专线，但考虑到货物列车车况好坏不一，相差较大，因此竖向力设计指标取2倍静轮重。

依据如下。

既有线和大秦铁路动态测试中，在机车车辆状态良好的情况下，动态垂直力可达静轮重的0.9～1.3倍。

在车轮存在扁疤情况下，动态垂直力可达静轮重的1.3～1.9倍。

横向力水平力指车轮对单股钢轨的横向作用力，取值90 kN。

列车侧向过岔时，横向力水平力最大，既有线和大秦铁路动态测试横向力最大值为50～70 kN（对应于25t轴重），考虑到轴重的增加和测试的不可穷尽性，取值90 kN。

1）竖向力280 kN（2.0倍静轮重）2）横向力水平力（车轮对单股钢轨的横向作用力） 90 kN3 使用寿命期望值使用寿命是重载道岔的核心问题、解决该问题的难度不亚于解决高速道岔的平顺性。

对于曲线尖轨，其使用寿命远低于在普通线路上的使用寿命，新研制的曲线尖轨的使用寿命应力争接近于其在普通线路上的使用寿命。

高锰钢辙叉的使用寿命和其在普通线路上的使用寿命相差不大，应推广使用高强度、高韧性和高硬度的合金钢辙叉。

依据上述原则道岔部件的使用寿命列于表2。

4 道岔部件更换时间大秦线高密度行车的特点（行车间隔最短3~5分钟）决定了道岔部件的更换时间不宜过长。

各部件的更换时间列于表3。

表3 使用寿命期望值5 道岔部件主要强度指标1） CHN75kg/m钢轨a：σb≥980MPa;b：表面硬度：350~370HB2）锰钢辙叉a：σb≥750MPa;b：αku≥147J/cm2(20℃)c：表面硬度：320~350HB3）合金钢辙叉心轨a：σb≥1200MPa;b：αku≥70J/cm2(20℃)c：表面硬度：38~42HRC4）贝氏体钢轨a：抗拉强度:1280-1440MPa;b：屈服强度:980-1180MPa;c：αku≥70J/cm2(20℃)6 扣件系统技术指标1）扣压件扣压力不小于10 kN2）防爬阻力大于10 kN为满足无缝道岔的铺设要求，要求扣件系统对钢轨有足够的防爬阻力，参照国内外道岔区扣件使用经验，单个扣件节点的防爬阻力应大于10kN。

3）疲劳性能结合重载铁路道岔道岔区的受力特点，确定单组扣件的疲劳荷载为70kN（横向力水平力的70%，即90×0.7=63 kN,取值70kN）。

疲劳试验前后，钢轨纵向阻力、刚度和扣压力分别满足以下要求：钢轨纵向阻力≤20%垫板刚度≤25%扣压力≤20%4）绝缘性能为保证轨道电路的正常工作，道岔区扣件系统应有较好的绝缘性能，初步确定两走行轨间绝缘电阻大于108Ω（干态）。

5）高低调整量考虑到有砟轨道的特点和速度较低，扣件系统不考虑高低调整。

6）左右位置调整量钢轨左右位置调整量为-4～+2 mm，轨距调整量为-8～+4 mm，调整级别为1 mm。

7）预埋件抗拔力在大秦重载线路上预埋套管失效问题突出，预埋件在混凝土轨枕中抗拔力应大于100kN。

8）轨底坡根据技术条件的要求，轨底坡为1:40。

9）系统刚度铁科院于2005年对道岔区刚度进行了室内和现场试验，研究成果参见《道岔区刚度及其合理匹配的研究》，主要结论如下。

a：轨下橡胶垫板的静刚度量值分布于170-200kN/mm，板下橡胶垫板的静刚度量值分布于50-160kN/mm，离散度极大。

b：在采取大秦重载铁路道岔扣件系统的条件下，扣件系统的刚度不仅仅取决于橡胶垫板的刚度，还取决于垫板长度、一块垫板上螺栓数量、螺栓扭矩等因素。

c：扣件系统的静刚度应为组装状态下的刚度量值。

d：该种扣件形式的轨道刚度很难实现刚度均匀化。

一般地段即单股钢轨作用地段，扣件节点刚度为60kN/mm（组装刚度），其它地段以轨道整体刚度均匀化原则分区段设置。

7 岔枕技术指标鉴于现有混凝土岔枕能适应大秦铁路的运行条件，保持岔枕的技术指标不变。

承载能力和混凝土永久预应力最大值的要求列于表4。

8 道岔制造精度大秦重载铁路道岔直向容许通过速度不大于120km/h，道岔制造和组装公差应符合TB/T412的规定。

9 动力学评定安全指标新型道岔铺设后应进行实车动力学试验。

考虑到大秦铁路道岔直侧向速度较低，安全评定指标执行速度小于等于160公里的标准的标准，具体执行标准和安全指标列于表5.表5 安全评判标准注：表中P0、P10、P20为静轮重。