重载铁路道岔研究

载列车对线路的冲击破坏作用较普通铁路大，尤

其是曲线、道岔、钢轨等轨道结构损伤更为严重。我国重载铁路都是在普通铁路基础上发展起来的，既有重载铁路道岔已不能满足我国已建成的大秦铁路、朔黄铁路以及在建的山西中南部铁路通道、蒙西至华中地区铁路煤运通道等重载铁路线，迫切需要研发新型重载铁路道岔，提出进一步强化新技术的研究开发，提高关键零部件使用寿命，有效解决关键零部件磨损严重问题，推动重载运输的更大进展。1 我国重载铁路道岔现状

我国建成的重载铁路中大秦铁路和朔黄铁路为主要运煤专用铁路，随着运量逐年提升，在不增加线路里程的前提下，线路开行万吨级30 t轴重车辆成为必然趋势。

大秦重载铁路钢轨材质主要是PG4和U75V。道岔主要采用提速道岔的技术标准，其结构形式与提速道岔基本相同，采用分开式弹性扣件，辙叉分为固定型辙叉和可动心轨辙叉两种，轨下基础为混凝土岔枕。其中可动心轨辙叉已改造成固定型辙叉。

大秦重载铁路以其大轴重、高密度和大运量的运输工况对道岔设备构成了极其严酷的运行条件，使道岔基本轨、尖轨、翼轨及心轨、钢轨接头等零件的磨损和伤损远远大于普通线路同型号道岔。通过对大秦铁路、朔黄铁路道岔实地调研后，分析重载铁路道岔主要病害为：

重载铁路道岔研究

董彦录：中铁宝桥集团有限公司，副总经理，陕西 宝鸡，721006

摘 要：重载铁路是我国铁路建设的又一

发展方向，道岔作为铁路线路的关键设

备，起着极为重要的作用。通过对我国重

载铁路道岔实地调研，分析病害原因，从

尖轨、辙叉、钢轨强化等方面介绍我国重

载铁路道岔新技术的研究。

关键词：重载铁路；道岔结构；技术发展

重

（1）基本轨压溃和掉块，曲线尖轨磨耗严重、裂纹和剥离掉块（见图1）。其原因是由于尖轨前端截面较小，车轮的横向力较大，制约了曲线尖轨寿命。

（2）辙叉心轨、翼轨磨耗严重（见图2）制约了辙叉，平均3～4个月就需要更换，增加了维修工作量。

（3）钢轨接头与刚度突变部位（安装间隔铁或限位器的尖轨跟端）的轨顶面压塌、肥边及磨耗均明显增加（见图3）。

2 新型重载道岔研究目标

进入21世纪以来，各国铁路已纷纷拟定重载技术研究开发的新计划，力图在21世纪初在高的起点进一步强化新技术、新装备的研究开发，以便在更大范围内推进重载运输，取得更大的经济效益。依据重载铁路的运营条件及部件伤损情况，确定研制新型重载道岔的研究目标为：

（1）新型重载道岔与重载铁路既有道岔线型一致、可整体互换；辙叉可带垫板与既有辙叉互换。

（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。实现辙叉寿命使用不低于3亿t、曲线尖轨使用寿命达到1亿～2亿t目标。

（3）道岔及其部件应易维修或免维修，以适应重载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。

3 新型重载道岔研究内容

为缓解重载铁路道岔使用的伤损问题，在前期对大

秦铁路、朔黄铁路调研基础上，中铁宝桥集团有限公司2009年提出并讨论通过了研制开发适应重载铁路运输新型道岔的设计原则和设计目标，首先研制可与既有道岔互换的75 kg/m钢轨12号单开重载道岔。3.1 尖轨加厚

增加尖轨厚度是提高曲线尖轨寿命的主要措施，主要有两种方式。一种是在尖轨和基本轨密贴区段，将基本轨密贴段轨头水平刨切一定厚度，尖轨轨头宽度相

应增加同样厚度（见图4（1）），提高其抗磨耗能力。尤其是增加尖轨尖端厚度可防止尖端快速磨耗和掉块，增大安全储备。另一种方式是采用特有的动态轨距优化（德文缩写为FAKOP）技术，在尖轨顶宽30 mm处基本轨发生弯折，致使该处存在15 mm的轨距加宽量（见图

4（2））。该设计能使左右轨上的横向不平顺对称存

图1 基本轨压溃、曲线尖轨严重侧磨及掉块

图2 高锰钢辙叉心轨、翼轨磨耗严重

图3 钢轨顶面肥边

图4 尖轨加厚示意图

尖轨

尖轨与基本轨密贴段

15 mm

1 435 m m

A -x

A -x

（1）

（2）

在，可有效减缓列车过岔时的蛇形运动，同时还可增大尖轨的粗壮度，提高尖轨的耐磨性，尖轨顶降低值以保证钢轨强度及轮载平稳过渡为设计依据。

尖轨加厚技术在英国、德国等欧洲国家的重载铁路道岔上应用，效果明显。

3.2 辙叉结构

辙叉采用细晶粒预硬化嵌入式高锰钢组合辙叉或拼装式合金钢组合辙叉。

中铁宝桥集团有限公司自20世纪90年代开始为北美市场供应重载用嵌入式高锰钢组合辙叉，平均每年供货数量在1 500根左右。出口北美市场的嵌入式高锰钢组合辙叉产品结构及质量得到美国Scheppler Engineering公司和CTM（Cleveland Track Material）公司的肯定。其优点是：

（1）心轨与翼轨最大冲击部位实现锰钢化，同材料、同强度、同寿命；

（2）锰钢铸件长度短，有利于质量控制；

（3）爆炸硬化后表面硬度达到350 HB以上，硬化层深度≥30 mm；

（4）钢轨拼装结构，适用于无缝线路；

（5）采用双咽喉结构，缩短辙叉有害空间距离。

细晶粒预硬化嵌入式高锰钢组合辙叉的主要结构由整铸叉心、叉跟轨、翼轨及高强度螺栓连接而成，整铸叉心、翼轨为高锰钢整体连铸结构（见图5）。

3.3 辙叉三次爆炸硬化技术

细晶粒预硬化嵌入式高锰钢组合辙叉叉心轨顶面、工作边及圆弧全长范围内采用三次爆炸硬化工艺。高锰钢辙叉爆炸预硬化是通过炸药爆炸在辙叉表面产生的强大外力冲击作用，使其高锰钢奥氏体的孪晶组织产生形变错位，促使辙叉表面迅速发生硬化，从而提高初始硬度，有利于提高辙叉的耐磨性。爆炸硬化处理后叉心表面硬度达到350 HB以上，硬化层深度≥30 mm，充分发掘了高锰钢的高冲击韧性和高耐磨性，所形成的深化硬度有助于抵抗在预稳定期的磨损，提高辙叉初期耐磨性。嵌入式高锰钢组合辙叉爆炸硬化工艺成熟，质量稳定可靠。中铁宝桥集团有限公司出口北美市场的预硬化后辙叉平均通过运量总重4亿t以上，使用寿命达到国际先进水平。

3.4 钢轨强化

基本轨、尖轨、导轨、辙叉翼轨及叉跟轨采用U78CrV（PG4，强度≥1 280 MPa，硬度370～420 HB）在线热处理钢轨，以有效增强钢轨表面耐磨性能，实现与线路钢轨等强匹配，与前期道岔用U75V（强度≥1 180 MPa，硬度340～400 HB）在线热处理钢轨相比，其性能大幅提高。

4 理论计算分析

利用有限元法建立轮轨接触有限元实体模型（见图6）进行计算分析。

4.1 曲线尖轨

通过轮轨接触有限元分析，在相同荷载作用下，尖轨顶宽越大，其轮轨接触应力越小，增大尖轨头部宽度，对降低轮轨接触应力的作用明显（见图7、图8）。

4.2 嵌入式高锰钢组合辙叉

根据实体有限元方法，运用ANSYS建立三维实体计算模型，计算分析嵌入式组合高锰钢辙叉的受力性能。

分析时，翼轨、叉心、间隔铁和螺栓均采用ANSYS单

图5 嵌入式高锰钢组合辙叉结构图6 轮轨接触有限元模型

嵌入式整铸叉心

（叉心连铸镶嵌翼轨）

翼轨（与辙叉外侧贴合）

防转高强度螺栓连接

间隔铁

叉跟轨