骆 焱

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京 100055)

30 t轴重60 kg/m钢轨18号重载道岔设计

骆 焱

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京 100055)

随着国内客运专线的大规模建设，重载运输也必将得到普遍的推广使用。根据30 t大轴重的特殊要求，结合山西中南部重载铁路的使用条件，在大秦线经过大量现场调研，研究开发了专用的重载道岔产品，从道岔平面、结构设计、轨下基础及转换设备等各个方面，有针对性地进行研究，分别从尖轨尖端加厚、辙叉采用多种合金钢钢轨组合型式、护轨采用新型轨撑垫板结构、岔枕采用预埋铁座联结方式等方面进行设计创新。并在既有线上道试验，目前使用状况良好，根据测试结果反馈的问题，优化了道岔结构及材料性能指标，从而建立了国内重载道岔技术体系。

重载铁路；道岔；设计；创新

1 国内外重载道岔的现状

重载铁路运输因其运能大、效率高、运输成本低而受到世界各国铁路的广泛重视，不仅在一些幅员辽阔、资源丰富、煤炭和矿石等大宗货物运量占有较大比重的国家，如美国、加拿大、澳大利亚、南非、巴西、瑞典等发展重载铁路，大量开行重载列车，而且在欧洲以客运为主的客货混运干线上也开始开行重载列车。目前，国外发展重载运输技术较先进的国家主要有：美国、澳大利亚、南非、巴西、瑞典等国家。在国外经过多年的发展，重载铁路道岔方面均有较为成熟的技术和产品，这些国家的重载铁路虽然轴重和牵引质量较大，但运量与国内大秦线相比并不算很高。

随着国内客运专线的大规模建设，既有线运能得到有效释放，客货分离成为了未来铁路运输的发展方向，重载运输必将得到普遍的推广使用。但目前大秦线、朔黄线的道岔主要采用提速道岔的技术标准，其结构型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辙叉两种，轨下基础为混凝土岔枕。由于没有针对重载铁路的特点进行专门研究，道岔的强度低、稳定性差，使用寿命短，现场的养护维修工作量较大，尤其是可动心轨辙叉，伤损较快，现场更换不便，更换费用也较高，难以适应重载运输的需要。

2 工程概况

山西中南部铁路通道工程为国内第一条30 t轴重的重载线路，地处华北地区南部，西起晋中南地区，衔接南北向主要铁路干线，东至山东沿海港口，形成了石太—石德—胶济铁路、邯长—邯济—胶济铁路、侯月～新菏兖日铁路间一条新的“西煤东运”的能源运输动脉，也是我国东西向路网干线铁路之一，对我国国民经济发展具有重要的能源安全保障作用。

道岔是铁路运输的关键环节之一，通过对重载道岔的研究，对建立国内重载道岔的技术体系，研制出具有自主知识产权的系列重载道岔产品，满足国内不同条件下重载铁路的使用需要，进一步提升国内道岔的技术水平，具有重要意义。

3 既有道岔的使用情况

目前大秦线是我国最主要的重载铁路，列车运行速度70～80 km/h，轴重25 t，牵引质量10 000～20 000万t，年运量已达到4亿t以上。

通过对大秦线现场调查，了解道岔的使用情况，掌握道岔部件的伤损情况，分析伤损的原因，为重载道岔的设计提供依据。发现的主要问题如下。

(1)曲尖轨、导曲线上股钢轨和护轨磨耗严重。对于侧向行车较多的道岔，曲尖轨伤损严重，尖轨前端多数出现严重磨耗或剥离掉块。对于多数道岔，曲尖轨的磨耗一直延伸到导曲线部位，严重影响钢轨的使用寿命，一般1.0～1.5亿t就要下道(4～5个月)；对于直尖轨，容易出现钢轨顶面压溃，一般能使用9个月以上(图1)。

图1 道岔尖轨现场使用情况

(2)辙叉伤损较快，使用寿命短。现场调查发现，各种结构形式的固定辙叉均出现了较为严重的伤损，使用寿命离散性较大。目前最好的辙叉使用寿命可达3.5亿t以上，也有些使用寿命不到1亿t。辙叉的伤损以压溃、剥离掉块、磨耗到限、裂纹等为主(图2)。

图2 辙叉现场使用情况

从总体上看，合金钢钢轨组合辙叉的使用寿命要高于高锰钢整铸辙叉的使用寿命，目前大秦线以采用合金钢辙叉为主。

(3)护轨磨耗较快，使用寿命短。

(4)扣件系统失效，弹条折断、铁垫板和铁座断裂。

经调查，现场有较多的道岔扣件系统出现伤损，包括弹条折断，铁垫板脱焊、断裂，橡胶垫板变形、压溃，轨撑断裂等，见图3。

图3 扣件现场使用情况

(5)塑料套管失效。主要表现为塑料套管螺纹滑脱造成失效。

(6)螺栓松动、折断。

(7)混凝土岔枕伤损。

4 重载道岔结构设计及主要创新点

(1)道岔平面线型

60 kg/m钢轨18号道岔采用与既有18号道岔相同的平面线型，导曲线半径采用1 100 m，有利于改善列车通过状态和技术标准的统一，道岔主要尺寸：前长28 600 mm，后长31 400 mm，总长60 000 mm。根据道岔主要尺寸和岔枕布置，确定尖轨尖端至基本轨的距离为1351 mm，尖轨从39 mm断面半切，尖轨尖端向后200 mm作藏尖刨切。尖轨设置3个牵引点。辙叉为曲线辙叉，直侧向护轨长度分别为8.6 m和8.2 m。

(2)道岔轨底坡的设置

国内的道岔设计，长期以来一直不设轨底坡。从提速道岔开始，设1∶40轨底坡。从道岔使用情况来看，目前轨顶面的光带普遍偏向内侧，轮对与轨顶面的轨距角接触，造成钢轨容易出现肥边或压溃，进而出现剥离掉块。重载道岔推荐采用1∶20的轨底坡(在尖轨和固定辙叉部分设轨顶坡)。其目的一是改善轮轨接触关系，使轨顶光带居中，以延长尖轨的使用寿命。二是减小钢轨所受的横向力。道岔与两端线路的连接用顺坡垫板过渡。

在成都局区间小半径地段曾进行1∶20轨底坡的试验，证明采用1∶20轨底坡后，对减轻钢轨磨耗、减少钢轨所受的横向力具有较好的效果，试验没有发现对轨道结构的不利影响，因此30 t轴重重载道岔选用1∶20轨底坡，有效减少钢轨所受的横向力。

(3)尖轨、基本轨采用合金钢钢轨

尖轨、基本轨采用合金钢钢轨，主要是为了提高使用寿命。合金钢钢轨强度、韧性、冲击、落锤、疲劳、静弯等指标均优于普通钢轨，其力学性能实现了强度和韧性的同步提高，特别是轨腰处的冲击韧性增幅大，是普通钢轨的10倍。使用合金钢钢轨制作组合辙叉和尖轨，其各项性能指标能完全满足使用要求，且使用寿命长，耐磨性好，并可与线路钢轨焊连，满足超长无缝线路发展需要。

重载道岔尖轨、基本轨采用合金钢钢轨制造；对于导曲线上股钢轨，建议由用户根据岔位情况，可选择采用U75V、PG4在线淬火轨或合金钢钢轨。

尖轨可动部分用整根钢轨制造，不焊接。尖轨尖端采用藏尖刨切，为减少尖轨后端的不足位移便于制造和铺设使用，尖轨长度尽量缩短。尖轨采用60AT钢轨制造，尖轨跟端需锻压成标准60 kg/m钢轨断面。尖轨滑床板部分采用施维格弹性夹扣压，尖轨跟端的基本轨内侧采用台板扣压，尖轨两侧采用普通弹条扣件扣压，尖轨跟端的轨底可作少量刨切。对于尖轨后端的扣压，采用客运专线道岔优化后的扣板扣压。虽然增加了制造和组装的难度，但可以保证钢轨的稳定性。

尖轨跟端的传力机构采用限位器结构，可以允许尖轨相对基本轨有少量位移，基本轨承受的附加力较小，但当限位器受力，容易引起尖轨、基本轨方向的变化，影响行车的平稳性。采用间隔铁时，基本轨承受的附加力较大。只用扣件固定时，可以保证尖轨伸缩时，不影响列车通过时和平稳性，但当尖轨的伸缩位移较大时，容易造成转换设备的卡阻。因此重载道岔按限位器和间隔铁2种跟端结构设计。

(4)开发了独创的尖轨加厚技术

列车侧向通过较多时，尤其是顺向出岔较多的道岔，曲尖轨磨耗较为严重，影响曲尖轨的使用寿命。曲尖轨的磨耗除与钢轨材质有关外，也与平面线型和道岔结构有关。为此60 kg/m钢轨18号道岔除了在材质上采用合金钢钢轨制造尖轨，从平面线型上也提出了3种方案进行比选。

方案一：轨距加宽5 mm(图4)

图4 方案一(单位：mm)

该方案在原60 kg/m钢轨18号重载道岔平面线型基础上轨距加宽5 mm，可以改善车轮通过曲线的内接条件，仿真分析结果表明，轨距加宽对改善曲尖轨侧磨是有利的，缺点是不利于车辆直向过岔的平稳性，由于道岔直向旅客列车容许通过速度为120 km/h，计算结果也表明，轨距加宽对行车影响不大。

方案二：基本轨刨切3 mm，尖轨加厚3 mm，轨距加宽5 mm(图5)

图5 方案二(单位：mm)

该方案在方案一的基础上优化，改善车辆曲线通过条件的同时，基本轨刨掉3 mm，尖轨加厚3 mm，其他线型不变。优点为从改善行车条件和加厚尖轨自身两个方面同时考虑增加尖轨耐磨方案，在尖轨密贴段前后3 mm宽度向前、向后多刨切一段长度，兼顾钢轨伸缩时密贴的保持，同时3 mm过渡斜度取值考虑了轮轨冲击的影响，在尖轨尖端为1∶150，尖轨整轨头断面为1∶400，与法国、英国客货混跑道岔相比，尖轨，基本轨加工简单。

方案三 FAKOP轨距加宽(图6)

图6 方案三(单位：mm)

该方案保持尖轨冲击角0.425 8°不变，在原60 kg/m钢轨18号道岔半切断面39.8(54.8) mm基础上加厚15 mm，根据德国设计经验，设计在48.8 mm前后为1∶215和1∶515 mm的斜线。优点是直、曲尖轨在相同距离的刨切断面加宽很大，提高了尖轨抗弯刚度，缺点是密贴段由两段折线组成，尖轨伸缩时密贴不容易保持。

综合上述18号道岔转辙器平面线型3个方案，推荐采用方案二。尖轨在结构上加宽3 mm，同时轨距加宽5 mm，并在密贴段嵌入基本轨，尖轨厚度增加，尤其是尖轨尖端厚度的增加可以防止尖端的快速磨耗和掉块，增大安全储备。

(5)辙叉采用合金钢钢轨组合辙叉

拼装式合金钢辙叉国内已有多年使用经验，大秦线60 kg/m钢轨18号辙叉已经取得良好的使用效果，拼装式合金钢辙叉结构形式较多，山西中南部30 t轴重重载道岔优选合金钢钢轨组合辙叉(图7)。

图7 翼轨、心轨连接结构

为解决合金钢辙叉大批量上道后伤损较快的问题，保证心轨、翼轨的轨底基本持平，并取消心轨的跟端压型，简化心轨的制造，特研制了高型特种断面钢轨，钢轨高度177 mm(预留1 mm轨顶加工量)，轨腰加厚，其他尺寸基本与60 kg/m钢轨相同。为避免心轨过早受力，在辙叉咽喉至心轨尖端前逐渐将翼轨抬高6 mm。为保持结构的稳定性，将翼轨内侧轨底适度刨切，长短心轨直接落在台板上。

长短心轨及翼轨间用间隔铁及高强螺栓连接，间隔铁为全断面接触，材质为铸钢，提高了辙叉整体框架刚度，最大限度地减小辙叉各部件的相对位移，保证辙叉的整体性(图8)。

图8 长短心轨与翼轨联接结构示意

为方便现场安装，便于养护维修，采用10.9H级的防松螺母和具有防转功能的垫圈(图9)。

图9 防转垫圈

(6)合金钢槽形护轨及轨撑垫板新结构

本道岔采用合金钢材质槽形护轨，目前已轧制出与合金钢辙叉叉心或合金钢钢轨同材质的槽形护轨，用其制造的护轨已在大秦线上道试验，取得了较好的效果。采用槽形护轨可以减轻护轨的质量，具有较好的经济性，但护轨垫板受力较大，在国内92型道岔上曾发生过多起护轨垫板折断现象。根据大同工务段的反映，原来的间隔铁式护轨稳定性较好，适合重载线路使用，但间隔铁式护轨不便于调整，不利于养护维修。为此先期将护轨、基本轨、垫板撑板通过间隔铁、螺栓连接在一起，以提高整体稳定性。经过现场试铺、试验，连接基本轨和间隔铁的螺栓发生折断现象，因此，对护轨垫板的结构进行了优化，取消原有护轨与基本轨间间隔铁，基本轨外侧增加新型轨撑结构，既提高了整体稳定性，又可以方便地进行调整。护轨垫板，本着技术成熟，安全可靠的原则，仍然采用了焊接垫板，护轨基本轨内侧采用弹性夹扣压，外侧采用轨撑弹条扣压(图10)。

图10 护轨垫板

(7)扣件系统

扣件系统采用加强型Ⅱ型扣件，在铁垫板上设铁座，通过T形螺栓紧固弹条。与提速道岔相同。铁垫板采用最小25 mm厚的焊接垫板，铁垫板上设1∶20轨底坡(辙叉垫板上不设轨底坡)。

铁垫板与岔枕的连接有2种方案，方案一是采用客运专线道岔的结构(或类似结构)，岔枕内预埋塑料套管，铁垫板通过复合定位套和缓冲调距块用M30螺钉连接，该方案已在客运专线道岔上使用；方案二是在岔枕内设预埋件，通过弹条扣压铁垫板，国外的重载铁路道岔，多采用在岔枕内设预埋件的方式，如南非、英国的道岔等，国内曾在小半径曲线的轨枕上和秦岭隧道的扣件系统上应用。方案一，结构较为复杂，造价也较高，同时重载铁路现场反映岔枕内预埋塑料套管时有损坏，养护维修工作量较大。方案二用预埋件代替了塑料套管，与岔枕的连接较为牢固。

由于本道岔主要用于重载铁路，从加强结构稳定性方面考虑，推荐采用方案二。扣件系统可以通过更换不同的轨距块调整轨距，一股轨距调整量为+6～-8 mm。

由于本道岔设置1∶20轨底坡，若采用焊接垫板，加工量较大，经济性较差，若今后道岔有一定的批量，平垫板等标准化程度较高的垫板应采用铸造垫板，以提高经济性，为此本道岔设计了铸造平垫板，建议部分采用，进行上道试验。

对于长垫板，60 kg/m钢轨18号重载道岔优化设计时，在中间有条件的部位增设了螺栓。

(8)重载道岔专用岔枕

岔枕底面宽度由300 mm增加至320 mm，顶宽由260 mm增加至280 mm，达到减少道床压应力的目的。岔枕承载能力最大正弯矩由23.6 kN·m提高至29.2 kN·m，最大负弯矩由17.7 kN·m提高至23.0 kN·m。在岔枕内设预埋件与岔枕联结。

(9)工电结合部尺寸

60 kg/m钢轨18号道岔尖轨设3个牵引点，各牵引点动程分别为160 mm、120 mm、75 mm。正常情况下，各牵引点的理论转换力分别为2 000 N、4 000 N和4 500 N。牵引点采用分动外锁闭装置。

5 道岔厂内试制试铺及扩大试用情况

通过对30 t轴重18号重载道岔的设计、理论分析、厂内试制试铺、上道试验和长期观测研究，完成了60 kg/m钢轨18号重载道岔研究的全过程。从道岔试验和测试结果来看，30 t轴重列车过岔时的安全性、平稳性满足要求且有较大的余量，与提速道岔相比，养护维修工作量可减少50%以上，道岔的稳定性良好，道岔的整体使用寿命有较大提高。道岔使用中发现的问题已明确原因，并提出了优化措施，在批量生产中能够有效解决。部分易损件的使用寿命，在技术条件中已规定了质量保证期限。

根据以上情况，30 t轴重重载道岔可以满足山西中南部通道的使用要求，具备了批量生产的条件，目前在山西中南部铁路全线进行扩大试用。

6 结语

60 kg/m钢轨18号道岔适合我国重载铁路道岔，结合山西中南部铁路工程实际，通过60 kg/m钢轨18号重载道岔的试制和上道试验，开发、优选并完善道岔所用材料，优化材料的性能指标。建立了国内重载道岔的技术体系，研制出具有自主知识产权的系列重载道岔产品，满足国内不同条件下重载铁路的使用需要，进一步提升国内道岔的技术水平。

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Design of 60 kg/m Rail 18# Turnout for Heavy Haul Railway

Luo Yan

(Rail Engineering Design & Research Institute， China Railway Engineering Consultants Group Co.， Ltd.， Beijing 100055, China)

With the massive construction of passenger dedicated line， heavy haul transport will tend to be promoted. According to the special requirements of 30 tons axle load and southern Shanxi railway， after a lot of field studies on Da～Qin Railway， it’s necessary to develop heavy haul turnouts， turnouts from aspects of layout geometry， structural design， sub-rail foundation and conversion equipment with design innovation from the point of switch rail thickening， variety of alloy steel combined frogs， the new tie plate of rail brace structure of check rail， concrete sleeper of pre-embedded seat and etc. Heavy haul turnouts had been applied in existing lines with good results. According to test results， turnout structure and material performance are optimized， thus， a domestic heavy-duty turnout technical system is established．

Heavy haul railway; Turnout; Design; Innovation

2014-02-19；

：2014-03-15

骆 焱(1982— )，女，工程师，2005年毕业于兰州交通大学机械工程设计制造及其自动化专业，工学学士，E-mail:12364257@qq.com。

1004-2954(2014)11-0047-05

U213.6

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.012