夏海涛 中国铁路上海局集团有限公司科研所

1 前言

由于消除了接头和焊缝，无缝线路相比于普通线路具有结构稳定、钢轨病害少、车辆运行平稳、便于维修保养等优点。轨道板位于钢轨下方，开展轨道板更换作业时，可通过“锯轨+拨移钢轨”方式为新旧轨道板交换提供空间，但锯轨会增加钢轨的焊缝数量，增加了钢轨病害的潜在风险，而采用拨轨方式则可以避免焊缝的出现以保证线路的连续性。

本文以无砟轨道板更换为研究基础，开展拨轨工艺研究及拨轨装置研发，研究扣件松开长度、施工轨温与锁定轨温差（以下简称轨温差）、曲线半径、轨道板挡肩高度、拨轨装置关键结构尺寸等参数对拨轨中钢轨受力情况的影响，以拨轨过程产生钢轨应力低于钢轨屈服强度和拨轨装置现场操作便利性为准则，得出拨轨装置的最优结构尺寸，以该拨轨装置为基础形成适合多工况的拨轨工艺参数图表，充分保证拨轨方式下轨道板更换施工中钢轨的安全性。

2 拨轨方式施工总体技术方案

采用拨轨方式进行轨道板更换，是将钢轨拨至伤损轨道板外侧，为新旧轨道板的垂直交换提供空间，完成轨道板更换作业，如图1所示。

图1 拨轨方式更换轨道板布局图-半幅

拨轨技术方案主要从两个方面进行研究：①扣件松开长度、轨温差、曲线半径、拨轨量等参数对钢轨的影响；②配套的拨轨装置研发及关键技术。

不同类型轨道板宽度及承轨台挡肩、铁垫板高度不同，因此钢轨的外拨量也有所不同，此外钢轨外拨量的尺寸还受轨道板吊装工装尺寸的影响，具体参数详见表1。

表1 CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSIII型三类轨道板拨轨量

3 关键参数理论分析

利用有限元方法模拟拨轨方式更换轨道板时钢轨的受力工况，将仿真计算结果与现场试验实测数据进行对比，优化完善理论计算模型。再利用该模型分析不同工况下钢轨的受力与变形，提出合理的拨轨工艺参数，以用于拨轨装置的进一步优化改进。

拨轨方式进行轨道板更换施工作业，扣件松开长度、钢轨抬升量（越过承轨台挡肩）及拨轨量是施工中拨轨装置实际执行的目标参数。拨轨量只需满足轨道板吊装出入即可，因此关于拨轨方式的理论计算，主要是分析计算扣件松开长度和轨温差、曲线半径以及钢轨抬升量的关系。

3.1 理论模型的验证

为了验证理论模型仿真结果，分别在南翔试验线和沪宁城际高铁线路进行了现场测试，基于同等工况下理论仿真拨轨力与现场实测拨轨力的拟合进行验证。

图2 实测拨轨力与仿真拨轨力比对

由图2可知在南翔试验线实测拨轨力与理论仿真拨轨力线性拟合较好。沪宁城际高铁线路实测拨轨力与理论仿真拨轨力比对，除第2次外其它几次测试比对拟合也较好。第2次差值较大原因为拨轨装置液压油缸操作不当造成，因此可利用该模型进行多种工况的理论计算，可将结果用于指导现场拨轨作业并且为拨轨装置的结构尺寸优化提供参数参考。

3.2 钢轨抬升量对扣件松开长度影响

图3 不同抬轨量与扣件松开长度的关系

以轨温差为5℃为定量，计算了直线段钢轨不同抬升量对扣件松开长度的影响，由图3可知，钢轨抬升量随着扣件松开长度的增大对于扣件受力的影响越来越小。

扣件松开长度、钢轨抬升量以及拨轨量等参数决定了拨轨装置的结构形式，拨轨量受轨道板宽度和吊装工装尺寸影响，考虑现场施工便利性以及吊装工装的结构尺寸，统一按拨轨量720 mm计算；钢轨抬升量由拨轨装置垫支，为了简化拨轨装置，提高现场拨轨的可操作性，应选定确定的抬轨量进行拨轨装置的设计，结合图1，拨轨装置主框架处钢轨提升量取120 mm，滑道处钢轨抬升量取100 mm。

3.3 轨温差与曲线半径对钢轨扣件松开长度的影响

前面小节确定了钢轨抬升量以及拨轨量等参数，本小节以扣件松开长度为目标参数，分析轨温差、曲线半径对其的影响。

图4 计算分析了几种常见曲线半径下不同轨温差与扣件松开长度之间的关系，可看出相同曲线半径条件下，轨温差越大，需松开扣件长度越大。拨轨作业方式扣件松开长度较长，并且涉及到不同的施工工况（一般指不同板型、轨温差、曲线半径以及超高情况），因此拨轨装置采用模块化设计思路，可根据不同施工工况进行模块化组合。总体布局图如图1所示，主要包括：拨道装置主框架、滑道、钢轨位移约束模块。以此为基础设计研发的拨轨装置在线上进行拨轨作业时，应按照图4所示扣件松开长度进行拨轨装置的布局。

图4 不同轨温差、曲线半径与扣件松开长度关系

3.4 拨轨后钢轨复位情况分析

钢轨复位时，在轨温差大于0℃时存在胀轨的隐患，导致部分钢轨无法顺利复位，表2为钢轨复位时未落入承轨台部分分别剩余10 m和5 m钢轨时所需复位力。如轨温差5℃时发生胀轨，钢轨复位时剩10 m钢轨未落位时，钢轨伸长量并未改变，如若将这段钢轨完全落槽复位需要至少5.87 kN的复位力才行，钢轨剩余5 m时则需8.06 kN的复位力，由此可看出轨温差相同时剩余钢轨越短，复位钢轨所需复位力越大，并且随着温差增大，复位力明显升高。

以上复位力计算为理想状态下的钢轨复位力，实际拨轨作业过程中，由于摩擦力、超高等因素的存在剩余未复位钢轨不是完全理想的弧形，并且若考虑摩擦力、超高等因素影响，实际钢轨复位力要大于表2所列计算值。因此在轨温差大于0℃进行拨轨作业时要做好钢轨复位措施。例如对钢轨进行物理降温或采用机械方式将钢轨强制复位，考虑到该种该种工况发生的可能性拨轨装置还具备机械方式复位钢轨功能。

表2 剩余10 m、5 m钢轨伸长量、最大弧顶量

4 拨轨装置研发

由于扣件松开长度较大，拨轨装置采用模块化设计思路，根据不同施工工况进行模块化组合，具备适应不同工况下拨轨及钢轨复位功能。主要包括：拨轨装置主框架、滑道、钢轨位移约束模块。

4.1 拨轨装置主框架

拨轨装置主框架是为动力系统提供反力、为钢轨滑移提供滑道、锁紧固定钢轨以及垫支钢轨作用，图5为拨轨装置示意图及现场应用。

图5 拨轨装置及现场应用

拨轨装置单次拨轨量最大为370 mm，拨道720 mm顺利将轨道板进行更换，需分两次进行拨道。当出现钢轨难以复位情况时（一般为轨温差较大或超高条件下），顶轨油缸部分可由两轨内侧转移放置在钢轨外侧，反向顶轨实现钢轨的复位。

4.2 滑道

滑道起支撑钢轨滑移作用，根据理论计算以及现场试验，滑道高度为120 mm和100 mm两种规格，遇到单个天窗连续更换多块轨道板工况可适当增加滑道数量。图5所示为滑道现场使用情况。

4.3 钢轨位移约束模块

钢轨位移约束模块解决了外拨与抬升钢轨触碰轨道板承轨台挡肩或铁垫板的问题，扣件未松开段至松开段被滑道垫支抬高是逐渐上升的，如图1中A所示，钢轨外拨过程中受轨道板承轨台挡肩或铁垫板高度影响，容易碰伤承轨台挡肩，造成轨道板的伤损。因此拨轨装置采用轨距拉杆进行钢轨合理位置的约束限制，避免该情况的发生。同时该模块还可实现钢轨线形的渐变，防止端部扣件受力。图6所示为钢轨位移约束模块的现场应用。

图6 钢轨位移约束模块现场应用

5 总结

（1）本文限于篇幅，无法展开拨轨技术及配套装置研发的详细论述，仅从拨轨关键工艺参数及拨轨装置关键结构尺寸等方面做了简要阐述，现场应力测试等内容未在文中展开说明。

（2）本文通过南翔试验线、沪宁城际高铁线验证了拨轨理论计算模型的可靠性，利用理论计算模型针对性地计算了扣件松开长度与轨温差、曲线半径、抬轨量等关键参数的关系，用以优化设计拨轨装置并指导现场拨轨作业。

（3）拨轨装置经过现场应用，能完成不同轨温差、不同板型、不同曲线半径及不同超高等工况下的拨轨作业，并通过轨距拉杆锁住钢轨实现了钢轨线形的控制，避免了钢轨外拨时触碰承轨台挡肩问题的发生。