27 t及以上軸重系列重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備研究

黃天新 薛家兵

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

根據(jù)國際重載運(yùn)輸協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，重載鐵路是指滿足列車牽引質(zhì)量8 000 t及以上、軸重為27 t及以上、在至少150 km線路區(qū)段上年運(yùn)量大于4 000萬t三項(xiàng)條件中兩項(xiàng)的鐵路。重載鐵路正線使用的道岔即為重載道岔，由于重載鐵路具有列車軸重、牽引質(zhì)量和運(yùn)量較大的特點(diǎn)，在道岔強(qiáng)度、穩(wěn)定性和零部件的使用壽命3個(gè)方面對(duì)重載道岔提出了更高要求。從2011年起，原鐵道部和鐵路總公司陸續(xù)立項(xiàng)研制27 t、30 t軸重[1-2]系列重載道岔，分別適用于有砟軌道的27 t軸重60 kg/m鋼軌12號(hào)、75 kg/m鋼軌12號(hào)、60 kg/m鋼軌18號(hào)、75 kg/m鋼軌18號(hào)固定型轍叉單開道岔，以及30 t軸重60 kg/m鋼軌12號(hào)、75 kg/m鋼軌12號(hào)、60 kg/m鋼軌18號(hào)、75 kg/m鋼軌18號(hào)固定型轍叉單開道岔共8個(gè)道岔產(chǎn)品。道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備作為重要的基礎(chǔ)設(shè)備，其作用是轉(zhuǎn)換、鎖閉道岔，并對(duì)其位置進(jìn)行表示檢查[3]。道岔與轉(zhuǎn)換設(shè)備密不可分，相輔相成。隨著27 t及以上軸重系列重載道岔的研制，對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備也提出了更高要求，因此開展了針對(duì)27 t及以上軸重系列重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的研究。

2 重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備組成及改進(jìn)

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備[4]包括轉(zhuǎn)轍機(jī)（轉(zhuǎn)換鎖閉器）、外鎖閉裝置、密貼檢查器及安裝裝置等。對(duì)重載道岔，其轉(zhuǎn)換設(shè)備與其他道岔并無不同，為滿足重載鐵路運(yùn)輸對(duì)轉(zhuǎn)換設(shè)備高安全、高可靠、少維護(hù)、無維修的需求[5]，重載轉(zhuǎn)換設(shè)備的牽引鎖閉方式采用了我國鐵路常用的多點(diǎn)多機(jī)牽引方式和尖軌分動(dòng)外鎖閉方式。

轉(zhuǎn)轍機(jī)是道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[6]。由于重載道岔采用彈性可彎60AT尖軌技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)道岔轉(zhuǎn)換阻力設(shè)計(jì)參數(shù)，可選用電液轉(zhuǎn)轍機(jī)和電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)牽引。

外鎖閉裝置是實(shí)現(xiàn)尖軌或心軌鎖閉的機(jī)械裝置。我國鐵路道岔外鎖閉裝置早期采用聯(lián)動(dòng)燕尾式外鎖閉[7]，后來結(jié)合我國道岔的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)改進(jìn)為鉤型外鎖閉裝置，在高速道岔研制中又對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化形成了高速道岔外鎖閉裝置。在重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備研制中，結(jié)合重載道岔的特點(diǎn)，對(duì)高速道岔外鎖閉裝置進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，形成重載道岔外鎖閉裝置如圖1所示。

重載道岔外鎖閉裝置其組成和結(jié)構(gòu)在高速道岔外鎖閉裝置基礎(chǔ)上從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)。

1）增加鎖鉤強(qiáng)度。在重載運(yùn)營條件下，為改善重載鎖鉤受力情況，加寬鎖鉤寬度；為降低重載鐵路的振動(dòng)和沖擊對(duì)外鎖零件磨耗的影響，提高外鎖閉使用壽命，鎖鉤和鎖閉鐵材料選擇耐磨性更好的42CrMo替代45鋼。

2）提高適應(yīng)尖軌伸縮能力。將原來的銅套結(jié)構(gòu)改為關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)尖軌因熱脹冷縮或重載過車碾壓而產(chǎn)生伸縮效應(yīng)時(shí)，利用關(guān)節(jié)軸承的自適應(yīng)性調(diào)整特性，可提高外鎖閉對(duì)尖軌伸縮的適應(yīng)能力，降低因尖軌伸縮而產(chǎn)生的卡阻故障。

3）提高鎖閉框適應(yīng)基本軌竄動(dòng)能力。鎖閉框是安裝鎖閉桿的基礎(chǔ)，為保證轉(zhuǎn)換順暢，必須首要保證鎖閉桿方正、不歪斜。鎖閉框安裝在直基本軌和曲基本軌上，由于鋼軌爬行或鋪設(shè)原因，當(dāng)兩基本軌上的安裝孔不對(duì)中且偏移過大時(shí)，將導(dǎo)致兩鎖閉框偏移從而影響鎖閉桿方正。增加鎖閉框安裝長圓孔的尺寸，有利于增加鎖閉框調(diào)節(jié)范圍以保證鎖閉桿方正及轉(zhuǎn)換順暢。本研究增加了圖中長圓孔尺寸，如圖3所示，使調(diào)整范圍從±10 mm增加到±20 mm，提高適應(yīng)基本軌竄動(dòng)能力，滿足了現(xiàn)場(chǎng)需求。

4）提高鎖閉桿零件互換性及絕緣性能。一方面采用模塊化設(shè)計(jì)理念將鎖閉桿凸臺(tái)部分標(biāo)準(zhǔn)化，再通過不同的連接桿長度使鎖閉桿組件適應(yīng)不同的牽引點(diǎn)尺寸，從而減少鎖閉桿零件種類，提高零件互換性；另一方面，連接處采用斜槽結(jié)構(gòu)如圖4所示，從結(jié)構(gòu)方面保證鎖閉桿組件整體平直，提高外鎖閉裝置的轉(zhuǎn)換可靠性；在連接桿和鎖閉桿連接處采用包裹式絕緣結(jié)構(gòu)，如圖5所示，可增加鎖閉桿與連接桿間的最短絕緣距離，提高鎖閉桿絕緣性能。

密貼檢查器用于檢查尖軌的密貼狀態(tài)，安裝于道岔尖軌密貼段兩牽引點(diǎn)間。在密貼檢查處，當(dāng)尖軌與基本軌間的間隙大于等于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，不得接通道岔表示。按照重載道岔設(shè)計(jì)時(shí)速的要求，27 t軸重60-12、60-18號(hào)道岔牽引點(diǎn)間設(shè)置密貼檢查器，因中間安裝方式與扣件系統(tǒng)間隙較小、調(diào)整不便，容易干涉，故采用兩側(cè)安裝方式，同時(shí)考慮到重載道岔振動(dòng)和橫向沖擊作用較強(qiáng)，在岔枕兩側(cè)采用三孔安裝方式如圖6所示。

安裝裝置是把轉(zhuǎn)換設(shè)備與道岔連接起來的環(huán)節(jié)，是支撐和固定轉(zhuǎn)轍機(jī)（轉(zhuǎn)換鎖閉器）、密貼檢查器的安裝基礎(chǔ)及連接桿件的統(tǒng)稱。根據(jù)多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，重載線路列車經(jīng)過道岔時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)換設(shè)備的振動(dòng)和沖擊都較大，因此重載道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)采用對(duì)振動(dòng)和沖擊適應(yīng)性較強(qiáng)的彎板安裝方式，如圖7所示。

3 重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備測(cè)試及仿真分析

在山西中南部通道壺關(guān)站對(duì)4組重載試驗(yàn)道岔（2組75-12道岔，2組75-18道岔）直向通過5 000 t編組列車（運(yùn)行速度60、70、80、90、100、110 km/h）、8 000 t編組列車（運(yùn)行速度60、70、80、90、100 km/h）、12 000 t編組列車（運(yùn)行速度60、70、80、90、100 km/h）和側(cè)向通過12 000 t編組列車（速度級(jí)為：75-12號(hào)道岔側(cè)向速度級(jí) 35、40、45、50 km/h；75-18號(hào)道岔側(cè)向速度級(jí)60、70、80、90 km/h）時(shí)進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，傳感器布置如圖8、9所示。

測(cè)試結(jié)果顯示：銷軸、鎖鉤應(yīng)力隨速度的提升呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，其中8 000 t編組列車100 km/h直向過車時(shí)，鎖鉤傳感器位置應(yīng)力值最大，為62.1 Mpa；12 000 t編組列車60 km/h直向過車時(shí)，銷軸傳感器位置應(yīng)力值最大，為67.7 MPa。

為了解測(cè)試狀態(tài)所測(cè)部件的最大應(yīng)力水平，對(duì)鎖鉤和銷軸的受力情況進(jìn)行有限元建模仿真如圖10所示。從圖中可以看出：鎖鉤對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試位置處的仿真應(yīng)力值為61～82 MPa時(shí)，尖軌鎖鉤最大仿真應(yīng)力值為165～185 MPa；銷軸對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試位置處仿真應(yīng)力值為60～75 MPa時(shí)，銷軸最大受力位置仿真應(yīng)力值為120～135 MPa。重載道岔鎖鉤材料為42CrMo，銷軸材料為40Cr，兩者的強(qiáng)度極限均遠(yuǎn)大于所測(cè)算的應(yīng)力最大值。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與仿真分析，鎖鉤和銷軸材料強(qiáng)度滿足重載使用要求。

4 結(jié)語

自2011年開始，重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備與27 t、30 t軸重重載系列道岔的研制同步開展，不斷完善，到目前為止，已在大秦線、山西中南部通道、朔黃線、北同蒲線等多條重載線路中運(yùn)用。重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備采用成熟、可靠、先進(jìn)的技術(shù)，保證了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備性能優(yōu)良，可靠性高，在轉(zhuǎn)換、鎖閉和可靠表示方面都能夠很好的滿足重載使用要求，在強(qiáng)度方面也有足夠的安全余量，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)測(cè)試和仿真分析，結(jié)果表明重載轉(zhuǎn)換設(shè)備能夠滿足運(yùn)營列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行的要求。但對(duì)27 t及以上軸重系列重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備，因上道時(shí)間不長，磨耗方面積累的數(shù)據(jù)較少，還需從磨耗方面作進(jìn)一步研究，跟蹤27 t及以上軸重系列重載道岔的轉(zhuǎn)換設(shè)備使用情況，掌握重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備磨耗規(guī)律，為重載道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備維護(hù)提供依據(jù)。