高原氣候環境下60 kg/m鋼軌12號單開道岔的設計研究

孫永寧 雷 潔 魏征孔

(1.中國鐵路青藏集團有限公司，青海 西寧 810000；2.中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721000；3.中國鐵路青藏集團有限公司格爾木工務段，青海 格爾木 816000)

1 概述

青藏鐵路全線較多區域年平均氣溫在0 ℃以下，氣溫低,且日差較大。溫差是造成無縫線路鋼軌溫度力的主要因素，因此青藏鐵路所處的復雜氣候環境，對道岔扣件系統、結構關鍵部件用于跨區間無縫線路技術的適應性提出了嚴峻挑戰。此外，青藏鐵路途經多處環境惡劣地帶甚至無人區，尤其是嚴寒缺氧所造成的人機工作效率下降，這對高原氣候環境下減少道岔養護維修量及提供道岔關鍵部件的長期服役性能提出了更高的要求。

目前，青藏鐵路線路站線92改進型60 kg/m鋼軌12號單開道岔鋪設組數較多。該類型道岔為鐵路提速時代的典型道岔產品，自研制至今已有近20年，隨著鐵路運營能力的提升，該道岔的一些結構已不能完全滿足鐵路運營的需要。尤其是對于溫差范圍比較大的地區，該道岔的一些病害造成工務部門養護維修工作量較大。

近年來隨著工聯岔、客專及重載道岔的發展，鐵路線路在營運速度、營運總量上有了長足的發展，我國道岔設計水平也有了質的飛躍，大量新技術、新結構及新材料被運用在道岔上，提高了道岔的整體設計水平。因此，有必要汲取先進道岔設計理念，設計出新型道岔，滿足高原特殊氣候環境運營需要。

2017年3月，青藏集團公司工務部聯合中鐵寶橋集團有限公司，合作立項《復雜氣候環境下60 kg/m鋼軌12號單開道岔優化改進設計》。旨在滿足與專線4249道岔互換的基礎上，開發出滿足青藏鐵路特有復雜氣候的新型道岔,以達到以下目的:

1)有效的提高道岔關鍵部件使用壽命。

2)減少道岔養護維修工作量。

3)滿足復雜氣候環境下道岔無縫化適應性要求。

2 道岔設計

《復雜氣候環境下60 kg/m鋼軌12號單開道岔》的設計以既有成熟道岔產品為綜合技術平臺，堅持“成熟、可靠、先進”原則。

2.1 道岔延長使用壽命設計

2.1.1道岔線型

道岔全長、前長、后長及q值均與專線4249道岔相同，適用于青藏鐵路直向速度不大于160 km/h的區段，見圖1。

尖軌采用相離型半切線線型，尖軌采用半直半曲設計，相對專線4249道岔，將尖軌切點位置后移，提高曲線尖軌粗壯度。在我國重載道岔及部分地鐵道岔中，該技術得到廣泛的應用。經過多年的運營實踐證明，該技術對提高尖軌的使用壽命有顯著的效果。

2.1.2基本軌、尖軌結構

列車逆向進岔通過道岔側股時，由于慣性力及離心力作用，對曲線尖軌磨耗較為嚴重。為提高曲線尖軌的使用壽命，在直基本軌與曲線尖軌密貼范圍內，對基本軌工作邊進行3 mm水平刨切，見圖2。

新型道岔與專線4249道岔尖軌寬度對照如表1所示。

表1 曲線尖軌軌頭寬度對照

2.1.3轍叉結構

轍叉采用組合式高錳鋼叉心結構，趾、跟端長度與專線4249道岔轍叉參數一致，可滿足整組轍叉互換要求。

該型式轍叉由2根翼軌、不對稱式高錳鋼整鑄叉心及長、短叉跟軌通過高強螺栓拼裝而成，可適用于無縫線路的焊接要求，且進一步增強轍叉滿足無縫化線路，抵御溫度力的能力。

2.2 道岔減少養護維修工作量設計

2.2.1無銷釘彈片式結構滑床板及護軌墊板

滑床板及護軌墊板均采用無銷釘彈片式結構， 該彈片式結構自2007年以來大面積應用在工聯岔系列時速200 km道岔中，較銷釘彈片式滑床板故障率低，提高列車過岔的安全性，方便線路養護維修，應用效果良好，見圖3。

2.2.2扣件系統設計

采用加強型Ⅱ型彈條，該彈條較普通Ⅱ型彈條，直徑增加了2 mm，單個彈條扣壓力不小于12 kN。相對普通彈條Ⅱ型扣件，扣壓力增加，可增強道岔的穩定性，抗衡溫度力。

2.2.3熱固性彈性體墊層

彈性墊層采用熱固性聚酯彈性體，該材料通過改變分子鏈技術，較熱塑性材料成品模量發生變化，在超低溫和超高溫的區間里，材料的剛度變化值較小。

2.2.4岔枕螺栓機構

岔枕螺栓采用研線0405通用Ⅲ型岔枕螺栓及配套緩沖套、墊圈等，在岔枕螺栓塑料套管外增設預埋不銹鋼套管。塑料套管頂部帶有四個凹槽，用專用工具就可將其從不銹鋼套管中旋出或旋入。

岔枕螺栓采用研線0405通用Ⅲ型岔枕螺栓及配套緩沖套、墊圈等，在岔枕螺栓塑料套管外增設有預埋不銹鋼套管。當塑料套管失效時，可方便更換，避免了對更換預埋塑料套管甚至報廢岔枕，見圖4。

2.3 無縫線路設計

2.3.1防爬軌撐設計

專線4249道岔基本軌外側為普通Ⅱ型彈條扣壓，本次設計為抵御軌件因溫度力引起的縱向爬行，防止基本軌外傾，基本軌外側間隔設置防爬軌撐，見圖5。

該通過橫向螺栓與鋼軌相連，兩側限位于道岔墊板，形成岔枕、墊板、鋼軌一體機構，確保了道岔的穩定性。

2.3.2防爬軌撐仿真計算

為了確保驗證防爬軌撐應用于無縫線路的適應性，對防爬軌撐進行了建模分析。按照軌溫變化幅度為55 ℃時，基本軌最大溫度力為1 300 kN，最大位移為2.7 mm，且都出現在轍跟附近。對轍跟限位器結構基本軌最大溫度力與軌溫變化幅度關系的擬合，本文計算基本軌溫度力取1 135 kN(48.5×23.4)，模型施加的溫度力取200 kN計算。

采用20節點Solid186單元，材料彈性模量E=2.1E11Pa；泊松比ν=0.3。墊板固定，限制系統的橫向位移，劃分的單元后的有限元計算模型如圖6所示。

計算得到整體位移如圖7所示，整體位移最大為0.47 mm，且發生在荷載施加位置，軌撐的最大位移不超過0.3 mm。在此基礎上，岔枕、墊板、鋼軌在溫度力的作用下已經完成了相應的位移和伸縮，系統處于一個溫度力和扣件阻力、道床阻力的平衡狀態。

2.3.3軌撐螺栓應力計算結果

計算結果表明：螺栓最大應力出現在螺栓根部，最大值約為343 MPa。軌撐螺栓采用的是M24×75-8.8的高強螺栓，抗拉強度800 MPa，屈服強度640 MPa，可以滿足要求，見圖8。

2.3.4限位器子母塊間隙優化

專線4249道岔限位器子母塊間隙為7 mm，為有效抵御溫度力，防止溫度力引起尖軌扳動卡阻，轉轍器跟端限位器間隙由7 mm增加至10 mm，此間隙可釋放的溫度力范圍增大，同時減少了限位器螺栓所受剪切力，見圖9。

3 結語

新型道岔于2018年5月在格爾木玉珠峰站5號岔位上道，上道后課題組對道岔使用狀態進行了多次觀測。新型道岔目前各項狀態良好，性能穩定，基本軌、尖軌件磨耗量養護維修量及較同類產品明顯減小，滿足高原氣候環境下無縫線路使用要求。該項目符合課題要求，滿足課題技術指標，也為青藏線下一步實現跨區間無縫線路做了一定的技術儲備。