重載鐵路用組合轍叉的結構設計

閆 旭 輝

(中鐵寶橋集團有限公司技術中心軌道線路研究院，陜西 寶雞 721006)

1 概述

組合轍叉以適應無縫線路、使用壽命長、養護方便、運營成本低等特點，成為鐵路轍叉產品發展的重要方向之一，重載運輸是國際上公認的鐵路貨物運輸的有效方式之一，具有軸重大、牽引質量大、運量大的特點。隨著重載鐵路的發展，鐵路道岔(轍叉)無縫化技術逐漸進行推廣，作為道岔的核心部件——轍叉，固定型轍叉壽命僅為1億t～2.5億t，而線路天窗時間短，更換軌件工作量大，較頻繁的更換，不但增加養護維修成本，對行車安全也造成隱患，已不能滿足既有線路要求。

傳統組合轍叉鐵墊板以上部分呈對稱結構，心軌、鑲嵌翼軌主流材質是合金鋼或高錳鋼或鍛造高錳鋼，因此制造成本較高。而大多數轍叉在服役過程中，轍叉直股過車密度及載荷遠多于轍叉曲股，因此，分析大量下道的轍叉傷損特征，轍叉傷損主要發生在轍叉直股心軌、翼軌車輪踏面區域，而曲股心軌、翼軌車輪踏面區域未出現重傷。因此，在既有制造工藝基礎上，在滿足線路使用工況條件下，開發75 kg/m鋼軌12號新型組合轍叉，采用不對稱鑲嵌翼軌結構，即組合轍叉直股設計鑲嵌翼軌，鑲嵌翼軌選用力學性能優異的材料制造；曲股設計普通結構翼軌，翼軌選用與線路同材質鋼軌制造。此結構不但結構安全性高，且充分發揮了組合轍叉不同部位材料特性。同時，心軌、鑲嵌翼軌滿足成型數控加工要求，提高了制造精度，重量減輕，而且能實現叉心線上、線下互換組裝，大幅降低制造和養護成本，延長了服役壽命。

2 設計原則

1)適用27 t軸重以下，列車以V≤90 km/h直向速度通過的運行條件。

2)與既有高錳鋼轍叉、合金鋼轍叉可互換。

3)適應跨區間無縫線路。

4)錳叉心總重不大于400 kg，適合人工互換組裝。

5)轍叉趾、跟端設1∶40的軌底坡。

6)扣件采用彈條Ⅱ型扣件。

3 結構設計

3.1 組合轍叉

組合轍叉主要由心軌、叉跟軌、直股翼軌、鑲嵌翼軌、曲股翼軌、A/B型間隔鐵、墊板、橋式墊板組成(見圖1)。心軌、鑲嵌翼軌選用鍛造高錳鋼材料制作，直股翼軌、曲股翼軌選用普通鋼材料制作，通過A型和B型間隔鐵在高強螺栓副作用下進行連接緊固。心軌底面與墊板支撐臺接觸，在轍叉服役過程中，將載荷傳遞至墊板，穩定性較好，同時縮減了心軌規格，減少了質量，降低材料成本。心軌和鑲嵌翼軌兩個側面長度方向設計凹槽結構，鑲嵌翼軌位于轍叉直股側，鑲嵌翼軌與直股翼軌上下斜面進行配合，從而降低組裝難度，提高單件配合質量,為心軌、鑲嵌翼軌線上和線下互換提供保障。組合轍叉有害空間區域設計橋式墊板結構，若線路發生“空吊板”病害，可減少車輪對組合轍叉沖擊載荷作用下造成的疲勞破壞損傷，延緩組合轍叉傷損發生時間；雙咽喉結構，提高組合轍叉咽喉處強度。單孔、雙孔間隔鐵配合使用結構，簡化了組合轍叉結構。

3.2 心軌

心軌選用鍛造高錳鋼制造。心軌20 mm斷面至50 mm斷面區間采用心軌加寬設計，提高心軌粗壯度，在組合轍叉服役過程中，減少或避免心軌發生病害；采用合金化高錳鋼材料制造，確保關鍵力學指標屈服強度大于400 MPa；叉心行車面經傳統工藝進行三次爆炸硬化后，軌頂面硬度由初始硬度170HBW～229HBW提高至352HBW硬度以上，距離頂面20 mm范圍內材料抗拉強度也獲得明顯提升，其缺點是爆炸硬化使高錳鋼的延伸率和沖擊韌性分別降低，且爆炸硬化的表面層的沖擊韌性下降較大，近年來我們對在京廣線、隴海線上線的高錳鋼組合轍叉使用狀況調研分析可知，叉心行車面較高的硬度盡管可以有效減少磨耗、塑性變形，但易在心軌出現裂紋病害，致使多數轍叉未磨耗到限而下線，影響其使用壽命。基于此，我們采用控制表面粗糙、溫度、炸藥后的爆炸罐深度爆炸硬化工藝，對心軌行車面進行爆炸硬化，硬度不大于321HBW，確保叉心硬度、強度、韌性指標在合理的匹配范圍，組合轍叉上線后，充分發揮高錳鋼特性，減少或者避免叉心發生水平裂紋、嚴重掉塊等等病害。心軌、鑲嵌翼軌質量約380 kg，適合人工裝卸。

3.3 鑲嵌翼軌

鑲嵌翼軌采用鍛造高錳鋼制作，與直股翼軌藏尖配合。行車面進行爆炸硬化，硬度不大于321HBW。

3.4 直/曲股翼軌、叉跟軌

采用與線路同材質U75V在線熱處理鋼軌制造，實現組合轍叉與線路無縫化連接。為了減少翼軌折彎點與螺栓孔中心之間應力，螺栓孔中心距離彎折點距離不小于80 mm，這樣也可避免在螺栓孔附近因彎折角度大造成彎折點處垂直裂紋。

4 檢算分析

4.1 動能損失計算

翼軌與護軌一樣在緩沖段部分存在沖擊角，翼軌平直段至雙咽喉起始處存在沖擊角，車輛順、逆向通過時，車輪輪緣會沖擊翼軌，產生動能損失。由動能損失公式Vsinβ≤3 km/h(β為沖擊角，V為列車速度)計算可知，車輪接觸翼軌時，無橫向沖擊翼軌或卡阻車輪的現象。組合轍叉沖擊角角度滿足列車過叉要求，設計合理。

4.2 組合轍叉強度計算

由組合轍叉結構分析可知，危險截面位于叉心跟端縮頸處，因此，忽略對計算準確度影響較小邊角，借助非線性有限元軟件，建立叉心有限元網格模型，有限元單元總數約為65萬個，為確保計算結果的準確度，對計算結果關心的部位進行了更進一步的網格細化，進行有限元計算分析。

4.2.1 動載荷Pd

按電力機車牽引27 t軸重，直向通過速度V=90 km/h計算動載荷Pd。

Pd=(1+α)P=415.8 kN。

其中，α為速度系數,α取0.6 V/100；P為靜輪載。

按動載荷平均分配到每個車輪上，單個車輪產生的動載荷Pd1為：

Pd1=Pd/2=415.8/2=207.9 kN。

4.2.2 材料參數

鍛造高錳鋼材料彈性模量E=210 GPa，泊松比v=0.3，屈服強度約為400 MPa。

4.2.3 計算結果

圖2為叉心有限元S，Miss應力分布云圖。應力集中部分位于叉心與叉跟軌的連接部位(跟端縮頸處)，最大應力為207 MPa，小于叉心材料本身的屈服強度(400 MPa)。因此，本次設計的叉心強度滿足實際工況需要。

4.3 無縫線路適應性分析

設定軌溫變化幅度Δt=55 ℃，由鋼軌溫度力計算公式Pt=2.48×Δt×F，其中,F為鋼軌橫斷面積。計算結果可知，對軌件、間隔鐵進行膠接條件下，75 kg/m鋼軌12號高錳鋼組合轍叉在設定的溫度變化區間，結構強度穩定，適合無縫線路工況要求。

5 輪軌關系分析

5.1 組合轍叉平順性分析

組合轍叉鑲嵌翼軌、曲股翼軌均進行了抬高設計，心翼軌頂面均與車輪踏面匹配，平順性滿足要求。

5.2 組合轍叉叉跟軌結構平順性分析

6 結語

新型75 kg/m鋼軌12號組合轍叉心軌、鑲嵌翼軌采用鍛造高錳鋼材料制造，鐵墊板以上部分呈不對稱結構，減少了材料使用成本，組合轍叉重量減輕，充分發揮組合轍叉不同部位材料特性；叉心與翼軌配合面截面為等寬形狀，能夠實現成型加工，降低制造成本，滿足叉心線下、線上叉心互換組裝結構要求；橋式墊板的應用，改善了組合轍叉有害空間受力狀況；鍛造高錳鋼材料的應用，提高了材料力學性能，減少轍叉病害，延長轍叉使用壽命。這種結構可以形成不同鋼軌類型、不同號數、不同品種的轍叉系列產品，因此，具有較高的推廣價值。