客货共线铁路60 kg/m钢轨9号与12号道岔统型与结构优化

张晓阳 王树国

1.中国国家铁路集团有限公司工电部，北京 100844；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

目前国家铁路铺设60 kg∕m钢轨9号道岔约2.2万组，60 kg∕m钢轨12号道岔约6.7万组，约占普速线路60 kg∕m钢轨系列道岔的90%。这两个型号道岔的铺设数量与占比较大［1-3］，具体产品图号与对应用量见表1和表2。

表1 60 kg/m钢轨9号道岔主型产品铺设数量

表2 60 kg/m钢轨12号道岔主型产品铺设数量

CZ577是根据2002年原铁道部运输局组织召开的改进型60 kg∕m钢轨9号单开道岔设计方案审查会的审查意见设计的。SC390和CZ577均属于“92改进型”道岔，这两种图号的道岔主体结构设计完全相同，仅因生产厂家不同而采用了不同的图号。在原铁路总公司印发的《铁路道岔使用规定》中采用了原设计图号CZ577，该型道岔全长及前、后长均与原92型木枕道岔（专线4115）、其他92改进型9号道岔（专线4194∕专线4204）相同，岔枕间距、转辙器结构做了优化，适用于速度v≤120 km∕h的铁路，侧向通过速度为35 km∕h。SC330是根据2001年原铁道部运输局组织召开的92型60 kg∕m钢轨12号木枕道岔改进设计方案审查会的审查意见设计的。道岔前、后长与原木枕道岔相同，可以满足现场整组换铺需要。道岔容许通过速度为旅客列车直向v≤120 km∕h、货物列车v≤90 km∕h（轴重23 t），所有列车侧向v≤50 km∕h。专线4249是根据原铁道部铁建函〔1998〕43号文下达的标准设计计划设计的，适用于直向通过速度160 km∕h旅客列车、轴重25 t货物列车运行，侧向设计通过速度为50 km∕h，道岔前、后长与专线4228、铁联线004完全相同。

调研发现，目前60 kg∕m钢轨9号、12号道岔铺设量大，且多用于客货共线I级铁路正线、到发线，重载铁路到发线及其他站线，在使用过程中暴露出的问题较为突出，主要表现在道岔几何尺寸保持能力差、部件使用寿命短、养护维修工作量大等方面［4-6］。因此，提高60 kg∕m钢轨9号、12号道岔产品性能成为了铁路工务部门的迫切需要。

对于60 kg∕m钢轨系列道岔产品，在92型、提速型道岔设计研发中保证了道岔平面尺寸的一致性，为道岔升级改造设计预留了一定便利性；且60 kg∕m钢轨道岔主要集中于几个主型道岔，因而仅需对主型道岔进行优化设计，即可满足绝大部分同型号道岔的改造要求。

基于60 kg∕m钢轨9号、12号道岔需要改造且具备优化可行性的情况，中国国家铁路集团工电部主持对主型道岔CZ577、SC330、专线4249共计3个图号的产品进行了改进设计［7-8］。

1 道岔整体设计

新型60 kg∕m钢轨9号、12号道岔拟采用的平面线型与结构尺寸设计分述如下。

1.1 9号道岔

道岔尺寸及配轨长度见图1，新型道岔采用60 kg∕m钢轨制造基本轨、导轨，采用60AT2钢轨制造尖轨（为滑床板强化预留空间），辙叉为直线型固定型辙叉，分高锰钢和合金钢两种结构形式，护轨采用33 kg∕m槽型钢制造。钢轨采用U75V在线热处理钢轨。

图1 新型60 kg∕m钢轨9号道岔平面尺寸及配轨（单位：mm）

道岔导曲线为半径195 m的单圆曲线，采用相离半切线型，相离值为30 mm，半切点位置轨头宽度为54.9 mm；采用11.85 m弹性可弯尖轨，尖轨尖端为藏尖式，跟端可采用限位器或间隔铁结构（2种辙跟传力结构轨件通用），限位器子母块间隙值为10 mm。

岔区设1∶40轨底坡或轨顶坡，扣件采用分开式弹条Ⅱ型扣件。

道岔配轨按普通接头设计，轨缝8 mm，满足跨区间无缝线路的铺设要求，适应年轨温差100℃。按无缝道岔供货时，取消相应的钢轨轨端钻孔。

道岔绝缘接头预设置在直股或曲股的连接部分。

道岔轨下基础采用混凝土岔枕，按垂直于直股方向布置，侧股末端设扭转枕，其后的岔枕按垂直侧股工作边布置。受岔枕长度限制，用于单渡线时，线间距需大于等于5 m；线间距小于5 m时，岔后长岔枕需单独设计。

道岔按联动内锁和分动外锁两种方式设计，转辙器设置2个牵引点，动程分别为160 mm和85 mm。牵引点间距为3 625 mm，内锁连杆安装位置在距第一牵引点中心线1 800 mm处。

1.2 12号道岔

道岔尺寸及配轨长度见图2，新型12号道岔采用的钢轨、辙叉类型与9号道岔相同。钢轨采用U75V在线热处理钢轨。

图2 新型60 kg∕m钢轨12号道岔平面尺寸及配轨（单位：mm）

道岔导曲线为半径360 m的单圆曲线，采用相离半切线型，相离值为36 mm，半切点位置轨头宽度为65.6 mm；采用14.85 m弹性可弯尖轨，尖轨尖端为藏尖式，跟端可采用限位器或间隔铁结构（2种辙跟传力结构轨件通用），限位器子母块间隙值为10 mm。

岔区设1∶40轨底坡或轨顶坡，扣件采用分开式弹条Ⅱ型扣件。

道岔配轨按普通接头设计，轨缝8 mm，满足跨区间无缝线路的铺设要求，适应年轨温差100℃。按无缝道岔供货时，取消相应的钢轨轨端钻孔。

道岔绝缘接头预设置在直股或曲股的连接部分。

道岔轨下基础采用混凝土岔枕，按垂直于直股方向布置，侧股末端设扭转枕，其后的岔枕按垂直侧股工作边布置。受岔枕长度限制，用于单渡线时，线间距需大于等于5 m；线间距小于5 m时，岔后长岔枕需另行设计。

道岔按联动内锁和分动外锁两种方式设计，转辙器设置2个牵引点，动程分别为160 mm和80 mm。牵引点间距为4 200 mm，内锁连杆安装位置在距第一牵引点中心线1 900 mm处。

2 通用件设计与部件引用

2.1 普通垫板

适用于预埋铁座式弹条Ⅱ型分开式扣件系统的普通铁垫板引用研线1115-107（重载60 kg∕m钢轨12号、18号道岔用铁垫板），组装结构和尺寸见图3。

图3 普通垫板的组装结构和尺寸（单位：mm）

铁垫板主要结构特征如下：

①铁垫板设置1∶40轨底坡，厚度25∕29 mm，名义尺寸为27 mm；

②混凝土岔枕上预埋铁座，在铁座上用T型螺栓安装Ⅱ型弹条扣压铁垫板；

③铁垫板上设有铁座，在铁座上用T型螺栓安装Ⅱ型弹条扣压钢轨；

④设5 mm轨下垫层，起缓冲作用；板下设10 mm弹性垫层，起弹性作用；

⑤铁垫板铁座与钢轨轨底间设轨距块，用于钢轨轨距调整；

⑥岔枕铁座与铁垫板之间设绝缘轨距块，用于绝缘及调整轨距；

⑦接头处采用B型接头弹条（HYT-LU-2），轨距块采用专线4232-10A（11号∕13号）。

钢轨两侧轨距块有4种规格：9、11、13、15 mm。铁垫板两侧轨距块有5种规格：8、10、12、14、16 mm。正常安装时，钢轨工作边和非工作边侧分别安装13、11 mm轨距块，铁垫板两侧安装12 mm轨距块，利用其他规格轨距块可实现单股钢轨位置调整。单股钢轨调距能力见表3。

表3 单股钢轨轨距调整量 mm

道岔侧股铁垫板偏斜值设置与使用见表4，研线1115-107铁垫板原有A—G型，在重载道岔研发初期，为探索预埋铁座式扣件系统铁垫板偏斜值适应性，原设计按1 mm偏斜值晋级，在重载18号道岔研发时，试验了偏斜值相差5 mm（B型与G型的偏斜值差距）也能满足拆装需求。因此本次9号、12号道岔研发中本着减少部件种类的原则，普通铁垫板采用引用结构，同时减少垫板种类，方便工厂制造与现场备料。

表4 研线1115-107铁垫板偏斜值与新型道岔采用位置

直股铁垫板采用A型。9号道岔侧股采用E型铺设于连接部分前部，F型铺设于岔后侧股长枕位置，新增H型用于连接部分后部，扭转枕位置采用B型过渡。12号道岔侧股采用B型铺设于连接部分前部，E型铺设于连接部分后部和岔后侧股长枕位置，扭转枕位置采用G型过渡。

2.2 滑床板

滑床板结构如图4所示，其中基本轨非工作边侧与普通垫板位置相同，采用弹条扣压，工作边一侧采用弹性夹扣压，与60 kg∕m钢轨重载道岔相比，新型客货共线道岔采用了60AT2钢轨，较60AT1钢轨全高减小了10 mm。该部分高度差可用于补强滑床台顶面，台板厚度可加厚至41 mm。

图4 转辙器滑床板位置组装状态

在重载道岔应用过程中，发现滑床台顶板预留净空较小，导致弹性夹尾部拆装不便，如图5（a）所示，由于该滑床台受60AT1钢轨和弹性夹安装空间限制，台板的顶板厚度设计如图5（b）所示。

图5 重载60 kg∕m钢轨道岔滑床台（单位：mm）

新型60 kg∕m钢轨客货共线道岔，滑床台型腔可采用重载60 kg∕m钢轨道岔用滑床台，滑床台加厚至41 mm，顶板尾部净空可进一步提高，如图6（a）所示，顶板主体厚度由重载道岔的5.5 mm加厚至12.5 mm，强度大幅提升。顶板尾部厚度取值按照75 kg∕m钢轨预设的净空高度修改，如图6（b）所示，按10.5 mm设计，弹性夹尾部安装空间增加3 mm。

图6 道岔滑床台侧剖面（单位：mm）

由于转辙器侧股钢轨偏斜量较小，因此滑床板偏斜值设置从0～8 mm，每2 mm晋一级。

2.3 护轨垫板

护轨垫板引用重载60 kg∕m钢轨道岔的护轨台板、撑板结构，组装状态如图7（a）所示，其中护轨为33 kg∕m槽型钢，顶面高于基本轨顶面12 mm，基本轨非工作边一侧与普通垫板相同采用弹条扣压，安装11号轨距块，工作边一侧采用长380 mm弹性夹扣压，为方便护轨垫板拆装，将正常状态下不承受荷载的护轨台板压舌减短，即由重载道岔采用的25 mm缩减至6 mm。

护轨垫板尺寸如图7（b）所示，底板长度与重载道岔护轨底板相同（板下胶垫可通用），撑板长度为200 mm，较既有道岔提高了强度。

图7 新型客货共线60 kg∕m钢轨道岔护轨垫板（单位：mm）

承轨槽宽度过去通常按照157 mm设计（钢轨工作边轨底与台板边缘预留1 mm缝隙），并按0～+1 mm的公差控制制造，在实际组装中，由于承轨槽宽度正公差和钢轨轨底负公差的叠加作用，经常出现缝隙过大现象，需调换更大号码的轨距块才能保持密贴的情况，因此本次设计承轨槽宽度采用156 mm。

9号、12号道岔侧股钢轨偏斜值较大，为保证侧股钢轨安装空间，侧股护轨垫板承轨槽宽度适量加宽，规格与尺寸如表5和图8所示。9号、12号道岔的侧股滑床板由于偏斜量较大，台板边缘已接近底板边缘，因此将后端左右两侧做70 mm×10 mm的斜角，方便焊接。

表5 护轨垫板型号

图8 两种道岔侧股用护轨垫板平面设计（单位：mm）

3 转辙器轨件与扣件系统设计

3.1 转辙器轨件主要尺寸与结构

采用“刨切基本轨加厚尖轨”技术［9-10］，如图9所示，在不增加转辙始角的情况下，使尖轨轨头薄弱断面快速加宽。

图9 直基本轨刨切和曲线尖轨尖端冲击角

刨切基本轨会引起直股轨距变化。9号、12号道岔直股轨距变化如图10所示。

9号道岔直基本轨前端按照1∶150斜度刨切，刨切过渡段长度750 mm，深度5 mm，平直段长度6 000 mm，平直段长度考虑到满足曲尖轨斥离状态时最小轮缘槽要求，做了延长处理，后端过渡段长度1 000 mm。直股轨距在尖轨尖端由1 435 mm加宽至1 445 mm，直尖轨在尖端至轨头刨切起点（全断面顶宽72.2 mm）轨距均匀过渡，直尖轨工作边距线路中心线距离由727.5 mm过渡到717.5 mm，轨距最大构造加宽位置为刨切平直段起点，最大值为1 448.2 mm，其后轨距随直尖轨轨距过渡而减小，至直尖轨全断面位置轨距过渡至1 440 mm，至直基本轨刨切终点轨距过渡至1 435 mm。

12号道岔直基本轨前端按照1∶150斜度刨切，刨切过渡段长度750 mm，深度5 mm，平直段长度6 000 mm，平直段长度考虑到满足曲尖轨纵向伸缩而少量延长，后端过渡段长度2 000 mm。直股轨距在尖轨尖端由1 435 mm加宽至1 440 mm，直尖轨在尖端至轨头刨切起点（全断面顶宽72.2 mm）轨距均匀过渡，直尖轨工作边距线路中心线距离由727.5 mm过渡到717.5 mm，轨距最大位置为刨切平直段起点，最大值为1 444.3 mm，其后轨距随直尖轨轨距过渡而减小，至直尖轨全断面位置轨距过渡至1 440 mm，至直基本轨刨切终点轨距过渡至1 435 mm。

3.2 尖轨跟端扣压方式

尖轨固定端开始需要有扣件扣压，由于尖轨、基本轨支距较大，无法通过设置更长的弹性夹实现对基本轨的扣压，因此尖轨固定端选择如图11（a）所示的扣压方式。基本轨非工作边一侧扣压形式不变，工作边一侧采用刚性台板扣压，台板压舌长度12 mm，台板上固定60AT2钢轨，采用弹条扣压，轨距块采用客专线-V-44轨距块，工作边一侧安装11号轨距块，非工作边一侧安装10号轨距块，另提供9-12号、8-13号两种规格的轨距块作为备件。

在尖轨支距较大的位置，基尖轨之间满足安装2个铁座的空间，可设置为如图11（b）所示的扣压形式，实现基本轨两侧弹性扣压。

图11 尖轨固定端扣压形式

3.3 转辙器其他联结零件设计

基尖轨间顶铁每间隔1根枕间设置1组，引用研线50 kg∕m钢轨系列道岔顶铁。

采用外锁闭时，牵引点后1根枕设置防跳限位装置，采用专线4232-66组件。内锁连杆用接头铁采用专线4171，可实现与60AT2钢轨匹配，如图12所示。

表5 为依据透明度（SD）、叶绿素 a（Chla）、总磷（TP）、高锰酸盐指数（CODMn）、总氮（TN）计算得到的综合营养状态指数。

图12 专线4171接头铁与60AT2钢轨组装

转辙器后部支距垫板长度对应重载道岔采用的长度，以减少板下胶垫型号。转辙器跟端铁垫板较长，为保持其稳定性，在铁垫板中部增加1根岔枕螺栓，引用研线0405组件，如图13所示。

图13 转辙器跟端长垫板

4 辙叉、护轨与联结零件结构设计

辙叉采用合金钢组合辙叉和高锰钢辙叉两种结构，两种辙叉轨下基础相同。辙叉区采用槽型护轨结构，直侧向等长。辙叉主要尺寸见表6。

表6 辙叉主要尺寸 mm

4.1 合金钢组合辙叉

1）合金钢组合辙叉结构形式

合金钢组合辙叉设计四种结构（图14）：锻制合金钢心轨组合辙叉、焊接式翼轨加强型合金钢组合辙叉、合金钢钢轨组合辙叉和镶嵌翼轨式合金钢组合辙叉。除镶嵌翼轨式合金钢组合辙叉外，其余三种辙叉可共用铁垫板。

锻制合金钢心轨组合辙叉：心轨采用合金钢钢坯制造，翼轨、叉跟轨采用普通60 kg∕m钢轨在线淬火轨制造。采用间隔铁、高强螺栓副将轨件组装为整体。

焊接式翼轨加强型合金钢组合辙叉：心轨、叉跟轨结构与锻制心轨辙叉相同，翼轨轮载转换区域采用合金钢材料，前后用闪光焊与普通钢轨焊接，前端焊缝设置夹板保护。采用间隔铁、高强螺栓副将轨件组装为整体。除心轨尖端间隔铁外，其余间隔铁与锻制心轨辙叉通用。

合金钢钢轨组合辙叉：合金钢钢轨组合辙叉采用长、短心轨拼装结构，心轨采用60 kg∕m高型特种断面钢轨制造，翼轨采用60 kg∕m在线热处理钢轨或合金钢钢轨制造。采用间隔铁、高强螺栓副将轨件组装为整体。

镶嵌翼轨式合金钢组合辙叉：心轨、叉跟轨结构与锻制心轨辙叉相同，翼轨采用镶嵌式结构，镶嵌块与心轨可锻制为整体，也可分体组装，均采用合金钢材料制造。采用间隔铁、高强螺栓副将轨件组装为整体。

2）细部结构设计

辙叉细部结构设计与铁垫板尺寸相关，采用合金钢统型辙叉研究成果确定主要结构尺寸。

辙叉咽喉：辙叉咽喉为翼轨第一弯折点，将第一弯折点位置确定为两翼轨工作边距离为61 mm处，翼轨弯折点将在弯折点前后各150 mm范围内形成圆弧，圆弧间最近距离为65 mm。

翼轨平直段起点：为降低翼轨趾端缓冲段冲角，将翼轨轮缘槽平直段起点确定为心轨轨头宽20 mm断面位置。

翼轨抬高起点及抬高值：根据合金钢组合辙叉研究成果，采用拟合车轮确定翼轨抬高起点及抬高值，自咽喉后100 mm开始抬高，至心轨50 mm断面抬高6 mm。

心轨与叉跟轨联结：心轨与叉跟轨的联结在水平方向为燕尾结构，在垂直方向上取消心轨最大截面后的缩颈变截面结构。

4.2 高锰钢辙叉

新设计的12号高锰钢辙叉采用整铸和拼装两种结构，如图15所示。

4.3 护轨结构设计

护轨采用33 kg∕m槽型钢制造，直侧股等长但不能互换，尺寸见表7，其中60-12号道岔护轨为对称结构，区别在于直侧股钉孔位置。

表7 护轨参数尺寸 mm

护轨采用33 kg∕m槽型钢制造，顶面高出基本轨12 mm，工作边进行淬火处理，平直段轮缘槽宽42 mm，缓冲段开口65 mm，开口段轮缘槽宽80 mm。

5 岔枕设计

采用新型客货共线铁路道岔用岔枕截面及配筋，前期研发的50 kg∕m钢轨系列道岔（50-9、50-12、50-18三种型号）也采用了此结构，如图16所示。该岔枕与提速道岔岔枕强度相同，与重载铁路道岔相比质量较轻，使用钢丝数量较少，在保证强度的同时缩短预应力中心与形心高差，可减缓徐变上拱。该型岔枕适合于普速铁路运行条件。

图16 新型客货共线铁路道岔用岔枕截面（单位：mm）

6 结论

本文针对60 kg∕m钢轨9号、12号道岔，从整体线型、通用件、转辙器轨件与扣件系统、辙叉护轨与联结零件四个方面进行了结构优化研究。主要结论如下：

1）9号道岔前长13.839 m，后长15.730 m，全长29.569 m；道岔采用相离半切线型，导曲线半径195 m，采用60AT2弹性可弯尖轨，曲线尖轨为直曲组合型，采用直线型辙叉，左右开可通用。

2）12号道岔前长16.592 m，后长21.208 m，全长37.800 m；道岔采用相离半切线型，导曲线半径350 m，采用60AT2弹性可弯尖轨，曲线尖轨为直曲组合型，采用直线型辙叉，左右开可通用。

3）固定辙叉可选用高锰钢辙叉和合金钢组合辙叉，岔枕通用。

4）9号、12号道岔均采用两点牵引布置，9号道岔采用联动内锁转换方式，12号道岔可采用联动内锁或分动外锁转换方式。

5）道岔采用预埋铁座弹性分开式扣件系统，岔枕沿用新型客货共线铁路道岔用岔枕截面及配筋。