重载铁路道岔关键技术研究与应用

王猛 ， 杨东升， 司道林

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司研究生部，北京 100081；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）

0 引言

道岔是重载铁路线路的核心关键设备，也是轨道结构中理论研究、结构设计和线路养护维修的重点和难点。长期以来我国重载铁路道岔面临以下问题：（1）轴重25 t以上的道岔为空白，严重制约了重载铁路大轴重的发展和需求；（2）我国既有重载道岔设计方法、制造工艺和材料技术严重落后于重载铁路发达国家；（3）既有重载道岔尖轨、辙叉等核心部件寿命过短，频繁出现伤损且发展迅速，严重威胁行车安全与运输效率，运维成本高昂［1］。近年来，随着瓦日铁路、张唐铁路和浩吉铁路的开通运营，我国重载铁路线路里程大幅度增加，重载铁路轨道结构的理论研究及技术创新有了长足的进步［2］。

2010—2017 年，中国铁道科学研究院集团有限公司联合“产、学、研、用”多家单位，历时7年科技攻关，攻克轮轨关系、结构强度、动力学性能、材料与工艺、产品可靠性5 大技术难题，研发6 种重载铁路系列道岔产品，形成了具有完全自主知识产权的重载铁路道岔产品与成套技术体系。

1 道岔基本设计参数

1.1 型号与设计速度

重载铁路道岔包含12 号、15 号和18 号3 种道岔号数，道岔轨型包括60、75 kg/m 钢轨2 种类型，共计6个图号（见表1）。

1.2 平面线型及尺寸

重载铁路道岔用于有砟轨道时采用固定型辙叉，用于无砟轨道时采用可动心轨辙叉，道岔侧线线型均为相离单圆曲线线型。重载铁路系列道岔平面线型及尺寸见表2。

表1 重载铁路系列道岔型号与设计速度

表2 重载铁路系列道岔平面线型及尺寸

1.3 主要结构特征

（2）道岔转辙器区滑床板范围内的基本轨采用弹性夹扣压其内侧轨底（见图2）。

图1 基本轨工作边一侧刨切

图2 滑床板结构

（3）道岔采用分动钩型外锁闭装置。①12号固定型辙叉道岔转辙器设2个牵引点，动程分别为160、80 mm。②12号可动心轨辙叉道岔转辙器设2个牵引点，动程分别为160、80 mm；可动心轨设2个牵引点，动程分别为122.9、75.9 mm。③15号和18号固定型辙叉道岔转辙器均设3 个牵引点，15 号道岔尖轨动程分别为160、117、72 mm；18号道岔尖轨动程分别为160、115、69 mm。

（4）转辙器跟端采用大位移量限位器结构，子母块间隙15 mm（见图3）。

图3 限位器结构

（5）固定型辙叉按高锰钢组合辙叉和翼轨加强型合金钢组合辙叉2 种设计。辙叉心轨轨头宽20～50 mm，单侧加宽最大4 mm，双侧最大加宽8 mm。加宽后心轨轨头宽28～58 mm，查照断面间隔要求不小于1 388 mm［4-5］，护背距离不大于1 348 mm。

（6）可动心轨辙叉为长、短心轨拼接式，全长13.8 m。

（7）护轨采用33 kg/m 槽型钢制造，高出基本轨顶面12 mm，采用弹性夹扣压基本轨内侧轨底（见图4）。

（8）岔区采用岔枕带预埋铁座的弹性分开式扣件系统。垫板无螺栓孔，铁垫板与预埋铁座之间安装绝缘轨距块，铁垫板上铁座与钢轨之间安装普通轨距块。轨距调整时，使用不同规格绝缘轨距块和普通轨距块可实现单股钢轨-8～+6 mm 的调整。用于有砟轨道基础时，采用Ⅱ型弹条扣压钢轨与铁垫板，下设10 mm厚度弹性垫层；用于无砟轨道基础时，采用W1型弹条扣压铁垫板（采用Ⅱ型弹条扣压钢轨），铁垫板下设20 mm 厚度弹性垫层，可实现0～+20 mm 的高程调整［6］。

自DNA条形码技术提出以来，一直是分子分类学研究的热点[15]。研究表明，一段相对较短、标准且具有足够变异、易扩增的DNA片段，能够对植物进行快速、准确地鉴定。目前植物中还没有一条被广泛认可的DNA条形码。陈士林等[16]提出以ITS2序列作为鉴定药用植物标准的DNA条形码。刘安莉等[10]对贵州蜘蛛抱蛋属植物进行核基因序列ITS和ITS2的研究，发现样品序列扩增效果不理想，本研究也尝试采用该序列对蜘蛛抱蛋属植物进行分析，但只有少量样品扩增成功，物种无法进行有效的区分。因此，有关核基因序列ITS和ITS2是否适用于蜘蛛抱蛋属植物的分类还有待进一步探讨。

（9）道岔钢轨设置1∶40轨底坡或轨顶坡。

（10）有砟轨道混凝土岔枕底宽为310 mm，顶宽为260 mm，高为230 mm。岔枕上预埋铁座，用绝缘轨距块、Ⅱ型弹条、T形螺栓等联结件与铁垫板固定（见图5）。

（11）无砟轨道混凝土岔枕截面上、下宽度及高度分别为270、300、140 mm。岔枕上预埋铁座，用绝缘轨距块、W1 型弹条、T 形螺栓等联结件与铁垫板固定（见图6）。

2 主要创新技术

2.1 建立了重载铁路道岔设计理论体系

理论模型是动力学研究的核心，基于轮轨系统动力学和道岔区复杂的多点接触轮轨关系，建立较完善的列车-道岔系统空间精细化耦合动力学模型（见图7）、岔区刚度力学模型（见图8）。综合研究列车通过道岔时的动态运行行为及其对道岔结构的动力破坏作用，有效指导了道岔线型比选、尖轨和心轨降低值设计、翼轨抬高值设计、钢轨件磨耗规律预测、扣件、岔枕和转换设备参数选取等工作。

图6 无砟轨道混凝土岔枕及扣件系统结构

图7 车辆-道岔动力学耦合模型与轮轨多点接触模型

2.2 形成了道岔结构优化技术体系

首次提出以下优化技术：增大道岔曲尖轨的相离值、“直曲组合型”曲线尖轨［7］、刨切基本轨加厚尖轨技术、依据“磨耗型”车轮优化辙叉纵横断面技术、辙叉心轨加宽技术、预埋铁座弹条分开式扣件以及高强度有砟、无砟混凝土岔枕系统。以上关键结构优化技术有效补强道岔各部件的短板，延长道岔关键部件使用寿命。

图8 岔区刚度力学模型

相离半切线型与“直曲组合型”曲线尖轨，有效降低轮轨横向冲击，并将冲击最大位置转移至曲尖轨的粗壮区段，保护了尖轨薄弱断面（见图9、图10），使用通过总重达1.2 亿t，对比既有曲尖轨使用通过总重约0.3亿t，延长使用寿命2～4倍。

刨切基本轨加厚尖轨技术可在不影响道岔平顺性和基本轨寿命的前提下快速加厚尖轨，增强尖轨抗磨耗的能力，采用该技术的直尖轨使用通过总重普遍超过5亿t。

图9 既有12号重载道岔服役不足1个月的曲尖轨尖端已出现严重掉块

图10 新型12号重载道岔服役6个月后状态良好

采用“磨耗型”车轮踏面优化辙叉纵横断面廓形，显著改善心轨、翼轨的受力分布，提高辙叉平顺性；辙叉心轨加宽技术将心轨顶宽20～50 mm断面两侧各加宽4 mm，显著增强心轨的承载能力，彻底解决辙叉心轨、翼轨行车踏面磨耗速率快、压塌、剥离掉块等病害。采用该系列技术的辙叉寿命普遍超过3 亿t，是既有辙叉寿命的2倍以上，使用通过总重最大1组为7.96亿t。

预埋铁座式扣件与岔枕系统有效增强了扣件的稳定性，避免预埋件窜出引起扣件失效等影响行车安全的病害，大幅降低养护维修成本，实现扣件系统全部组件通过总重7 亿t 内免维修的目标。有砟与无砟重载道岔扣件刚度均匀化技术，解决了尖轨、辙叉跟端压溃、肥边等影响使用寿命的病害。

2.3 取得了材料工艺突破性成果

攻克了贝氏体材料精炼与热处理技术、贝氏体钢与U75V 钢材闪光焊技术，在此基础上研发了焊接翼轨式加强型合金钢组合辙叉。有效避免了翼轨强度不足导致辙叉提前下道的问题，进一步提高辙叉使用寿命。

针对高锰钢组合辙叉的行车表面进行全长3次爆炸预硬化技术，预硬化后表面硬度≥321 HBW。该技术显著降低了高锰钢辙叉的磨耗速率，使寿命达到非硬化辙叉的2倍［8-9］。

3 现场应用与前景

整组道岔主要应用单位详细情况见表3，应用情况如下：

（1）重载60、75 kg/m 钢轨12 号单开道岔在大秦、朔黄、京哈铁路共试铺12组。通过长期跟踪观测，曲尖轨寿命提升2～3倍，辙叉寿命提升40%，零部件与岔枕状态良好，大幅降低了检修时间与成本。重载75 kg/m钢轨15号单开道岔在朔黄铁路共铺设2组，道岔使用状态良好，有效提升了中间站运输效率。重载60、75 kg/m钢轨18号单开道岔在大秦、北同蒲、京广、朔黄线等多条线路共铺设20组，直曲尖轨和辙叉寿命显著提高，零部件与岔枕状态良好。客货共线铁路60 kg/m钢轨12号道岔无砟轨道道岔生产3组，并于2015年12月铺设于天平铁路麻庵河车站。新产品整体达到直尖轨通过总重4 亿t、曲尖轨1 亿t、固定型辙叉3 亿t、可动心轨辙叉7亿t的预期目标，满足线路使用要求。

（2）在大秦、朔黄等货运专线应用10 余组固定型心轨加宽辙叉，加宽后心轨、翼轨的磨耗速率明显下降，寿命较不加宽的辙叉延长40%，2014年1月在东冶站16#岔位试用的心轨加宽翼轨焊接式合金钢组合辙叉，通过总重达到7.96亿t（正常养护、无焊补）。

（3）在浩吉铁路正线道岔全面采用，该铁路为国内最长的运煤专线，2019 年9 月已全面建成通车。全线共计采用60 kg/m钢轨12号固定型辙叉单开道岔（研线1115）368 组，60 kg/m 钢轨18 号固定型辙叉单开道岔（研线1302）208组。

表3 主要应用单位详细情况

（4）靖神铁路正线道岔全面采用，该铁路与浩吉铁路接轨，同步建设开通。全线共计采用60 kg/m 钢轨12 号固定型辙叉单开道岔（研线1115）48 组，60 kg/m钢轨18号固定型辙叉单开道岔（研线1302）65组。

除新建重载铁路外，既有铁路客货分流、货运重载化是发展大趋势，中国国家铁路集团有限公司计划在既有干线开行27 t轴重的C80货车。既有线在用的12 号、18 号道岔约 4 万组，设计轴重普遍在 23 t 及以下，轨道结构尤其是道岔承载能力不足，增加了部件伤损率与养护维修工作量。在既有铁路换铺重载道岔，能够适应货运重载化的趋势，延长道岔关键部件使用寿命，减小养护维修工作量，提升经济效益。

4 结束语

为适应重载铁路线路大轴重、高密度和大运量的特殊运输条件，重载铁路道岔研发时以提升轨道结构强度、降低养护维修工作量为核心出发点，研发了6种重载铁路道岔产品。其中，侧向允许通过速度为70 km/h的15 号道岔为我国首次应用，可有效优化站场布置，提升运输效率，填补国内重载铁路道岔产品的空白。

在大秦、朔黄和浩吉铁路等线路的试用及推广实践证明，重载铁路道岔整体强度较高，可有效降低养护维修工作量。采用心轨加宽技术（限用于货运线路）的固定型辙叉平均寿命比非加宽辙叉增加40%。新型“直曲组合型”曲尖轨较既有曲尖轨寿命长2～4倍，道岔核心部件寿命明显增强，可以达到直尖轨通过总重4 亿t、曲尖轨1 亿t、固定型辙叉3 亿t、可动心轨辙叉7亿t的预期目标。