新型重载道岔研制

黄振宇,费维周

(中铁宝桥集团有限公司,陕西宝鸡　721006)



新型重载道岔研制

黄振宇,费维周

(中铁宝桥集团有限公司,陕西宝鸡721006)

摘要：重载道岔是重载铁路的关键设备,也是线路的薄弱环节,其尖轨、辙叉心轨的寿命是影响重载道岔寿命的决定因素。针对既有重载道岔调研情况,研究近年来我国重载道岔关键部件(尖轨、辙叉)的结构改进技术方案,并且结合上道试用验证。实际效果证明,改进后的方案能够适应我国重载铁路“大轴重、高密度和超大运量”的使用要求,且大大延长了主要部件的寿命,提高了重载铁路运能,减少了养护维修工作量。

关键词：重载铁路；重载道岔；嵌入式整铸叉心；高锰钢辙叉；基本轨切削；尖轨加厚

1重载铁路与重载道岔

2005年国际重载协会修订的重载铁路新标准是满足下列3条中的2条，即为重载铁路[1]：(1)列车质量不小于8 000 t；(2)轴重大于270 kN以上；(3)在长度不小于150 km的线路上面运量不低于4 000万t。

大秦铁路自山西省大同市至河北省秦皇岛市，全长653 km，是中国西煤东运的主要通道之一。1992年底全线通车，2002年运量达到1亿t设计能力。自2004年起，原铁道部对大秦铁路实施持续扩能技术改造，大量开行1万t和2万t重载组合列车，全线运量逐年大幅度提高，2008年运量突破3.4亿t，成为世界上年运量最大的铁路线[2]。2010年12月26日，大秦铁路提前完成年运量4亿t的目标，为原设计能力的4倍[3]。从重载铁路的运输量和列车牵引质量来讲，我国的大秦、神朔、朔黄、包神、大准铁路均为重载铁路，在重载铁路重车线路上铺设的道岔，即为重载道岔。重载铁路是一种效率甚高的运输方式，已引起铁路部门的重视，其上最薄弱的轨道设备——重载道岔是影响重载铁路运输效率的关键设备，如何提升该关键设备的寿命，对保障重载铁路的运营意义重大。目前国内正在新建的山西中南部铁路通道、蒙西至华中地区煤运通道铁路，均是重载铁路。

2既有重载铁路所用道岔产品的基本情况及存在问题

通过对既有重载铁路进行调研和技术考察，基本情况如下。

(1)目前，我国主要重载铁路大秦、神朔、朔黄、包神、大准铁路等，其列车质量和运量均超过上述重载铁路的指标，投入运营的总里程约2 000 km。其中道岔使用情况是[4]：

正线以“75-12号固定型单开道岔(图号：CZ714)”、“60-12号单开道岔(图号：专线4249，CZ545)”为主。一般重车方向铺设75 kg/m道岔，空车方向铺设60 kg/m道岔。

站线以“60-9号单开道岔(图号：CZ577)”为主。

(2)上述道岔存在尖轨，固定辙叉的心轨、翼轨磨损，剥落掉块及轨顶面鱼鳞纹等病害，增大了用户的养护维修工作量和频次，另外，既有的合金钢辙叉使用状况尚不能满足线路大运量要求，使用效果与用户期望值存在差距。

(3)存在扣件系统岔枕螺栓折断现象。

3新型重载道岔关键技术及研制

3.1关键技术

为克服上述尖轨，固定辙叉的心轨、翼轨磨损，剥落掉块及岔枕螺栓折断等病害，重点围绕“提升道岔整体性能”这一目标，研制采用了如下关键技术。

(1)三次爆炸预硬化嵌入式整铸叉心高锰钢辙叉

既有道岔辙叉采用高锰钢整铸结构，由于其结构尺寸较大，断面变化复杂，保证铸件内部质量困难，爆炸预硬化时，往往出现炸裂现象。为此，需要从辙叉结构上进行改进，提出嵌入式整铸叉心高锰钢辙叉。该辙叉以高锰钢材质为主体，由整铸叉心、叉跟轨、翼轨及高强度螺栓连接而成(图1)。

图1　嵌入式高锰钢辙叉

为解决心、翼轨磨损及剥落掉块的病害，主要采用了以下4项关键技术。

①叉心采用嵌入式整铸结构，心、翼轨冲击部位采用整体锰钢化结构(图2)，实现了同材料、同强度、同寿命[5]。

图2　高锰钢辙叉叉心

②采用心轨加宽技术，对心轨两侧适当加宽，可增加车轮过渡区车轮踏面与心轨接触面积约30%，降低叉尖单位面积压力，提高叉心的稳定性。

③采用双咽喉结构(图3)，可增大翼轨承载面积5%，缩短辙叉有害空间距离50%，减轻或延缓辙叉翼轨的磨耗。另外，可减小逆向进岔冲击角，提高辙叉的整体使用寿命。

图3　双咽喉结构(单位：mm)

④采用三次爆炸预硬化工艺，使辙叉表面硬度达到HB350以上。

高锰钢辙叉在使用初期，由于冲击硬化特性未有效发挥，强度较低，耐磨性较差，受车轮的冲击和摩擦，辙叉表面易出现磨损和塑性变形。因此，为提高初期抗磨损和抗变形能力，对高锰钢辙叉轨顶面采用爆炸预硬化处理。

高锰钢辙叉爆炸硬化是通过炸药爆炸瞬间产生的高能爆轰压力冲击作用于辙叉表面，使高锰钢奥氏体的孪晶组织产生形变位错、粗大晶粒组织细化，促使辙叉表面迅速发生硬化，从而提高辙叉上道前的初始硬度，有利于提高辙叉表面的耐磨性，减轻辙叉的初期磨损，可使高锰钢辙叉使用寿命提高30%～50%。

该技术在美国、英国、捷克和日本等国家铁路中广泛使用。我国在20世纪80年代开始高锰钢辙叉爆炸预硬化方面的研究工作，中铁宝桥集团有限公司于1996年成功应用这一技术，并拥有辙叉全长爆炸预硬化技术，实现了爆炸精密控制，爆炸后免机加工，保证了硬化质量。截止目前，采用此工艺供货的高锰钢辙叉约20 000组 ，性能稳定，主要出口北美市场。

爆炸预硬化前后，辙叉表面内部组织对比如图4、图5所示。

图4　爆炸预硬化前辙叉材质晶粒度

图5　爆炸预硬化后辙叉材质晶粒度

高锰钢辙叉爆炸预硬化后，轨顶面约有0.8 mm的收缩，形成了致密的硬化层，深度在30 mm以上，在使用过程中，随着车轮冲击，冲击载荷又会产生新的硬化层，进而大大提高辙叉的耐磨性和使用寿命。采用此工艺后，预计高锰钢辙叉的通过运量可达到3.0亿t以上。另外，此工艺对铸件质量要求高，若辙叉存在皮下和内在缺陷，很难适应爆炸预硬化要求，在爆炸时将出现炸裂现象。所以，可以说采用爆炸预硬化工艺可间接促进辙叉内部质量。

(2)尖轨加厚，基本轨切削技术(图6)

为减小尖轨侧磨，对基本轨轨头侧面进行一定量切削，同时尖轨轨头非工作边相应增厚，提高尖轨使用寿命，该技术为中铁宝桥集团有限公司专利技术，目前在大秦线上试用，效果良好。

图6　尖轨与基本轨密贴段结构示意

为确保切削后的基本轨强度满足运营要求，有限元计算结果表明基本轨的强度仍然满足运营要求。

(3)尖轨线型优化技术

既有道岔尖轨分曲线尖轨和直线尖轨，曲线尖轨有利于提高列车通过道岔的平稳性；直线尖轨，可有效增大尖轨的粗壮度，但是列车的平稳性降低。

我国既有重载铁路多采用曲线尖轨，在重载铁路上的运营实践表明，该尖轨小断面耐磨性差，不能满足重载铁路的运营要求，特别是顺向出岔时，对尖轨前端磨耗更严重。针对该情况，提出采用直线尖轨和曲线尖轨复合尖轨，即在尖轨大断面位置采用圆曲线，在尖轨小断面采用直线线型，合理设置切点位置。此时既提高尖轨小断面的粗壮度，提高其耐磨性，另一方面切点位置位于尖轨大断面处，在大断面处即对列车进行了转辙引导，降低了车轮对切点以前的尖轨磨耗，有效地保护了尖轨小断面，该技术在大秦线上试用，效果良好。

(4)预埋铁座重载扣件系统

结合调研中发现的岔枕螺栓剪断等扣件失效问题，采用了重载道岔用新型扣件系统[6](图7)。

图7　新型扣件系统

该扣件系统铁垫板长度缩短，垫板与岔枕之间采用弹性连接，在岔枕上预埋了铁座，该系统具备足够的抗横向荷载的能力，结构简单，能最大限度减少养护维修工作量，通过200万次组装疲劳试验。

3.2国内新型重载道岔的研制历程

从2009年开始，中铁宝桥集团有限公司联合西南交通大学研制新型重载道岔。2010年12月完成首组75 kg/m钢轨12号重载道岔的厂内试制、试铺，在国内同行业率先采用了尖轨加厚、三次爆炸预硬化嵌入式组合高锰钢辙叉等关键技术，并申报了专利，经专利查新可知该道岔是国内新型重载道岔的原型。该道岔设计轴重250 kN，直向通过速度90 km/h，侧向通过速度40 km/h，尖轨采用复合圆曲线，采用预埋套管岔枕，前长16 592 mm、后长21 208 mm、全长37 800 mm，可以与线路既有的CZ714整体互换[7]。

2012年，中铁宝桥参与了太原铁路局、铁道科学研究院联合承担的原铁道部科技研究开发计划课题《大秦线重载技术深化研究——延长钢轨和道岔修理周期关键技术研究》(合同编号2010G013-B)。中铁宝桥集团有限公司参与新型重载道岔的设计和负责首批道岔及备件(75-12号道岔，60-12号道岔)的试制试铺工作。2012年9月28日、12月11日，首批道岔通过了原铁道部科技司会同运输局工务部组织的方案评审和试验评审。该道岔采用了尖轨加厚、三次爆炸预硬化嵌入式组合高锰钢辙叉、预埋铁座重载扣件系统。该批道岔2013年4月27日在大秦线大同南站、迁安北站上道试用。该道岔设计轴重270 kN，直向通过速度100 km/h，侧向通过速度45 km/h，尖轨采用直曲复合线型，采用预埋铁座岔枕，前长16 592 mm、后长21 208 mm、全长37 800 mm，可以与线路既有的CZ714、专线4249/CZ545整体分别互换。

2013年，中铁宝桥集团有限公司与铁道科学研究院、朔黄铁路公司合作研制

开发神华铁路大轴重重载运输成套技术研究—基础设施强化改造技术研究—75 kg/m钢轨12号、18号单开道岔。2013年4月10日，两种道岔设计方案通过朔黄铁路公司组织的设计评审。2013年7月16日完成上述两种道岔的试制、试铺工作，并通过了朔黄铁路公司组织召开的试制试铺审查会，该批道岔除了采用上述3项关键技术外，还对道岔进行无缝化优化，使得道岔能够适应无缝铺设的要求，目前道岔正在上道试用，效果良好。该道岔设计轴重300 kN，采用预埋铁座岔枕。其中12号道岔直向通过速度100 km/h，侧向通过速度45 km/h，尖轨采用直曲复合线型，采用预埋铁座岔枕，前长16 592 mm、后长21 208 mm、全长37 800 mm，可以与线路既有的CZ714整体互换；18号道岔直向通过速度100 km/h，侧向通过速度80 km/h，尖轨采用直曲复合线型，采用预埋铁座岔枕，前长28 600 mm、后长31 400 mm、全长60 000 mm，与GLC(09)05几何尺寸一致。

2013年5月，中铁宝桥集团为神朔线神木北站生产了1组75 kg/m钢轨12号单开道岔的尖轨基本轨组件和嵌入式高锰钢辙叉，于2013年7月中旬上道使用，替换既有75-12(CZ714)道岔的尖轨基本轨、辙叉2大主要部件，采用了尖轨加厚、三次爆炸预硬化嵌入式组合高锰钢辙叉等关键技术，效果良好。

山西中南部运煤通道重载道岔的研制。该课题由中铁咨询牵头，中铁宝桥、山桥集团，铁科院，北京交通大学等多家单位参与，主要针对300 kN轴重山西中南部运煤通道线路而研制的重载道岔[8]，该课题研制的产品，经过了设计审查、上道试验审查、试验评审，目前进入了试用阶段，在山西中南部铁路建设的前期工程上使用，其主要的关键技术如下：辙叉采用三次爆炸预硬化嵌入式整铸叉心高锰钢辙叉和组合式合金钢辙叉两种形式；扣件系统采用预埋铁座重载扣件系统；尖轨基本轨、合金钢辙叉[9]采用合金钢钢轨及1∶20轨顶坡型式。上述道岔适用于300 kN轴重重载铁路使用[10]，其主要参数见表1。

表1　300 kN轴重重载铁路用道岔主要参数

4关键技术的应用效果

(1)三次爆炸预硬化嵌入式整铸叉心高锰钢辙叉

中铁宝桥集团有限公司自20世纪90年代就开始为北美市场重载铁路供应该类辙叉。在美国的运营中，通过补焊等维护手段，正常使用寿命为4～6亿t，最高可达10亿t。美国铁路线路90%以上为嵌入式高锰钢辙叉。

截止目前，中铁宝桥集团有限公司出口北美115RE、132RE钢轨等型号的嵌入式高锰钢辙叉50余种，平均每年供货数量在1 500根左右，产品质量可靠，平均通过运量4亿t以上，使用寿命达到国际先进水平，得到美国Scheppler Engineering公司和CTM(Cleveland Track Material)公司的肯定。

(2)大秦线重载道岔上道效果

2013年4月底，为大秦线研制的重载道岔上道试用。为充分掌握上述关键技术的效果，从2013年4月25日起，中铁宝桥集团有限公司每月1～2次，派专人对道岔运营初期的养护及磨耗整治等进行指导和现场服务。截止2014年1月22月，重载道岔上道9个多月，总体状态良好。

①迁安北站17号岔位。铺设的75-12号固定型辙叉单开道岔自2013年4月25日起，截止2014年1月22日，上道270 d，通过运量约2.34亿t，直、曲尖轨10 mm段面前无磨耗，高锰钢组合辙叉使用状况良好。仅存在少量飞边，现场进行打磨处理，无剥落、掉块、鱼鳞纹等病害。

②大同南站36号岔位。铺设的60-12号固定型辙叉单开道岔自2013年4月29日起，截止2014年1月月22日，上道265 d，通过运量约1.9亿t，直线、曲线尖轨10 mm断面前基本无磨耗，辙叉使用状况良好。

(3)神木北站

换铺的75 kg/m钢轨12号单开道岔部件嵌入式组合高锰钢辙叉，尖轨、基本轨分别于2013年7月2日、2013年7月15日上道试用，截止2013年9月22日，通过运量约为1.2亿t，尖轨、基本轨、辙叉总体状态良好：

上述道岔与既有线路道岔相比较，上道的嵌入式高锰钢辙叉已经远远大于既有重载铁路上高锰钢辙叉平均使用寿命：3个月、1亿t左右，预测通过量可以达到3亿t以上；尖轨性能也有大幅提升，远远超过既有重载铁路尖轨平均使用寿命：仅1个月，通过量0.3亿t左右。寿命的大幅提高，大大降低了用户的养护维修工作量，提高了线路的运营效率。

5结语

重载道岔，其尖轨磨耗、心轨磨耗一直是其主要病害。近几年，重载道岔技术发展迅速，形成以结构改进和材料提升双管齐下的技术策略。其中结构改进主要从尖轨粗壮度、尖轨线形、辙叉结构、轨顶坡等方面进行改进[11]，出现如三次爆炸预硬化嵌入式整铸叉心高锰钢辙叉、辙叉车轮踏面优化[12]、基本轨切削尖轨加厚技术、直曲复合型尖轨、嵌入式组合合金钢辙叉等结构；另一方面开发出来U20Mn2SiCrNiMo贝氏体钢轨、U78CrV、U75V在线热处理钢轨等新型钢轨，同时对高锰钢辙叉的铸造工艺进行优化，形成了细晶粒高锰钢内在组织，大大提升了高锰钢辙叉的内部质量[13]，适应了爆炸预硬化对高锰钢辙叉内在质量的要求。通过上道研制三次爆炸预硬化嵌入式整铸叉心高锰钢辙叉、直曲复合型基本轨切削尖轨加宽结构、嵌入式组合合金钢辙叉、预埋铁座重载扣件系统等适应了我国重载铁路的运营要求，寿命的大幅提高大大降低了用户的养护维修工作量，提高了线路的运营效能，上述关键技术将是我国重载道岔未来的主要技术路线。

参考文献：

[1]赵洪雁.大秦线重载铁路道岔技术指标探讨[J].铁道建筑，2010(S1):89-91．

[2]吴彩兰.重载铁路扩能研究[J].铁道标准设计，2005(6):14-17．

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[4]李培刚，王平，刘学毅.重载铁路嵌入式高锰钢辙叉强度分析研究[J].铁道标准设计，2012(2):1-3.

[5]陈嵘，王平.75 kg/m钢轨12号高锰钢固定辙叉单开道岔刚度均匀化设计研究[J].铁道标准设计，2012(8):1-4.

[6]陈嵘，王平，李成辉.75 kg/m钢轨12号重载道岔服役性能优化分析[J].铁道科学与工程学报，2011.

[7]赵天运，骆焱，许有全.大秦重载铁路75 kg/m钢轨18号固定辙叉研究设计[J].铁道标准设计，2012(2):7-10.

[8]中国铁路总公司.30 t轴重合金钢组合辙叉技术条件(暂行)[S].北京：中国铁道出版社，2013．

[9]中国铁路总公司.30 t轴重重载道岔技术条件(暂行)[S].北京：中国铁道出版社，2013.

[10]铁道部第三勘察设计院.道岔设计手册[M].北京：人民铁道出版社，1975．

[11]中华人民共和国铁道部.TB449—2003机车车辆车轮轮缘踏面外形[S].北京：中国铁道出版社，2003.

[12]中华人民共和国铁道部.TB447—2004高锰钢辙叉技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2004.

The Development of New Heavy Haul TurnoutHUANG Zhen-yu, FEI Wei-zhou

(China Railway Baoji Bridge Group Co., Ltd., Baoji721006, Shaanxi, China)

Abstract：The heavy haul turnout is a key equipment of the heavy haul railway, and also a weak link of the track. The service life of the switch rail and crossing nose is the determinant that affects the life of the heavy haul turnout. Based on the survey of the existing heavy haul turnouts, this paper focuses on the structure improvement plans of the key components (switch rail, frog) of China’s heavy haul turnouts in recent years and verify them with on-track tests. The actual results prove that the improved plans can meet the requirements of heavy axle load, high density and large traffic volume of China’s heavy haul railway, greatly extend the life of the main components, improve the transport capacity of the heavy haul railway, and reduce the workload of maintenance and repair.

Key words：Heavy haul railway, Heavy haul turnout, Embedded cast crossing, High manganese steel crossing, Cutting of stock rail, Thickening of switch rail

中图分类号：U239.4; U213.6

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.010

文章编号：1004-2954(2015)01-0042-05

作者简介：黄振宇(1961—)，男，高级工程师，1983年毕业于上海铁道学院机械设计专业，工学学士，E-mail：hzy@crbbi.com。

收稿日期：2014-02-27； 修回日期：2014-03-30