重载加强型翼轨辙叉的研究与设计

 重载加强型翼轨辙叉的研究与设计

崔琨喨

中铁山桥集团有限公司道岔研究院 秦皇岛  066205

摘要：重载道岔普遍采用固定型组合辙叉，固定型辙叉的心轨30mm断面前后及其对应的翼轨普遍存在由于异常磨耗、疲劳裂纹及剥落掉块而下道，为了提高重载铁路辙叉使用寿命，对辙叉轨顶堆高、心轨降低值等关键性问题进行了创新性设计；为了满足无缝线路使用需求及解决叉跟尖轨与心轨拉开离缝问题，采用锁扣和楔形接触的防拉开结构形式进行设计。

关键词：无缝线路、组合辙叉、锻造锰合金、防拉开结构

Research and design of heavy-duty wing frog

Cui Kunliang

（China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co．，Ltd．，Qinhuangdao Hebei 066205，China）

Abstract: Fixed combined frog is widely used in heavy-haul turnouts. Before and after the 30mm cross section of the fixed frog's core rail and its corresponding wing rail are commonly out of use due to the abnormal abrasion , fatigue crack and chipping. In order to prolong the service life of the heavy-haul railway frog, innovative design has been made on key issues such as the top pile height of the frog rail and the reduction of the core rail. In order to meet the needs of seamless line and solve the problem of the split between the fork heel switch rail and the core rail, the anti-split structure of lock catch and wedge contact is adopted for the design.

Key words: seamless line, combined frog, forged manganese alloy, anti-pulling.

中图分类号：U213.6+2      文献标识码：A

文章编号：

1概述

随着我国铁路事业的迅猛发展，对线路工务设备的使用性能及使用寿命提出了更高的要求，尤其是对道岔的要求更为严苛。道岔部件众多、轮轨接触关系和受力状况复杂，是制约铁路运营的关键设备，辙叉又是道岔的核心组成部件，是机车实现线路跨越的关键设备，直向和侧向运行的列车均需通过辙叉。固定型辙叉轨距线中断形成的有害空间存在轮载转移和载荷冲击，因此，辙叉是线路易损部件[1-3]。在高速、重载机车车轮的冲击和碾压下，经常会出现辙叉的磨损、开裂甚至压溃等现象，致使辙叉寿命较短。频繁地更换辙叉，既给工务维修造成沉重负担，也严重影响铁路运营。

重载加强型翼轨辙叉对翼轨进行强化，将加强型嵌块与翼轨进行拼装，使翼轨咽喉至心轨50断面处与心轨采用相同材质，提高辙叉使用寿命，本文以重载铁路75-12号辙叉为例，介绍其结构特点，为重载铁路辙叉技术提升提供技术参考。

2设计原则：

（1）适用30t 轴重以下，列车直向速度 V≤100 km/h ，侧向速度V≤45 km/h。

（2）与既有合金钢组合辙叉、高锰钢辙叉、高锰钢组合辙叉可互换。

（3）满足无缝线路使用要求。 

3重载加强型翼轨辙叉动能损失计算

动能损失计算：为了简化构造在辙叉设计中直向及侧向两翼轨采用对称设计，设计翼轨冲击角β=0.566°，侧向速度为V=45km/h，为了满足旅客舒适度，动能损失需满足如下公式[8]，

                 (1)

组合辙叉冲击角按照β=0.566°设计时，动能损失为0.2km2/h2，小于区间线路的最大动能顺势极限值0.65km2/h2，满足列车过岔要求，设计合理。

4重载加强型翼轨辙叉的结构设计

 4.1重载加强型辙叉结构

重载加强型辙叉主要包含：翼轨、加强型嵌块，叉跟尖轨、心轨组成。翼轨、叉跟尖轨采用U75V在线淬火轨，加强型嵌块、心轨采用锻造锰合金[9-10]，结构如图1所示。该结构辙叉将传统的高锰钢组合辙叉的叉心设计成心轨及加强型嵌块两部分，铸造心轨及加强型嵌块尺寸大大减小，铸造质量更易控制，降低整体重量，由于辙叉趾跟端的翼轨与叉跟尖轨采用普通钢轨加工而成，可实现与线路钢轨同材质焊接，满足无缝线路使用要求。

该结构设计中由于主要轮载转换部位，心轨及加强型嵌块采用高锰钢材质添加合金元素并锻造成型[11]。锻造锰合金材质既保持了高锰钢较高的延伸率和冲击韧性，又提高了材料的机械性能，同时还能弥补铸造高锰钢的铸造缺陷。

图1重载加强型辙叉结构示意图

a    

b

图2 重载加强型辙叉断面示意图

4.2加强型嵌块的轨顶堆高设计

普通合金钢组合辙叉为了降低列车过岔时对翼轨的冲击，满足轮轨匹配，需对翼轨进行上下顶弯6mm，导致翼轨既有水平弯折又有上下弯折，对加工要求极高。重载加强型翼轨辙叉中左右侧加强型嵌块设置轨顶堆高，取消翼轨的上下顶弯，降低了翼轨加工制造的难度。加强型嵌块的轨顶堆高满足了轮轨踏面的拟合，可实现合理的轨顶轮廓设计，使辙叉轨顶承载力均匀匹配，形成良好的轮轨关系，实现降低轮载过渡带来的冲击，如图2-a所示。

4.3翼轨与心轨的定位设计

翼轨与心轨之间设置限位间隔铁用于定位翼轨与心轨的相对位置，防止由温度力引起翼轨与心轨的纵向位移的变化，也便于更换心轨时，实现翼轨与心轨之间的定位，如图2-b所示。

4.4心轨与加强型嵌块的定位设计

心轨尖端至心轨50断面与加强型嵌块采用凹凸台结构，如图2-a所示，定位心轨与镶嵌块的相对位置，满足加强型嵌块易更换、易维修。

左、右侧加强型嵌块咽喉至心轨的50断面处朝向心轨一侧均设置有凹台，心轨的理论中心至其50断面设置有凸台。加强型嵌块的凹台与心轨的凸台用于定位心轨与一体式翼轨加强型嵌块的相对位置。安装加强型嵌块时，只需将加强型嵌块的凹台对准心轨的凸台即可，使得加强型嵌块的安装更加快捷。更换加强型嵌块时，辙叉趾端无需拆卸，只需要拆除翼轨跟端，将翼轨向两侧掰开，即可将加强型嵌块拆卸。

4.5加强型嵌块堆高值及心轨降低值设计

车轮通过辙叉由翼轨滚向心轨时，车轮逐渐离开翼轨，因车轮踏面为一椎体，致使车轮下降。当车轮滚上心轨后，车轮又逐渐恢复到原水平面，方向运行也相同，车轮通过辙叉必须克服这种垂直几何不平顺，引起车体的振动和摇摆。当车轮或辙叉磨耗时，更加剧这种状况，对行车极为不利。为了避免列车过岔的这种垂直几何不平顺，需考虑加强型嵌块的轨顶堆高及心轨降低值。

列车顺向出叉，辙叉趾端由于有害空间的存在，车轮由心轨过渡至翼轨，翼轨冲击较大，辙叉跟端由于心轨存在堆高，车轮由叉跟尖轨过渡到心轨跟端，对心轨跟端存在冲击，反之列车逆向进叉，辙叉趾端车轮由翼轨过渡至心轨，心轨冲击较大，辙叉跟端车轮由心轨过渡到叉跟尖轨。

为了降低列车顺向出叉对翼轨及心轨跟端的冲击和逆向进叉对心轨及叉跟尖轨的冲击，对翼轨堆高、心轨降低值及心轨跟端堆高值进行优化设计。

传统固定型辙叉设计中常用LM型车轮踏面设计钢轨翼轨抬高及心轨的降低值，从固定型辙叉使用情况看，翼轨和心轨垂磨耗不同步，钢轨翼轨的垂直磨耗大于心轨磨耗[8]，

为了使翼轨加强型嵌块与心轨的同步磨耗，心轨降低值采用LMA磨耗型车轮踏面设计。

4.6无缝线路辙叉结构设计

为避免现有组合辙叉在应用于无缝线路时，叉跟尖轨尖端与心轨贴合部位出现的离缝现象，在结构设计时采用“锁扣”与“楔形”贴合方式进行防拉开处理。

防拉开锁扣：在距叉跟尖轨320mm范围处将叉跟尖轨非工作边向辙叉中心线外侧内错，衔接处采用圆弧A+圆弧B进行错位连接，形成锁扣自锁结构，防止叉跟尖轨与心轨产生相对位移，如图4所示。

图4 叉跟尖轨与心轨锁扣设计

防拉开楔形结构：叉跟尖轨下上颚与心轨楔形接触，通过公差配合，采用M27高强螺栓进行紧固，通过高强螺栓的预紧力，使得叉跟尖轨与心轨始终处于接触状态，通过增加叉跟尖轨与心轨之间的摩擦力，抵抗线路温度变化的温度力，如图5所示。

图5 叉跟尖轨与心轨楔形结构设计

6结语

随着重载铁路的发展，为了适应万吨大列和两万吨大列的常态化运行和线路无缝化的需求，针对重载铁路辙叉心轨、翼轨疲劳裂纹、剥落掉块等常见病害，研发设计了一种适合重载加强型翼轨辙叉，该辙叉结构有如下特点：

（1）翼轨加强型嵌块与心轨之间设置凹凸台结构，使得更换、装配加强型嵌块更加便捷；翼轨与心轨之间设置定位间隔铁，实现更换心轨时与翼轨之间的定位；加强型嵌块设置轨顶堆高，取消传统翼轨的上下顶弯，考虑车轮实际磨耗情况，对心轨降低值进行优化，使得辙叉轨顶承载力均匀匹配，形成良好的轮轨关系，降低轮载过渡带来的冲击，从而提高辙叉使用寿命。

（2）为避免现有组合辙叉在应用于无缝线路时，叉跟尖轨尖端与心轨贴合部位出现的离缝现象，在结构设计时采用“锁扣”与“楔形”贴合的防拉开结构。

这种结构可以推广形成不同轨型、不同型号的辙叉产品，具有较高的推广价值。

基金项目：中国中铁股份有限公司科技研发开发计划，合同编号：2021-重点-38

参考文献

[1] 高良英．日本综合运输政策与管理体制研究[D]. 北京：北京交通大学，2009．

[2] Luis F Alarcon，Rodrigo Calderon. Implementing Lean ProductionStrategies in Construction Companies }A}，Proceeding of the Con-struction Research  Congress [C]. EBSCO，2003：1-8.

[1] 池君惠．大轴重重载铁路最大坡度研究［D］．成都，西南交通大学，2017.

[2] 王树国．重载铁路道岔合金钢组合辙叉的现状及发展［J］．中国铁路，2021（07）：8-14.

[3] 葛晶，王树国，王猛．重载线路固定型合金钢组合辙叉受力研究［J］．铁道建筑，2013（04）：117-120.

[4] 张福成.铁路辙叉用贝氏体钢研究进展［J］.燕山大学学报，2013(1):5-11.

[5] 林云蕾，周清跃.辙叉用贝氏体钢的研究进展［J］.铁道建筑，2018，58(10):1-4，9.

[6] 徐庆振.贝氏体钢轨热处理工艺优化及其强韧机理的研究［D］.北京：北京交通大学，2019.

[7] 付淑娟.合金钢组合辙叉接触应力及其影响因素分析［D］.成都：西南交通大学，2008.

[8] 铁道第三设计院.道岔设计手册［M］.北京：人民铁道出版社，1975.

[9] 国家铁路局.合金钢组合辙叉：TB/T3467-2016［S］.北京：中国铁道出版社，2016.

[10] 李培刚，王平，刘学毅.重载铁路嵌入式组合高锰钢辙叉强度分析研究［J］.铁道标准设计，2012，56(2):1-3.

[11] 林芷青，张福成，马华.锻焊和形变热处理对铸造高锰钢辙叉耐磨性的影响［J］.金属热处理，2021，46(08):92-98.