时速200 km 明桥面钢轨伸缩调节器的研制

冯毅

桥用钢轨伸缩调节器(以下简称伸缩器)是大跨度钢梁及铺设无缝线路的高圬工桥上不可缺少的轨道设备，为适应超长无缝线路的铺设要求，用来调节因温度变化、动载等因素作用所引起的钢轨伸缩。南京长江大桥为公铁两用钢桁梁结构桥，按该桥的结构形式(3孔×160 m连续钢桁梁，1孔128 m简支钢桁梁)，于1990年5月～7月间共铺设了8组钢轨伸缩调节器，解决了“卡脖子”设备。该伸缩器设计年代早，经过冬去夏来的严寒酷暑，经过上亿吨动量的检验，运行平稳，伸缩正常，证明已达到了设计的主要性能。但在使用过程中，出现了尖轨爬行、尖轨及基本轨伤损等缺陷，截止2005年最高运行速度为120 km/h。随着国民经济的发展，原有伸缩调节器已不能适应铁路跨越式发展的需要，使列车行车速度与轴重受限，研制新型伸缩器势在必行。

1 研制背景及现有伸缩器的病害分析

南京长江大桥铁路桥线路繁忙，通过运量大，属咽喉要道，为提高其通过速度，研制提速客车以200 km/h的速度、25 t轴重提速货车以120 km/h的速度通过该伸缩器。中铁宝桥集团公司受上海铁路局委托，于2005年5月下旬到上海铁路局、南京长江大桥引桥及明桥使用的伸缩器进行了现场调研，既有伸缩器存在以下问题:1)尖轨存在不同程度的纵向爬行，这主要是由于钢桁梁桥在温差变化下发生纵向位移，在超长无缝线路中钢轨温度力需要释放的前提下，基本轨相对尖轨的伸缩对尖轨施加较大的纵向力所引起的。若尖轨防爬措施不力、养护不及时，则易出现尖轨跟端处轨距扩张，轨距千分顶达不到要求且不易调整的问题。2)原伸缩器尖轨跟端压型段运行半年时间内，即产生大于0.5 mm的“马鞍型磨耗”，按维修验收标准已属超限。3)原伸缩器尖轨尖端部分有不均匀侧磨，个别地方存在蚕豆、黄豆大小不同程度的掉块，有一处铺设位置在距尖端700 mm处有轧伤掉块现象，轧伤长110 mm，最深处4 mm。这主要是由伸缩调节器的结构特点及高速大轴重的运行条件引起的。伸缩器的设计，既应保证尖轨位置固定，又要使基本轨在伸缩过程中与尖轨的摩擦阻力达到最小，在达到该性能要求的前提下，尖轨尖端处易出现一菱形有害空间，在较高速度、大轴重运行条件下，尖轨尖端处易出现不均匀磨耗。4)基本轨伸缩端1 m～2 m范围内有剥落掉块现象。由于基本轨尖轨组件安装在有1∶40斜度的整体大垫板上，基本轨的伸缩不可能在一个水平面上完成，另一方面，在基本轨该范围内，车轮已完全爬上尖轨，因此在磨耗型车轮作用的情况下，顺向过车的磨耗型车轮将对基本轨末端造成一定程度的冲击。

2 研制内容

分析以上既有伸缩器出现的病害原因及高速、大轴重的技术要求，新型伸缩器在设计研制过程中，有针对性地采取了以下方案及措施。

2.1 平面线型设计

伸缩调节量为±500 mm，轨头刨切采用复合曲线，从1 mm断面至5 mm断面为正弦型曲线，5 mm断面至71 mm断面为二次曲线。一方面保证了尖轨的粗壮度，另一方面相对于圆曲线型尖轨线型而言，在较短范围内减少了因基本轨相对于尖轨在伸缩过程中由于挠曲变形形成的伸缩阻力，见图1。

2.2 结构设计

1)尖轨采用60AT轨设计，基本轨采用与既有线路相同的60标准轨。

2)为解决基本轨伸缩端1 m～2 m范围内剥落掉块现象，基本轨自尖轨20 mm断面起到伸缩端作轨顶面1∶3斜度刨切，同时伸缩端作300 mm范围内加工12 mm垂直刨切。

3)针对无碴明桥面木桥枕的铺设条件，为加强尖轨基本轨的整体性及稳定性，在尖轨基本轨组件下设置整体大垫板，尖轨与基本轨采用与桥面轨道相同的轨顶坡。轨顶坡由大垫板上设置相应斜坡来实现。由于大垫板上焊件较多，考虑到加工工艺的可行性，大底板设置为铰接分开式。尖轨跟端设置铰接轨撑，通过轨撑联结尖轨与大底板为一体，以消除尖轨的纵向爬行。两块大垫板接头采用高强螺栓摩擦副连接成伸缩器尖轨范围内的整体式轨下垫板，大底板接头处剖面结构如图2所示。

4)在尖轨尖端前岔枕处，基本轨开始被轨撑导向弯折，此处岔枕间距及轨距易随基本轨伸缩发生变化，为保证尖轨尖端处的密贴，大垫板上尖轨前端处设置两块导向轨撑，另一方面，基本轨不设置预弯，以消除伸缩器尖轨尖端处菱形有害空间。

5)在基本轨侧设置减摩导向轨撑，装配后的结构如图3所示，减摩导向轨撑如图4所示。

该结构的优点是:a.垂直钢轨方向设置两个螺栓扣压，防止基本轨伸缩过程中产生的横向力对轨撑造成侧倾而形成轨撑失效。b.轨撑与基本轨采用圆弧面接触，减小了摩擦阻力。

6)配合减摩导向轨撑，在无轨撑扣压侧采用Ⅱ型弹条扣件进行弹性扣压，轨距块设置为减摩轨距块，结构如图5所示。

3 钢轨伸缩调节器在桥上无缝线路中的应用适应性

1)伸缩器尖轨不宜位于桥梁伸缩轨缝之上，因该处为桥梁刚度变化及沉降变化较剧烈处，与列车在伸缩器上的振动叠加之后，宜造成尖轨的伤损加剧。2)伸缩器基本轨一端(即伸缩端)宜布置100 m～200 m小阻力扣件，因伸缩器基本轨端阻力较小，一般只有50 kN左右，钢轨的伸缩位移较大，若扣件阻力大于道床阻力，则钢轨将带动桥枕发生较大的纵向位移，宜造成道床破坏，影响轨道平顺性。3)在有条件的情况下，尽量采用双向伸缩器，因为两组单向伸缩调节器成尾部对向布置时，尖轨所受纵向力较小，因而伸缩位移较小，不会造成伸缩调节器的几何形位大的变化。

4 结语

60 kg/m钢轨±500mm钢轨伸缩调节器自2005年10月起铺设于南京长江大桥、淮河大桥明桥面后，至2008年5月、2010年10月两次铺设现场调研，仍正常使用，根据工务部门信息反馈，完全可以达到预期设计的提速客车以200 km/h的速度、25 t轴重提速货车以120 km/h的速度通过的技术要求，设计成功，效果理想。