重载条件下60 kg/m钢轨12号单开道岔的改造与应用

高杰卿,潘 振

(1.中国铁道科学研究院,北京 100081；2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所,北京 100081)

随着经济发展与科技进步,铁路既有线提速与重载技术取得了长足发展,我国大秦铁路开行了2万t重载列车,京沪、京广、京哈等多条线路陆续开行了 5 000 t 列车、轴重25 t双层集装箱列车等[1]。呼和局管内京包线大包段、包兰线包惠段、集二线集贲段等通过改造也开行了轴重25 t C80货运列车,特别是京包线大包段属于运输咽喉通道,万吨列车加密开行,运输增量突飞猛进,年运量达到2亿t左右。

2002年呼和局管内线路大量使用60 kg/m钢轨12号SC330单开道岔,其中京包线大包段铺设了700余组,呼和工务段管内K583+000—K760+000铺设了41组[2]。然而,伴随着速度与轴重的提高,重载运输径路上的道岔在运营期间出现了诸多病害,如辙叉翼轨垂直磨耗、尖轨顶铁不密贴、尖轨掉块、混凝土岔枕螺栓折断、混凝土岔枕套管失效、直向护轨磨耗、弹性轨撑松动、胶垫歪斜、Ⅲ型弹条破损失效等。尤其是当列车通过60 kg /m钢轨12号单开道岔时,轨距扩张引起的晃车现象严重,道岔病害也不断增多[3]。设备管理单位投入大量人力、物力对病害进行反复整治,但传统的整治Ⅲ型弹性轨撑的方式不能保证道岔的持续稳定。针对这种状况,对60 kg /m钢轨12号SC330单开道岔零部件进行技术改造。

1 道岔病害原因分析

60 kg/m钢轨12号SC330单开道岔的弹条Ⅲ型扣件是无螺栓无挡肩扣件,由Ⅲ型弹条、轨撑扣板、轨撑等零部件共同组成。弹条Ⅲ型扣件取消了混凝土枕挡肩与螺栓,以弹条扣压钢轨,利用铸造挡肩保持轨距、承受横向力,以尼龙挡块作为绝缘部件并调整轨距,通过轨撑扣板来下压轨底、上顶轨颚,迫使轨撑与轨腹抵靠紧密,防止轨距扩张和基本轨侧倾[4]。但弹条Ⅲ型扣件在重载条件下通常不能提供足够的弹性扣压力,有时甚至失效,引起基本轨纵横向位移、轨向变化、轨距扩张等问题。针对引起这些病害的原因进行调查分析。

1.1 弹条Ⅲ型扣件与道岔匹配关系

Ⅲ型弹性轨撑外形尺寸与道岔匹配不良,轨撑与轨腰之间、轨撑与滑床板上Ⅲ型弹条基座之间存在较大缝隙,在列车的动力冲击作用下,轨距、轨向发生变化,Ⅲ型弹条与轨撑扣板、弹条基座之间产生摩擦而导致部件磨耗,联结零件松动,弹性扣压力逐渐衰减,从而引起严重的岔区晃车现象[5]。

1.2 弹条Ⅲ型扣件结构特性

弹条Ⅲ型扣件为无螺栓无挡肩扣件,无螺栓弹条来施压调整其扣压力,仅由自身弹性来保证足够大的扣压力。在日常维修中Ⅲ型弹条会由于反复拆装作业而产生永久塑性变形,导致扣压力逐渐减弱,有时甚至会丧失扣压力。在重载条件下,弹条受力情况和工作条件更为复杂严峻,因此需要经常更换新的Ⅲ型弹条来确保扣压效果。

1.3 纵向约束分析

Ⅲ型弹性轨撑依靠自身与钢轨间的摩擦力约束纵向位移,但由于轨撑的抗滑移阻力不足,导致无缝线路岔区前后基本轨易爬行串动。岔区弹条、轨撑与钢轨间的反复摩擦易造成轨撑偏移,弹条松动脱落,扣压力丧失,从而加剧了道岔病害的产生。

1.4 动力作用影响

道岔转辙部分在列车的动力冲击作用下易形成轨道高低和方向不良,加剧线路爬行,恶化弹条Ⅲ型扣件零部件的磨损和松动情况,从而导致扣压力逐渐衰减。

2 道岔病害整治措施及方法

2.1 60 kg/m钢轨12号SC330单开道岔部件的改造

为解决弹条Ⅲ型扣件各部件的外形尺寸与道岔不匹配、自身弹性扣压结构缺陷、抗滑移阻力不足需用铁丝绑固等问题,采用弹条Ⅱ型扣件系统代替弹条Ⅲ型扣件系统。弹条Ⅱ型扣件设计参数为：单个弹条扣压力不小于10 kN,弹程不小于10 mm,组装扣件承受横向疲劳荷载7×104kN,适应荷载循环200万次。弹条Ⅱ型扣件扣压力大,强度安全储备大,残余变形小,适合重载运输条件[6]。因此使用通用Ⅱ型螺栓弹条、支距扣板、调整楔、轨撑等部件代替原有弹条Ⅲ型紧固扣件(见图1)。但由于弹条Ⅱ型扣件与弹条Ⅲ型扣件在结构、形状上有很大区别,不可直接安装在原有的滑床板或垫板上,所以需要根据弹条Ⅲ型扣件的布置位置和尺寸,对转辙器的滑床板、转辙器的辙后垫板、辙叉的两端垫板3部分进行改造[7-8]。

图1 转辙器、辙叉部位Ⅲ型改造Ⅱ型

2.1.1 转辙器滑床板部位改造

根据弹条Ⅲ型扣件的布置位置,在确保轨距、钢轨中心线、孔距、偏心距等不变的情况下,对转辙器滑床板部位结构形式进行设计改造。图2为转辙器滑床板部位Ⅲ型改造Ⅱ型前后对比。

图2 转辙器滑床板部位Ⅲ型改造Ⅱ型前后对比

图3为改造后的Ⅱ型转辙器滑床板设计图(按部颁标准设计)。本图按右开道岔设计,左开时按本图对称制造。其中底板材料采用Q235；结构形式由弹条Ⅲ型扣件无螺栓无挡肩滑床板改为Ⅱ型K形铁座(41)螺栓滑床板；外部结构尺寸按Ⅲ型对应滑床板的长、宽、厚及孔距、偏心距设计；K形铁座部位尺寸按Ⅱ型通用尺寸设计；垫板在图示位置打印“A(偏心距)、序号及左右开”标记；底板质量为20.3 kg,总质量为31.1 kg。根据此设计图依次对5#,6#直股滑床板,5#,6#曲股滑床板,7#,8#,9#,11#,13#,15#,16#轨撑滑床板,34#轨撑垫板进行改造,并按照表1数量明细进行更换安装。

图3 改造后的Ⅱ型转辙器滑床板设计图(单位：mm)

序号零件图号 零件名称每组数量1SC330-106-15#,6#直股滑床板22SC330-106-35#曲股滑床板13SC330-107-16#曲股滑床板14SC330-1087#轨撑滑床板25SC330-1098#轨撑滑床板16SC330-1109#轨撑滑床板60-077SC330-11011#轨撑滑床板60-338SC330-11213#轨撑滑床板19SC330-11015#轨撑滑床板60-6210SC330-11016#轨撑滑床板60-9211SC330-11834#轨撑垫板212SC350-140轨撑60AX2413SC350-141调整楔2414专线4232-4T型螺栓M24×802415NS-01(b)-c螺母M242416NS-07限位板M242417专线3351Ⅱ型弹条24

2.1.2 转辙器辙后垫板部位改造

根据弹条Ⅲ型扣件的布置位置,在确保轨距、钢轨中心线、孔距、偏心距等不变的情况下,对转辙器辙后垫板部位结构形式进行设计改造。图4为转辙器辙后垫板Ⅲ型改造Ⅱ型前后对比。其中Ⅱ型底板材料采用Q235；结构形式由弹条Ⅲ型扣件无螺栓无挡肩垫板改为Ⅱ型铁座(41)螺栓垫板；外部结构尺寸按Ⅲ型对应辙后垫板的长、宽、厚及孔距设计；铁座(41)部位尺寸按Ⅱ型通用尺寸设计；垫板上打印“A(偏心距)、12、转、垫板序号及左右开”标记。根据转辙器辙后垫板位置依次对19#,20#,21#,22#,30#辙后垫板进行设计改造,并按照表2数量明细进行更换安装。

图4 转辙器辙后垫板部位Ⅲ型改造Ⅱ型前后对比

序号零件图号 零件名称每组数量1SC330-11419#辙后垫板12SC330-11520#辙后垫板23SC330-11521#辙后垫板24SC330-11522#辙后垫板25SC330-12030#辙后垫板16专线4232-18B支距扣板60/100-104(20#垫板用)27专线4232-18B支距扣板60/122-126(21#垫板用)28专线4232-18B支距扣板60/146-150(22#垫板用)29专线4232-4T型螺栓M24×90(支距扣板用)610专线4232-4T型螺栓M24×65(19#、30#垫板用)211NS-01(b)-c螺母M24812NS-07限位板M24813专线3351Ⅱ型弹条814专线4232-10A接头轨距块9-11(19#,30#垫板用)2

2.1.3 辙叉两端垫板部位改造

根据弹条Ⅲ型扣件的布置位置,在确保轨距、钢轨中心线、孔距、偏心距等不变的情况下,对转辙器辙叉两端垫板部位结构形式进行设计改造。图5为辙叉两端垫板Ⅲ型改造Ⅱ型前后对比。其中Ⅱ型底板材料采用Q235；结构形式由弹条Ⅲ型扣件无螺栓无挡肩垫板改为K形铁座(33)螺栓垫板；外部结构尺寸按Ⅲ型对应辙叉两端垫板的长、宽、厚及孔距设计；K形铁座(33)部位尺寸按Ⅱ型通用尺寸设计。根据转辙器辙叉两端垫板位置依次对8#叉前垫板、11#叉后垫板进行设计改造,并按照表3数量明细进行更换安装。

图5 辙叉两端垫板部位Ⅲ型改造Ⅱ型前后对比

序号零件图号 零件名称每组数量1SC330-2078#叉前垫板12SC330-20711#叉后垫板13专线4232-18支距扣板60/132-124(8#垫板用)14专线4232-18支距扣板60/125-116(11#垫板用)15专线4232-4T型螺栓M24×90(支距扣板用)26NS-01(b)-c螺母M2427NS-07限位板M2428专线3351Ⅱ型弹条2

2.2 60 kg/m钢轨12号SC330单开道岔整治步骤

2012年,呼和工务段组织召开道岔病害整治专题会议,并对管内白塔站29#道岔进行改造应用,采用改造后的铁垫板、通用Ⅱ型弹条、轨撑、扣板等部件替换60 kg/m钢轨12号SC330道岔上的Ⅲ型弹条、轨撑、扣板等部件。具体整治步骤如下[9]：① 方枕；② 更换轨撑垫板、轨撑滑床板、辙后垫板、叉前垫板、叉后垫板；③ 更换大螺钉；④ 更换配轨；⑤ 安装Ⅱ型弹条、轨撑、支距扣板等；⑥ 检测轨距、水平、轨向等几何尺寸；⑦ 质量达标,开通线路,放行列车。

3 整治效果

对白塔站29#道岔进行现场改造与应用,并进行了为期1年的观测,效果十分显著；随后于2014年对呼和工务段管内41组道岔全部进行了改造,并对道岔整治前后的使用情况进行了详细比对。实践结果表明：60 kg/m钢轨12号SC330单开道岔未改造整治之前,平均每3～5 d紧固Ⅲ型弹条1次,由于弹条自身弹性较大,拆装十分困难,每次作业至少需要5人,作业次数频繁,使用工具多,作业量大；而使用Ⅱ型弹性轨撑改造整治后,从现场实际使用情况来看,平均每半月紧固弹条1次,仅用活口扳手或电动扳手便可拆装,每次作业3人便可完成,作业次数减少,工作效率提高,线路静态检查设备优良率达到100%,动态检查设备优良率达到99.86%[10]。并可达到如下整治效果：

1)轨距可控制在±1 mm,高低、水平、轨向、三角坑为2 mm。

2)轨下垫一块大胶垫,实现无垫片,并且无歪斜、破损及串动等情况。

3)尼龙挡块无位置偏斜、裂损及失效情况。

4)弹条位置正确,轨距挡板无歪斜,且无断裂、破损及失效现象。

5)接头螺栓扭力全部达标,扣件系统密贴、紧固。

6)轨枕间距方正,轨枕无偏斜、破损及失效情况。

4 结语

60 kg/m钢轨12号SC330单开道岔改造后,基本轨纵横向位移及轨向、轨距变化得到有效控制,从根本上消除了病害。道岔结构保持稳定,几何尺寸达标,联结零件未出现松动,尤其是道岔转辙器部位的弹性轨撑处于达标状态,减少了养护维修工作量,提高了作业效率及设备质量。2014至2016年,呼和局又组织集宁、包头、乌海工务段对管内60 kg/m钢轨12号SC330单开道岔进行改造,效果非常显著,建议全面推广。

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[6]孙国瑛.沈善良.铁路工务[M].成都:西南交通大学出版社,2001.

[7]崔波.王华强.铁路轨道工程施工安全交底[M].北京:中国铁道出版社,2014.

[8]《常用道岔主要参数手册》编写组.常用道岔主要参数手册[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[9]秦飞.图解铁路轨道铺设安全[M].北京:中国铁道出版社,2013.

[10]中华人民共和国铁道部.铁运[2006]146号 铁路线路修理规则[S].北京:中国铁道出版社,2006.