27 t及以上轴重系列重载道岔转换设备研究

黄天新 薛家兵

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

根据国际重载运输协会标准，重载铁路是指满足列车牵引质量8 000 t及以上、轴重为27 t及以上、在至少150 km线路区段上年运量大于4 000万t三项条件中两项的铁路。重载铁路正线使用的道岔即为重载道岔，由于重载铁路具有列车轴重、牵引质量和运量较大的特点，在道岔强度、稳定性和零部件的使用寿命3个方面对重载道岔提出了更高要求。从2011年起，原铁道部和铁路总公司陆续立项研制27 t、30 t轴重[1-2]系列重载道岔，分别适用于有砟轨道的27 t轴重60 kg/m钢轨12号、75 kg/m钢轨12号、60 kg/m钢轨18号、75 kg/m钢轨18号固定型辙叉单开道岔，以及30 t轴重60 kg/m钢轨12号、75 kg/m钢轨12号、60 kg/m钢轨18号、75 kg/m钢轨18号固定型辙叉单开道岔共8个道岔产品。道岔转换设备作为重要的基础设备，其作用是转换、锁闭道岔，并对其位置进行表示检查[3]。道岔与转换设备密不可分，相辅相成。随着27 t及以上轴重系列重载道岔的研制，对道岔转换设备也提出了更高要求，因此开展了针对27 t及以上轴重系列重载道岔转换设备的研究。

2 重载道岔转换设备组成及改进

道岔转换设备[4]包括转辙机（转换锁闭器）、外锁闭装置、密贴检查器及安装装置等。对重载道岔，其转换设备与其他道岔并无不同，为满足重载铁路运输对转换设备高安全、高可靠、少维护、无维修的需求[5]，重载转换设备的牵引锁闭方式采用了我国铁路常用的多点多机牵引方式和尖轨分动外锁闭方式。

转辙机是道岔转换设备的执行机构[6]。由于重载道岔采用弹性可弯60AT尖轨技术标准，根据道岔转换阻力设计参数，可选用电液转辙机和电动转辙机牵引。

外锁闭装置是实现尖轨或心轨锁闭的机械装置。我国铁路道岔外锁闭装置早期采用联动燕尾式外锁闭[7]，后来结合我国道岔的结构和使用特点改进为钩型外锁闭装置，在高速道岔研制中又对其进行结构优化形成了高速道岔外锁闭装置。在重载道岔转换设备研制中，结合重载道岔的特点，对高速道岔外锁闭装置进行了适应性改进，形成重载道岔外锁闭装置如图1所示。

重载道岔外锁闭装置其组成和结构在高速道岔外锁闭装置基础上从以下几个方面进行了适应性改进。

1）增加锁钩强度。在重载运营条件下，为改善重载锁钩受力情况，加宽锁钩宽度；为降低重载铁路的振动和冲击对外锁零件磨耗的影响，提高外锁闭使用寿命，锁钩和锁闭铁材料选择耐磨性更好的42CrMo替代45钢。

2）提高适应尖轨伸缩能力。将原来的铜套结构改为关节轴承结构，如图2所示。当尖轨因热胀冷缩或重载过车碾压而产生伸缩效应时，利用关节轴承的自适应性调整特性，可提高外锁闭对尖轨伸缩的适应能力，降低因尖轨伸缩而产生的卡阻故障。

3）提高锁闭框适应基本轨窜动能力。锁闭框是安装锁闭杆的基础，为保证转换顺畅，必须首要保证锁闭杆方正、不歪斜。锁闭框安装在直基本轨和曲基本轨上，由于钢轨爬行或铺设原因，当两基本轨上的安装孔不对中且偏移过大时，将导致两锁闭框偏移从而影响锁闭杆方正。增加锁闭框安装长圆孔的尺寸，有利于增加锁闭框调节范围以保证锁闭杆方正及转换顺畅。本研究增加了图中长圆孔尺寸，如图3所示，使调整范围从±10 mm增加到±20 mm，提高适应基本轨窜动能力，满足了现场需求。

4）提高锁闭杆零件互换性及绝缘性能。一方面采用模块化设计理念将锁闭杆凸台部分标准化，再通过不同的连接杆长度使锁闭杆组件适应不同的牵引点尺寸，从而减少锁闭杆零件种类，提高零件互换性；另一方面，连接处采用斜槽结构如图4所示，从结构方面保证锁闭杆组件整体平直，提高外锁闭装置的转换可靠性；在连接杆和锁闭杆连接处采用包裹式绝缘结构，如图5所示，可增加锁闭杆与连接杆间的最短绝缘距离，提高锁闭杆绝缘性能。

密贴检查器用于检查尖轨的密贴状态，安装于道岔尖轨密贴段两牵引点间。在密贴检查处，当尖轨与基本轨间的间隙大于等于规定标准值时，不得接通道岔表示。按照重载道岔设计时速的要求，27 t轴重60-12、60-18号道岔牵引点间设置密贴检查器，因中间安装方式与扣件系统间隙较小、调整不便，容易干涉，故采用两侧安装方式，同时考虑到重载道岔振动和横向冲击作用较强，在岔枕两侧采用三孔安装方式如图6所示。

安装装置是把转换设备与道岔连接起来的环节，是支撑和固定转辙机（转换锁闭器）、密贴检查器的安装基础及连接杆件的统称。根据多年应用经验，重载线路列车经过道岔时对转换设备的振动和冲击都较大，因此重载道岔转辙机采用对振动和冲击适应性较强的弯板安装方式，如图7所示。

3 重载道岔转换设备测试及仿真分析

在山西中南部通道壶关站对4组重载试验道岔（2组75-12道岔，2组75-18道岔）直向通过5 000 t编组列车（运行速度60、70、80、90、100、110 km/h）、8 000 t编组列车（运行速度60、70、80、90、100 km/h）、12 000 t编组列车（运行速度60、70、80、90、100 km/h）和侧向通过12 000 t编组列车（速度级为：75-12号道岔侧向速度级 35、40、45、50 km/h；75-18号道岔侧向速度级60、70、80、90 km/h）时进行道岔转换设备动态性能测试，传感器布置如图8、9所示。

测试结果显示：销轴、锁钩应力随速度的提升呈现递增趋势，其中8 000 t编组列车100 km/h直向过车时，锁钩传感器位置应力值最大，为62.1 Mpa；12 000 t编组列车60 km/h直向过车时，销轴传感器位置应力值最大，为67.7 MPa。

为了解测试状态所测部件的最大应力水平，对锁钩和销轴的受力情况进行有限元建模仿真如图10所示。从图中可以看出：锁钩对应现场测试位置处的仿真应力值为61～82 MPa时，尖轨锁钩最大仿真应力值为165～185 MPa；销轴对应现场测试位置处仿真应力值为60～75 MPa时，销轴最大受力位置仿真应力值为120～135 MPa。重载道岔锁钩材料为42CrMo，销轴材料为40Cr，两者的强度极限均远大于所测算的应力最大值。通过现场测试与仿真分析，锁钩和销轴材料强度满足重载使用要求。

4 结语

自2011年开始，重载道岔转换设备与27 t、30 t轴重重载系列道岔的研制同步开展，不断完善，到目前为止，已在大秦线、山西中南部通道、朔黄线、北同蒲线等多条重载线路中运用。重载道岔转换设备采用成熟、可靠、先进的技术，保证了道岔转换设备性能优良，可靠性高，在转换、锁闭和可靠表示方面都能够很好的满足重载使用要求，在强度方面也有足够的安全余量，并进行了动力学测试和仿真分析，结果表明重载转换设备能够满足运营列车安全、平稳运行的要求。但对27 t及以上轴重系列重载道岔转换设备，因上道时间不长，磨耗方面积累的数据较少，还需从磨耗方面作进一步研究，跟踪27 t及以上轴重系列重载道岔的转换设备使用情况，掌握重载道岔转换设备磨耗规律，为重载道岔转换设备维护提供依据。