高原气候环境下60 kg/m钢轨12号单开道岔的设计研究

孙永宁 雷 洁 魏征孔

(1.中国铁路青藏集团有限公司，青海 西宁 810000；2.中铁宝桥集团有限公司，陕西 宝鸡 721000；3.中国铁路青藏集团有限公司格尔木工务段，青海 格尔木 816000)

1 概述

青藏铁路全线较多区域年平均气温在0 ℃以下，气温低,且日差较大。温差是造成无缝线路钢轨温度力的主要因素，因此青藏铁路所处的复杂气候环境，对道岔扣件系统、结构关键部件用于跨区间无缝线路技术的适应性提出了严峻挑战。此外，青藏铁路途经多处环境恶劣地带甚至无人区，尤其是严寒缺氧所造成的人机工作效率下降，这对高原气候环境下减少道岔养护维修量及提供道岔关键部件的长期服役性能提出了更高的要求。

目前，青藏铁路线路站线92改进型60 kg/m钢轨12号单开道岔铺设组数较多。该类型道岔为铁路提速时代的典型道岔产品，自研制至今已有近20年，随着铁路运营能力的提升，该道岔的一些结构已不能完全满足铁路运营的需要。尤其是对于温差范围比较大的地区，该道岔的一些病害造成工务部门养护维修工作量较大。

近年来随着工联岔、客专及重载道岔的发展，铁路线路在营运速度、营运总量上有了长足的发展，我国道岔设计水平也有了质的飞跃，大量新技术、新结构及新材料被运用在道岔上，提高了道岔的整体设计水平。因此，有必要汲取先进道岔设计理念，设计出新型道岔，满足高原特殊气候环境运营需要。

2017年3月，青藏集团公司工务部联合中铁宝桥集团有限公司，合作立项《复杂气候环境下60 kg/m钢轨12号单开道岔优化改进设计》。旨在满足与专线4249道岔互换的基础上，开发出满足青藏铁路特有复杂气候的新型道岔,以达到以下目的:

1)有效的提高道岔关键部件使用寿命。

2)减少道岔养护维修工作量。

3)满足复杂气候环境下道岔无缝化适应性要求。

2 道岔设计

《复杂气候环境下60 kg/m钢轨12号单开道岔》的设计以既有成熟道岔产品为综合技术平台，坚持“成熟、可靠、先进”原则。

2.1 道岔延长使用寿命设计

2.1.1道岔线型

道岔全长、前长、后长及q值均与专线4249道岔相同，适用于青藏铁路直向速度不大于160 km/h的区段，见图1。

尖轨采用相离型半切线线型，尖轨采用半直半曲设计，相对专线4249道岔，将尖轨切点位置后移，提高曲线尖轨粗壮度。在我国重载道岔及部分地铁道岔中，该技术得到广泛的应用。经过多年的运营实践证明，该技术对提高尖轨的使用寿命有显著的效果。

2.1.2基本轨、尖轨结构

列车逆向进岔通过道岔侧股时，由于惯性力及离心力作用，对曲线尖轨磨耗较为严重。为提高曲线尖轨的使用寿命，在直基本轨与曲线尖轨密贴范围内，对基本轨工作边进行3 mm水平刨切，见图2。

新型道岔与专线4249道岔尖轨宽度对照如表1所示。

表1 曲线尖轨轨头宽度对照

2.1.3辙叉结构

辙叉采用组合式高锰钢叉心结构，趾、跟端长度与专线4249道岔辙叉参数一致，可满足整组辙叉互换要求。

该型式辙叉由2根翼轨、不对称式高锰钢整铸叉心及长、短叉跟轨通过高强螺栓拼装而成，可适用于无缝线路的焊接要求，且进一步增强辙叉满足无缝化线路，抵御温度力的能力。

2.2 道岔减少养护维修工作量设计

2.2.1无销钉弹片式结构滑床板及护轨垫板

滑床板及护轨垫板均采用无销钉弹片式结构， 该弹片式结构自2007年以来大面积应用在工联岔系列时速200 km道岔中，较销钉弹片式滑床板故障率低，提高列车过岔的安全性，方便线路养护维修，应用效果良好，见图3。

2.2.2扣件系统设计

采用加强型Ⅱ型弹条，该弹条较普通Ⅱ型弹条，直径增加了2 mm，单个弹条扣压力不小于12 kN。相对普通弹条Ⅱ型扣件，扣压力增加，可增强道岔的稳定性，抗衡温度力。

2.2.3热固性弹性体垫层

弹性垫层采用热固性聚酯弹性体，该材料通过改变分子链技术，较热塑性材料成品模量发生变化，在超低温和超高温的区间里，材料的刚度变化值较小。

2.2.4岔枕螺栓机构

岔枕螺栓采用研线0405通用Ⅲ型岔枕螺栓及配套缓冲套、垫圈等，在岔枕螺栓塑料套管外增设预埋不锈钢套管。塑料套管顶部带有四个凹槽，用专用工具就可将其从不锈钢套管中旋出或旋入。

岔枕螺栓采用研线0405通用Ⅲ型岔枕螺栓及配套缓冲套、垫圈等，在岔枕螺栓塑料套管外增设有预埋不锈钢套管。当塑料套管失效时，可方便更换，避免了对更换预埋塑料套管甚至报废岔枕，见图4。

2.3 无缝线路设计

2.3.1防爬轨撑设计

专线4249道岔基本轨外侧为普通Ⅱ型弹条扣压，本次设计为抵御轨件因温度力引起的纵向爬行，防止基本轨外倾，基本轨外侧间隔设置防爬轨撑，见图5。

该通过横向螺栓与钢轨相连，两侧限位于道岔垫板，形成岔枕、垫板、钢轨一体机构，确保了道岔的稳定性。

2.3.2防爬轨撑仿真计算

为了确保验证防爬轨撑应用于无缝线路的适应性，对防爬轨撑进行了建模分析。按照轨温变化幅度为55 ℃时，基本轨最大温度力为1 300 kN，最大位移为2.7 mm，且都出现在辙跟附近。对辙跟限位器结构基本轨最大温度力与轨温变化幅度关系的拟合，本文计算基本轨温度力取1 135 kN(48.5×23.4)，模型施加的温度力取200 kN计算。

采用20节点Solid186单元，材料弹性模量E=2.1E11Pa；泊松比ν=0.3。垫板固定，限制系统的横向位移，划分的单元后的有限元计算模型如图6所示。

计算得到整体位移如图7所示，整体位移最大为0.47 mm，且发生在荷载施加位置，轨撑的最大位移不超过0.3 mm。在此基础上，岔枕、垫板、钢轨在温度力的作用下已经完成了相应的位移和伸缩，系统处于一个温度力和扣件阻力、道床阻力的平衡状态。

2.3.3轨撑螺栓应力计算结果

计算结果表明：螺栓最大应力出现在螺栓根部，最大值约为343 MPa。轨撑螺栓采用的是M24×75-8.8的高强螺栓，抗拉强度800 MPa，屈服强度640 MPa，可以满足要求，见图8。

2.3.4限位器子母块间隙优化

专线4249道岔限位器子母块间隙为7 mm，为有效抵御温度力，防止温度力引起尖轨扳动卡阻，转辙器跟端限位器间隙由7 mm增加至10 mm，此间隙可释放的温度力范围增大，同时减少了限位器螺栓所受剪切力，见图9。

3 结语

新型道岔于2018年5月在格尔木玉珠峰站5号岔位上道，上道后课题组对道岔使用状态进行了多次观测。新型道岔目前各项状态良好，性能稳定，基本轨、尖轨件磨耗量养护维修量及较同类产品明显减小，满足高原气候环境下无缝线路使用要求。该项目符合课题要求，满足课题技术指标，也为青藏线下一步实现跨区间无缝线路做了一定的技术储备。