城市轨道交通用60 kg/m钢轨9号单开道岔的研制

张 刚

(宝鸡中铁宝桥天元实业发展有限公司，陕西 宝鸡 721001)

近年来，我国城市轨道交通以多种制式方式快速发展，35座城市开通运营轨道交通线路，其中地铁占比在78%以上，道岔作为线路关键设备，对轨道运行起着至关重要的作用。60 kg/m钢轨9号单开道岔，以其通过速度满足运营要求，道岔占线路区间长度合理，道岔整体性能稳定，技术成熟可靠的优点，成为城轨交通中使用最多的道岔,对该道岔性能提升的研究成为轨道交通中的重点研究课题。

1 道岔总体设计原则

通过速度：直向：100 km/h,侧向：35 km/h。

轨下基础：多采用整体道床，岔枕多采用合成枕、混凝土短岔枕、桁架长枕等。

尖轨：多采用60AT弹性可弯尖轨，藏尖式，跟端设间隔铁或限位器。

电务转换设备：采用分动外锁，设两点牵引。

滑床板、护轨垫板：以弹条、弹片或弹性夹实现双侧弹性扣压；或采用弹性滑床板；增设防跳限位装置；辊轮减磨装置等。

辙叉：采用高锰钢整铸式辙叉，辙叉下设铁垫板，采用爆炸预硬化处理。或采用合金钢组合辙叉，以提升辙叉耐磨性，实现辙叉前后可焊接性。

护轨：为分开可调式，采用槽型钢或标准钢轨制造，护轨顶面高出基本轨顶面12 mm。

扣件：采用弹性分开可调式扣件，设置轨距块或轨距垫，其弹条和轨距块与道岔区间线路保持一致。

弹性垫层：轨下板下均设弹性垫板，多以10 mm,12 mm厚为主，材质一般为橡胶或聚酯弹性体。

其他：按普通接头设计，适用于无缝线路。岔内一般不设线路坡，可采用顺坡垫板实现线路过渡。

2 道岔平面线型设计

2.1 常用单开道岔线型

道岔全长为29 569 mm，前长13 839 mm，后长15 730 mm，采用曲线型，半径200 m。尖轨采用半割线型，尖轨在39.5 mm断面前取直。道岔轨距SZ=1 435 mm，SQ=1 440 mm,尖轨刨切范围内轨距由1 440 mm过渡至1 435 mm；导曲线终点前，侧股轨距由1 440 mm过渡至1 435 mm，见图1。

2.2 道岔平面设计参数

该道岔平面线型中，尖端冲击角为0°45′24″;

线路容许限度值为：ω0≤0.65 km2/h2，α0≤(0.5～0.65) m/s2，ψ0≤0.5 m/s3，在该平面线型中，各指标均符合。

2.3 道岔平面线型的优点

该平面线型结构不平顺控制较好，道岔区内轨距变化率较小。增大尖轨薄弱段的粗壮度，减小车轮冲击角、动能损失、未被平衡的离心加速度等关键参数，从而减小列车运行过程中对道岔产生的横向力，有利于保持道岔结构稳定性和列车运行的平稳性，提高旅客舒适度，减缓道岔零部件的磨损，延长道岔使用寿命。

3 道岔主要结构设计

3.1 轨下基础

该类型道岔轨下基础多以整体道床、混凝土短岔枕或合成枕为主。近年来，由于整体道床道岔施工时，短岔枕道岔不易固定，尺寸精度不易控制，特别是在转辙器部位，检测尺寸多，铺设精度不易保证，道床浇筑后，道岔变形很难进行调整。而采用桁架长枕，可以降低转辙器部位铺设难度，铺设尺寸易于保证，其应用越来越广泛，见图2。

3.2 转辙器

转辙器基本轨采用60 kg/m钢轨，密贴范围进行藏尖铣削；采用60AT藏尖式弹性可弯尖轨，跟端为间隔铁式或限位器。藏尖结构既可保护尖轨尖端不被车轮轧伤，又可使尖轨在动载荷作用下保持良好的竖向稳定。弹性可弯结构减小尖轨扳动力。间隔铁式或限位器等跟端结构，可有效传递钢轨温度力，维持尖轨和基本轨相对位置不变，间隔铁结构还可有效维持尖轨支距，确保结构稳定，见图3。

3.3 转换设备

采用分动外锁闭，设置2个牵引点，各牵引点动程分别为160 mm,70 mm；在正常养护情况下，尖轨理论总扳动力不大于4 kN。

3.4 扣件系统

道岔扣件采用弹性分开式扣件，多采用Ⅱ型、Ⅲ型、DI系列、DZ系列弹条等。为减缓锚固螺栓横向受力，增大垫板调距范围，部分道岔在锚固螺栓处增设复合定位套，见图4。

3.5 转辙器主要垫板结构

1)滑床板均采用双侧弹性扣压，以弹条、弹片或弹性夹扣压。随着使用中，为消除销钉断裂、台板开裂现象，部分道岔通过调整滑床台内腔结构取消销钉，在弹片后段设限位装置等方法，对弹片扣压方式进行了改进，见图5，图6。

2)设置辊轮减磨装置，使尖轨扳动的摩擦形式由滑动摩擦变为滚动摩擦，有效减少尖轨扳动时的摩擦阻力，减缓滑床板与轨底磨损，同时有助于消除长尖轨不足位移，见图7。

3)弹性滑床板在滑床台板和底板间设置一个弹性缓冲层，优化了传统滑床板的接触状态，使基本轨和尖轨轨下刚度趋于一致，同时，降低尖轨轨下刚度，减小工作状态下的振动，可在一定程度提高了行车的舒适性和平稳性，见图8。

4)防跳限位装置，尖轨斥离状态时起作用，利用滚轮压住尖轨轨肢，防止尖轨跳动，能够优化轮轨动力学指标，防止或减少尖轨拱腰等病害，改善运行状态，见图9。

3.6 辙叉及护轨

1)辙叉采用固定型高锰钢整铸式，辙叉下设置铁垫板。可动心轨辙叉，虽然消除了辙叉有害空间，可提高列车过叉速度，但与固定型辙叉相比，其辙叉长，占用线路空间大，在城轨道岔用应用较少，见图10。

2)护轨采用分开式可调护轨，护轨顶面高出基本轨顶面12 mm。直侧向护轨尽可能采用对称设计，采用43，50，槽型护轨制造。护轨垫板的结构设计与滑床板底一致，可采用单侧弹性扣压，也可多采用双侧弹性扣压方式，护轨轮缘槽通过护轨调整片调整，见图11。

4 道岔主要零件制造工艺流程设计

尖轨：下料锯切→跟端压型→调直→铣压型段轨底→二次下料→锯切→号钻孔→铣轨底非工作边→铣轨底工作边可弯段→铣轨头非工作边→铣轨头工作边→铣尖轨降低值→热处理→顶弯→跟端冒型加工→组装铺设。

基本轨：下料→锯切→号钻孔→热处理→顶弯→铣藏尖段→组装铺设。

护轨：下料→锯切→号钻孔→刨工作边→刨轨顶面→热处理→矫正→组装铺设。

导曲线：下料→锯切→号钻孔→热处理→矫正→组装铺设。

垫板：下料→调平→号钻孔→机加工→焊接→调平→组装。

5 道岔铺设流程设计

线路复测→道岔支撑架架设→转辙器部位架设→导轨、辙叉、护轨架设→初调道岔水平、位置、高低→岔枕安装→整体连接→调整方向、水平、高低→调试尖轨密贴→调整道岔轨距、支距→调整各间隔尺寸→全面检测各项点→道岔固定→混凝土浇筑→混凝土养护→道岔复测→道岔精调→工程报检验收。

6 城轨道岔研制新技术应用

6.1 动力学仿真技术应用

利用道岔系统动力学理论,建立轮轨系统动力学计算模型，分析和研究道岔平面线型和道岔区轮轨关系，通过计算各方案车体横向加速度、脱轨系数、轮重减载率等动力学指标，选择最优平面线型设计方案。同时，优化道岔结构设计、实现刚度均匀化、对道岔不平顺进行动力学分析并控制，对列车过岔时动力作用进行仿真评估。实现道岔设计由静态设到动态的转变，大幅度缩短道岔研发周期，全面提升道岔结构的可靠性与安全性。

6.2 过岔速度提升

道岔通过速度对线路运行至关重要，通过优化平面线型和结构设计，提升道岔直侧向通过速度，可有效缓解运量、行车密度增加对线路运行造成的影响，部分线路已开始上道直向140 km，侧向45 km道岔。

6.3 道岔减振技术应用

道岔减振常采用双层非线性减振扣件和减振器扣件等两种扣件，双层非线性减振扣件，采用带有自锁机构的上中下三层结构，使金属件与弹性元件分离，依靠中间橡胶垫层的弹性，获得良好的减振效果。减振器扣件，通过减振器中间橡胶圈的剪切变形同时提供垂向、横向、纵向三个方向的弹性，从而达到减振的目的。两种扣件减振效果均超过8 dB，见图12，图13。

6.4 耐久性技术应用

耐久性技术可有效提升道岔整体性能。使用高强度钢轨如U77MnCr,U78CrV,U75V3等，以及在线热处理钢轨，有效提升钢轨表面硬度，控制磨耗延长钢轨使用寿命；采用精密铸造技术、消失模铸造技术等先进铸造技术的整铸铁垫板代替焊接铁垫板，消除焊缝、整体性好，疲劳强度高，抗弯强度大；新型弹性材料如热塑性聚酯弹性体、发泡橡胶等，具有良好的抗疲劳、抗氧化、耐冲击、耐腐蚀、耐候性等特性，可有效延长胶垫使用寿命；紧固件防松技术如顶铁螺栓防转、扣件螺栓防松、高强螺栓防松等技术，有效保持连接件稳定，减少养护维修工作量。

6.5 先进制造技术应用

智能化、数字化制造技术应用，可提高生产效率，降低劳动强度，同时，制造质量更加可靠。如：钢轨数控钻孔技术、尖轨数控加工技术、钢轨数控顶弯技术、钢轨感应热处理技术、钢轨感应加热跟端锻压成型技术、辙叉数控加工技术等。

7 结语

随着我国城轨交通的不断发展，积极吸收国内外先进技术，特别是高速、重载线路的成熟技术在城轨道岔研制中应用推广，动力学仿真技术应用，新兴材料应用推广、先进制造技术应用、机械化铺设技术、预防性维修技术等，将进一步提升城轨道岔研制水平，助推我国城轨交通发展。