提速道岔心轨启动卡阻原因分析及解决方案

张明鹏

成绵乐城际铁路始发江油站，终到峨眉山站，共设20座车站，于2014年12月开通运营，初期运营速度为200 km/h；2017年提速达标整治后，运营速度提升至250 km/h。成绵乐城际铁路正线有90组客专线（07）009型道岔，其心轨采用ZYJ7+SH6配置的电液主、副机牵引［1］。据统计，成锦乐城际铁路2020年共发生启动后第2.2～2.8 s内心轨卡阻故障12件，其中10件为客专线（07）009型道岔。

现场处置时，用榔头敲击锁钩头即可正常解锁，后续扳动道岔良好，且在很长一段时间内不易复发，导致问题不能有效处理，存在重复发生的可能。

1 心轨转换动作原理

心轨解锁过程包含转换设备机内解锁，动作过程时间节点分布见图1。

图1 心轨转换动作过程时间节点分布

以客专线（07）009型道岔为例，心轨转换时长约8 s，两点牵引心轨转换过程对应的3个时间分布为：①阶段1（0～3 s），机内以及外锁闭解锁过程；②阶段2（3～6.5 s），转辙设备带载转换过程；③阶段3（6.5～8 s），转换到位完成锁闭行程。

现场在对10件客专线（07）009型道岔心轨卡阻故障排查中发现了3个共性问题：一是心轨的2个牵引点在启动后动作不同步，心2明显快于心1；二是故障位锁钩和锁闭杆凸台重合面（锁闭量）均有不同程度的异常磨痕［2］；三是锁闭杆与动作杆连接处（鸭嘴铁）发生形变，转换设备在拉入或伸出位置时，动作杆与锁闭杆连接处别劲，螺栓销绝缘管垫两侧无间隙且发生变形。

2 心轨卡阻分析

2.1 道岔阻力

外锁闭道岔的转换阻力受多种因素影响［3］，其表达式为：

式中：F为道岔转换阻力；Fm为由道岔可动部件滑动摩擦引起反映到牵引点的阻力；Ft为道岔可动部件反映到牵引点处的反弹力；Fq为其他因素引起反映到牵引点处的阻力；Fe为转换阻力理论计算值；K为考虑实际使用中各种因素的系数。

现场模拟故障情形：在心轨第2牵引点锁闭位（伸出侧和拉入侧）的锁钩和锁闭杆凸台内，分别卡入直径不小于1 mm的异物，用三相交流转辙机拉力测试仪对心轨2个牵引点输出力进行测试（见图2）。综合2个牵引点转换力分析可得：在道岔外锁闭解锁时，心2除需克服阻力Fm外，还需提供更多的力来克服异物引起反映在牵引点的反弹力Ft和阻力Fq，此时又因两牵引点存在明显动作不同步，可动心轨在两牵引点的相互作用下产生形变，心2锁钩别卡不解锁造成道岔无法正常转换。

图2 模拟锁闭杆与锁钩卡异物时道岔扳动推拉力

2.2 磨痕产生原因

心轨第2牵引点外锁闭结构见图3。通过分析对比锁钩与锁闭杆凸台的磨痕形状，两者完全重合。列车高速过岔，轮对撞击牵引点处时锁闭位的锁钩和锁闭杆间会出现间隙，伴随巨大的风力形成涡流现象，将道床以及岔槽内的不规则颗粒异物卷入锁钩与锁闭杆的缝隙和外锁闭装置的有害空间内，当道岔再次启动时，颗粒物被带入锁钩与锁闭杆凸台内，使得锁闭侧锁钩位置上升，接触面由原来的面接触变为了线或点接触，来回多次扳动道岔，锁闭杆带着异物动作就造成锁闭杆凸台和锁钩磨痕［4］。

图3 心轨第2牵引点外锁闭结构

2.3 心2受力

1）道岔转换初始，正常锁闭位时的锁闭杆凸台与锁钩为面接触，当锁闭杆凸台和锁钩间混入异物时，就使锁闭杆凸台与锁钩摩擦面由原来的面接触变为线或点接触，锁钩整体高度稍有升高，且锁钩倾斜，与锁闭铁形成夹角。又因列车运行对牵引点处撞击，造成心轨第2牵引点锁钩向一侧偏移，偏移量越大，夹角越大，下一次道岔扳动时，就必须克服这部分额外的阻力，即道岔动作时，其额外增加的滑动摩擦阻力，造成道岔启动时功率曲线急剧上升，甚至发生不解锁故障。功率曲线上升的开始时间为道岔启动后的2.2～2.8 s，而该时间外锁闭还未完全解锁。

现场通过三相转辙机拉力测试仪进行推拉力测试，心轨第1，2牵引点转换设备额定转换力分别为2500 N和4200 N。现场测试在不同溢流压力下心轨牵引点转换设备的输出力见表1。

表1 不同溢流压力下转换设备的输出力

结合表1和图2综合分析可以得出：①转换设备的输出力与溢流压力成正比；②心2动作快且提供的力不足以克服转换阻力时，导致两牵引动作不同步，心2锁钩无法解锁。现场对故障道岔使用了上述方法测试，结果和模拟情形基本一致。

2）设计以及制造工艺缺陷［5］。锁闭杆接头处设计尺寸为：动作连杆开口30 mm，锁闭杆连接弯头宽度22 mm，两侧绝缘垫厚度各为3.5 mm，在φ25 mm螺栓紧固后应有1 mm的余量（图4）。现场检查发现故障道岔的动作杆开口均不足30 mm，最小的甚至不足28 mm，导致锁闭杆接头处别死，绝缘管垫受挤压变薄，甚至破损，动作杆连接处不能自由摆动。

图4 心轨动作杆与锁闭杆连接处结构及尺寸

通过测试φ25 mm螺栓销尺寸，发现其无丝部分长度不足，导致动作杆开口变小，施工及维修时为满足防松防脱的要求，螺栓销复紧后造成锁闭杆接头变形，改变了外锁闭设计结构。在列车高速过岔时，因振动等原因使得锁钩发生一定的偏移，动作杆、锁闭杆和锁钩不在一条直线上形成夹角，造成锁钩别劲，存在垂直于动作杆和锁闭杆方向的力。在道岔动作过程中，需要克服这部分额外的力才能顺畅的做扇形运动，这也是外锁闭别卡的又一重要因素。

3 整治方案及措施

3.1 使用改进型心轨锁钩

通过现场对外锁闭装置分解检查对比分析，目前在用锁钩强度虽然在设计的强度范围内，但基本处于外锁闭装置强度设计的下限［6］，通过和相关专家共同研讨，对目前在用外锁闭装置进行优化。

1）提高外锁闭装置摩擦面的强度和耐磨度，对锁钩锁闭面、锁闭杆凸台，以及锁闭铁锁闭斜面进行不小于0.8 mm激光淬火处理，并在其表面渗锌0.4～0.6 mm，使其达到良好的防腐防锈效果。

2）心轨锁钩优化改型，在心轨第2牵引点锁钩上增加挡板（见图5），在列车高速过岔时，将锁钩的横向偏移限定在一定范围内。现场维护人员定期对外锁闭装置进行分解检查，对磨耗超标的外锁闭装置进行成套更换［7］。

图5 带有挡板的改进型锁钩

2020年下半年，将成绵乐城际铁路90组道岔的心轨第2牵引点锁钩更换为挡板锁钩，并在更换后的6个月对原发生过卡阻故障的外锁闭装置分解检查，未发现异常划痕；锁钩基本在锁闭铁斜面中心位置，偏移量比使用老式锁钩偏移量明显减少。

3.2 更换动作杆连接销螺栓

现用动作杆与锁闭杆连接销螺栓规格为长度102 mm，无丝长度为49 mm，有丝长度为25 mm，通过和厂家共同研讨，将动作杆连接销螺栓的无丝长度增长1 mm，上道前经过线下试验，将螺栓销螺母拧到底后也不会造成连接头（鸭嘴）变形，满足施工和现场作业习惯。更换内、外动作杆连接销螺栓（垂直于道床、φ22 mm），外动作杆和锁闭杆连接销螺栓（平行于基本轨（翼轨）、φ25 mm），紧固螺母在规定扭力值紧固后，动作杆连接头（鸭嘴铁）仍然有1 mm的间隙，无论道岔在拉入或伸出位，手摇连接头处能自由摆动，保证道岔扳动时顺畅做扇形运动。

采用上述方法整治后，使用三相交流转辙机拉力测试仪进行推拉力测试（图6），同图2对比分析，两牵引点的同步性和心轨第2牵引点的推拉力最大值明显降低，较整治前有明显改善。

图6 整治后心轨两牵引点转换力

4 结束语

经过对成锦乐客专道岔心轨的锁钩和螺栓销更换后，从根本上解决了心轨启动卡阻问题。同时对管内其他客专线路的外锁闭道岔心轨采取上述方法进行整治，并在时隔半年后，对更换后的道岔外锁闭装置分解检查，发现划痕已基本消除，整治效果显著。