重载铁路用组合辙叉的结构设计

闫 旭 辉

(中铁宝桥集团有限公司技术中心轨道线路研究院，陕西 宝鸡 721006)

1 概述

组合辙叉以适应无缝线路、使用寿命长、养护方便、运营成本低等特点，成为铁路辙叉产品发展的重要方向之一，重载运输是国际上公认的铁路货物运输的有效方式之一，具有轴重大、牵引质量大、运量大的特点。随着重载铁路的发展，铁路道岔(辙叉)无缝化技术逐渐进行推广，作为道岔的核心部件——辙叉，固定型辙叉寿命仅为1亿t～2.5亿t，而线路天窗时间短，更换轨件工作量大，较频繁的更换，不但增加养护维修成本，对行车安全也造成隐患，已不能满足既有线路要求。

传统组合辙叉铁垫板以上部分呈对称结构，心轨、镶嵌翼轨主流材质是合金钢或高锰钢或锻造高锰钢，因此制造成本较高。而大多数辙叉在服役过程中，辙叉直股过车密度及载荷远多于辙叉曲股，因此，分析大量下道的辙叉伤损特征，辙叉伤损主要发生在辙叉直股心轨、翼轨车轮踏面区域，而曲股心轨、翼轨车轮踏面区域未出现重伤。因此，在既有制造工艺基础上，在满足线路使用工况条件下，开发75 kg/m钢轨12号新型组合辙叉，采用不对称镶嵌翼轨结构，即组合辙叉直股设计镶嵌翼轨，镶嵌翼轨选用力学性能优异的材料制造；曲股设计普通结构翼轨，翼轨选用与线路同材质钢轨制造。此结构不但结构安全性高，且充分发挥了组合辙叉不同部位材料特性。同时，心轨、镶嵌翼轨满足成型数控加工要求，提高了制造精度，重量减轻，而且能实现叉心线上、线下互换组装，大幅降低制造和养护成本，延长了服役寿命。

2 设计原则

1)适用27 t轴重以下，列车以V≤90 km/h直向速度通过的运行条件。

2)与既有高锰钢辙叉、合金钢辙叉可互换。

3)适应跨区间无缝线路。

4)锰叉心总重不大于400 kg，适合人工互换组装。

5)辙叉趾、跟端设1∶40的轨底坡。

6)扣件采用弹条Ⅱ型扣件。

3 结构设计

3.1 组合辙叉

组合辙叉主要由心轨、叉跟轨、直股翼轨、镶嵌翼轨、曲股翼轨、A/B型间隔铁、垫板、桥式垫板组成(见图1)。心轨、镶嵌翼轨选用锻造高锰钢材料制作，直股翼轨、曲股翼轨选用普通钢材料制作，通过A型和B型间隔铁在高强螺栓副作用下进行连接紧固。心轨底面与垫板支撑台接触，在辙叉服役过程中，将载荷传递至垫板，稳定性较好，同时缩减了心轨规格，减少了质量，降低材料成本。心轨和镶嵌翼轨两个侧面长度方向设计凹槽结构，镶嵌翼轨位于辙叉直股侧，镶嵌翼轨与直股翼轨上下斜面进行配合，从而降低组装难度，提高单件配合质量,为心轨、镶嵌翼轨线上和线下互换提供保障。组合辙叉有害空间区域设计桥式垫板结构，若线路发生“空吊板”病害，可减少车轮对组合辙叉冲击载荷作用下造成的疲劳破坏损伤，延缓组合辙叉伤损发生时间；双咽喉结构，提高组合辙叉咽喉处强度。单孔、双孔间隔铁配合使用结构，简化了组合辙叉结构。

3.2 心轨

心轨选用锻造高锰钢制造。心轨20 mm断面至50 mm断面区间采用心轨加宽设计，提高心轨粗壮度，在组合辙叉服役过程中，减少或避免心轨发生病害；采用合金化高锰钢材料制造，确保关键力学指标屈服强度大于400 MPa；叉心行车面经传统工艺进行三次爆炸硬化后，轨顶面硬度由初始硬度170HBW～229HBW提高至352HBW硬度以上，距离顶面20 mm范围内材料抗拉强度也获得明显提升，其缺点是爆炸硬化使高锰钢的延伸率和冲击韧性分别降低，且爆炸硬化的表面层的冲击韧性下降较大，近年来我们对在京广线、陇海线上线的高锰钢组合辙叉使用状况调研分析可知，叉心行车面较高的硬度尽管可以有效减少磨耗、塑性变形，但易在心轨出现裂纹病害，致使多数辙叉未磨耗到限而下线，影响其使用寿命。基于此，我们采用控制表面粗糙、温度、炸药后的爆炸罐深度爆炸硬化工艺，对心轨行车面进行爆炸硬化，硬度不大于321HBW，确保叉心硬度、强度、韧性指标在合理的匹配范围，组合辙叉上线后，充分发挥高锰钢特性，减少或者避免叉心发生水平裂纹、严重掉块等等病害。心轨、镶嵌翼轨质量约380 kg，适合人工装卸。

3.3 镶嵌翼轨

镶嵌翼轨采用锻造高锰钢制作，与直股翼轨藏尖配合。行车面进行爆炸硬化，硬度不大于321HBW。

3.4 直/曲股翼轨、叉跟轨

采用与线路同材质U75V在线热处理钢轨制造，实现组合辙叉与线路无缝化连接。为了减少翼轨折弯点与螺栓孔中心之间应力，螺栓孔中心距离弯折点距离不小于80 mm，这样也可避免在螺栓孔附近因弯折角度大造成弯折点处垂直裂纹。

4 检算分析

4.1 动能损失计算

翼轨与护轨一样在缓冲段部分存在冲击角，翼轨平直段至双咽喉起始处存在冲击角，车辆顺、逆向通过时，车轮轮缘会冲击翼轨，产生动能损失。由动能损失公式Vsinβ≤3 km/h(β为冲击角，V为列车速度)计算可知，车轮接触翼轨时，无横向冲击翼轨或卡阻车轮的现象。组合辙叉冲击角角度满足列车过叉要求，设计合理。

4.2 组合辙叉强度计算

由组合辙叉结构分析可知，危险截面位于叉心跟端缩颈处，因此，忽略对计算准确度影响较小边角，借助非线性有限元软件，建立叉心有限元网格模型，有限元单元总数约为65万个，为确保计算结果的准确度，对计算结果关心的部位进行了更进一步的网格细化，进行有限元计算分析。

4.2.1 动载荷Pd

按电力机车牵引27 t轴重，直向通过速度V=90 km/h计算动载荷Pd。

Pd=(1+α)P=415.8 kN。

其中，α为速度系数,α取0.6 V/100；P为静轮载。

按动载荷平均分配到每个车轮上，单个车轮产生的动载荷Pd1为：

Pd1=Pd/2=415.8/2=207.9 kN。

4.2.2 材料参数

锻造高锰钢材料弹性模量E=210 GPa，泊松比v=0.3，屈服强度约为400 MPa。

4.2.3 计算结果

图2为叉心有限元S，Miss应力分布云图。应力集中部分位于叉心与叉跟轨的连接部位(跟端缩颈处)，最大应力为207 MPa，小于叉心材料本身的屈服强度(400 MPa)。因此，本次设计的叉心强度满足实际工况需要。

4.3 无缝线路适应性分析

设定轨温变化幅度Δt=55 ℃，由钢轨温度力计算公式Pt=2.48×Δt×F，其中,F为钢轨横断面积。计算结果可知，对轨件、间隔铁进行胶接条件下，75 kg/m钢轨12号高锰钢组合辙叉在设定的温度变化区间，结构强度稳定，适合无缝线路工况要求。

5 轮轨关系分析

5.1 组合辙叉平顺性分析

组合辙叉镶嵌翼轨、曲股翼轨均进行了抬高设计，心翼轨顶面均与车轮踏面匹配，平顺性满足要求。

5.2 组合辙叉叉跟轨结构平顺性分析

6 结语

新型75 kg/m钢轨12号组合辙叉心轨、镶嵌翼轨采用锻造高锰钢材料制造，铁垫板以上部分呈不对称结构，减少了材料使用成本，组合辙叉重量减轻，充分发挥组合辙叉不同部位材料特性；叉心与翼轨配合面截面为等宽形状，能够实现成型加工，降低制造成本，满足叉心线下、线上叉心互换组装结构要求；桥式垫板的应用，改善了组合辙叉有害空间受力状况；锻造高锰钢材料的应用，提高了材料力学性能，减少辙叉病害，延长辙叉使用寿命。这种结构可以形成不同钢轨类型、不同号数、不同品种的辙叉系列产品，因此，具有较高的推广价值。