合金钢叉心拼装式辙叉的结构设计.pdf

1、线路路基 合金钢叉心拼装式辙叉的结构设计 张东风，蒋 昕 (中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京 100020) 摘 要：拼装式合金钢辙又是近几年发展起来的一种固定型辙 叉，由于使用寿命长，并可以与高锰钢辙叉互换使用，得到了较 快的推广使用。对各型号拼装式合金钢辙叉的设计和结构特 点进行介绍，对其制造和养护维修具有一定的指导作用。 关键词：合金钢叉心；拼装式；结构设计 中图分类号：U2136 2 文献标识码：A 文章编号：10042954(2008)02000403 1 概述 德国和奥地利等国家早在20世纪40年代就开始 收稿日期：20070717：修回日期：20071226

2、作者简介：张东风(1977一)，男，工程师。2000年毕业于同济大学，工学 学士。 5合理轨道刚度及部件刚度匹配 研制生产合金钢叉心拼装式辙叉，并广泛推广使用，至 今欧洲国家固定型辙叉仍以合金钢叉心拼装式辙叉为 主。他们制造生产的合金钢叉心拼装辙叉使用寿命一 般达到1520亿tkmkm。 我国铁路在20世纪60年代以前，普遍采用钢轨 组合式辙叉，由于结构松散，零部件多，稳定性差，使得 辙叉的使用寿命较低，现场的养护维修量较大。为此， 铁道部从1961年开始组织国内多家道岔设计及生产 制造单位联合研制高锰钢整铸辙叉，1963年批量生 产，每年新建、大修和维修使用的高锰钢整铸辙叉数量 在3万组以上

3、。至今我国生产的固定型辙叉仍以高锰 钢整铸辙叉为主。 扣件刚度为40100 kNmm，块下胶垫刚度为30 50 kNmm时，钢轨动弯应力在1160312975 MPa 变化，小于容许应力50769 MPa，并有37794 MPa的 强度储备，能满足一般无缝线路的使用条件。根据轨 道刚度合理取值的应力与变形评价指标，40 kNmm的 扣件刚度与50 kNmm的块下胶垫刚度匹配，钢轨垂向 位移小于4 mm，块下胶垫刚度在40 kNmm及以上时， 支承块的垂向位移均小于25 mm。因此，200 kmh弹 性支承轨道的钢轨支点刚度(由扣件刚度和块下胶垫 刚度串联)不宜低于222 kNmm，块下胶垫刚度

4、不宜 低于40 kNmm。 当扣件刚度为40 kNmm，块下胶垫刚度为30 kNmm时，动态轨距扩大量为2216 mm，小于轨道刚 度合理取值的动态轨距扩大限值4 mm。因此，对200 kmh的弹性支承轨道，扣件刚度取为40 kNmm及以 上，块下胶垫刚度取为30 kNmm及以上，动态轨距扩 大量是允许的。 从刚度对轨道振动性能的影响来看，与高扣件刚 度与低块下胶垫刚度相比，采用低扣件刚度和高块下 胶垫刚度，能使支承块的振动加速度减小，支承块与橡 胶包套的磨损减弱，支承块稳定性增强，保证了支承块 与橡胶包套的使用寿命，但使道床板的加速度增加。 200 kmh的弹性支承轨道一般没有铺设在城市区域

5、， 铁路周围的振动控制要求不高，道床加速增加对周围 的影响是可以接受的。因此，200 kmh弹性支承轨道 应采用较低的扣件刚度与较高的块下胶垫刚度匹配。 综合轨道应力与变形、动态轨距扩大、减振性能3 方面考虑，200 kmh的弹性支承轨道扣件刚度采用40 50 kNmm，块下胶垫刚度采用7090 kNmm是比 较合理的。 6 结论 以轨道应力变形、动态轨距扩大、动力性能作为评 价轨道刚度合理取值的指标，可以在保证列车安全运 行的基础上，减缓轮轨相互作用，改善轨道结构应力强 度，延长部件使用寿命，减少养护维修工作量。通过运 用有限单元法，分析轨道刚度对弹性支承块式无碴轨 道应力与变形、动态轨距扩

6、大、动力性能的影响，结果 表明：对200 kmh的弹性支承轨道，宜采用4050 kNmm的扣件刚度和7090 kNmm的块下胶垫刚度 匹配。 参考文献： 1何华武无碴轨道技术M北京：中国铁道出版社。2005 2 卢祖文客运专线铁路轨道M北京：中国铁道出版社，2005 2 刘扬，练松良，刘加华弹性支承块式轨道振动强度与噪声强度 的关系J城市轨道交通研究，2005(1)：5052 4 赵国堂铁路轨道刚度的确定方法J中国铁道科学，2005，26 (1)：16 5TB10082-2005，铁路轨道设计规范S 6 练松良。刘丽波，Joe K荷载作用下轨距扩大理论分析J铁道 学报，2000，22(sup)

7、：3035 7 张格明轨道刚度合理值评价指标的研究J中国铁道科学， 2002，23(1)：5157 8 练松良轨道动力学fME海：同济大学出版社2003 4 铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGN 2008(2) 维普资讯 http:/ 张东风，蒋 昕一合金钢叉心拼装式辙叉的结构设计 自从1888年英国的哈得菲尔德(Sir Robert Had field)发明哈得菲尔德高锰钢以来，利用这种钢出色的 耐磨性和加工硬化性，在19世纪末英美铁路上广泛用 来制造尖轨镶尖、辙叉和护轨。到20世纪40年代末 期，法国、日本及苏联等国家铁路干线上绝大部分都铺 设使用了高锰钢辙叉。不可否

8、认高锰钢具有良好的冲 击韧性，经初期磨耗后，硬度有较大提高，比较适合制 造辙叉。但是由于高锰钢本身流动性差，辙叉体积又 较大，整体铸造时，容易产生内部铸造缺陷，在列车频 繁的冲击作用下，会逐渐产生裂纹并向外扩展。有相 当数量的高锰钢辙叉，其绝大部分在没有达到磨耗限 度之前提前破损，便不得不提前下道，使高锰钢的优势 得不到充分发挥。近年来随着高锰钢浇铸技术的不断 提高，制造工艺的不断改进，高锰钢整铸辙叉的使用寿 命有了较大的提高。截至目前为止，我国的高锰钢整 铸辙叉的平均使用寿命提高到近1亿tkmkm，有 一定数量的高锰钢整铸辙叉使用寿命达到了12 亿tkmkm，但是由于其结构特性，使用寿命仍有

9、较 大的离散性。 随着我国铁路事业的蓬勃发展，跨区间无缝线路 成为当今铁路发展的主流，这就要求道岔范围内和其 相邻的钢轨接头都焊接起来成为无缝道岔，然而由于 高锰钢的辙叉和高碳钢的钢轨现场难以相互焊接，而 厂内焊接造价较高，所以在跨区间无缝线路中使用高 锰钢整铸辙叉成为技术障碍，而且由于高锰钢整铸辙 叉使用寿命短，不宜在跨区间无缝线路上频繁更换 使用。 为了适应跨区间无缝线路，改变我国固定型辙叉 品种单一的局面，国内进行了多方面的研究。20世纪 90年代中铁工程设计咨询集团有限公司(原铁道专业 设计院)与沈阳局薛家配件厂共同研制60 kgm钢轨 12号拼装式高锰钢辙叉，但限于当时的生产工艺和制

10、 造水平，使得试验辙叉的寿命离散性较大，未能推广使 用。近年来合金钢叉心拼装式辙叉得到了较快的发 展，取得了较好的使用效果。 2 60 kgm钢轨系列合金钢叉心拼装式辙叉的设计 21 适用范围 60 kgm钢轨系列合金钢拼装式辙叉适用于标准 轨距铁路60 kgm钢轨提速线路。因为我国既有铁路 线上60 kgm钢轨12号道岔占绝大多数，为此先后设 计研制了60 kgrn钢轨12号拼装式合金钢A型提速 辙叉、60 kgm钢轨5 m间距交叉渡线6号拼装式合金 钢A型锐角辙叉和60 kgm钢轨6号合金钢拼装式钝 角辙叉，这些产品均可以与既有线上相对应的提速辙 叉互换使用。 铁道标准设计RAILWAY

11、STANDARD DESIGN 2008(2) 线路路基 22 设计依据 (1)铁路线路设计规范(GB50090)； (2)铁路车站及枢纽设计规范(GB50091)； (3)参考图纸：铁联线008(60 kgm钢轨12号辙 又及护轨、铁联线023(60 kgm钢轨5 rn间距交叉渡 6号锐角辙又及护轨、铁联线024(60 kgm钢轨6号 钝角辙叉。 23设计原则 (1)本次设计的合金钢拼装式辙叉可直接更换提 速道岔的辙叉。 (2)更换辙叉时，其原有的混凝土岔枕仍保持不 变，可继续使用。 (3)辙叉趾、跟端扭转设置1：40的轨底坡。 (4)扣件为60 kgm钢轨用弹条型扣件。 (5)适应跨区间无

12、缝线路区段的使用。 24结构设计 (1)60 kgm钢轨12号合金钢拼装式单开辙叉，其 零部件如图1所示。 图1 12号辙叉零部件 (2)60 kgm钢轨6号合金钢拼装式锐角辙叉，如 图2所示。 图2 6号锐角辙叉 它们都是由合金钢锻造叉心(图3)、翼轨、连心轨 5 维普资讯 http:/ 线路路基 张东风，蒋 昕一合金钢叉心拼装式辙叉的结构设计 (图4)及间隔铁通过横向高强螺栓组合而成为整体。 图3合金钢锻造叉心 图4尖端与叉心镶嵌的连心轨 其结构特点如下。 翼轨采用60 kgm钢轨制造，翼轨的材质采用 耐磨的PD3热处理钢轨，趾端与导轨连接处扭转1：40 (由加工工艺保证)。 为了改善轮轨

13、运行条件，翼轨在相对合金钢叉 心2050 mm断面处侧面刨切4 mm。 在合金钢叉心50 mm断面处设置横向螺栓联 结，在辙又趾跟端均采用双孔间隔铁，提高了辙叉整体 框架刚度，最大限度地减小辙叉各部件的相对位移。 优化了心轨尖端形式尺寸，避免了心轨尖端初 期出现飞边。 连心轨采用60 kgm钢轨制造，其尖端与合金 钢叉心镶嵌，跟端与导轨连接处扭转1：40(由加工工 艺保证)。 钢轨下设置5 mm厚轨下橡胶胶垫，铁垫板下 设置10 mm厚橡胶垫板。 (3)60 kgm钢轨6号合金钢拼装式钝角辙叉，如 图5所示。 图5 6号钝角辙叉 它是由合金钢锻造叉心、翼轨、锻造翼轨补强板、 护轨、连心轨及间隔

14、铁通过横向高强螺栓组合而成为 整体钝角辙叉，翼轨在有害空间范围镶合金钢(图6)， 以提高翼轨的耐磨性和抵抗冲击。其结构特点如下： 护轨在辙又有害空间范围内抬高25 mm，抬高 值由两边逐渐过渡降低。 护轨采用60 kgm钢轨制造，在制造工艺上首 先将护轨顶弯，再将轨头工作边通长刨切7 mra后再 对护轨二次顶弯，以保证辙叉咽喉处不出现圆弧。 钝角辙又零部件较多，为保证辙叉组装的整体 性，要求制造时必须严格控制各部件的制造公差及组 装公差，避免出现公差累积现象。 钢轨下设置5 mm厚轨下橡胶胶垫，铁垫板下 设置10 mm厚橡胶垫板。 图6合金钢制翼轨补强板 3合金钢拼装式辙叉的特点 (1)合金钢

15、锻造又心经调质处理后，其抗拉强度 1 400 MPa，洛氏硬度HRC40，冲击韧性70 Jcm 。 (2)辙叉心轨易损部位采用高强韧性、高耐磨的 合金钢。 (3)合金钢锻造叉心磨耗均匀，不存在初期快速 磨损阶段。 (4)合金钢锻造叉心磨耗后，采用简单的焊补方 法修复再使用。 (5)辙叉通用性好，上道方便，维修简单。 (6)辙叉材质质密一致，无内部缺陷，避免因材质 内部缺陷造成辙叉破损及频繁更换辙叉。 (7)辙叉趾、跟端由于采用了普通钢轨，便于与连 接导轨进行焊接，真正实现无缝道岔。 (8)高锰钢整铸辙叉的材质为Mnl3，经水韧处理 后强度和硬度较低，致使高锰钢整铸辙叉初期磨耗较 快，经车轮滚压

16、后，强度由720 MPa提高到1 600 MPa， 硬度由布氏190 HB提高到450 HB，遗憾的是高锰钢 整铸辙叉达到这样高的强度和硬度时，便会因表层和 母体的强度和硬度相差悬殊，产生表面剥落掉块，使辙 又成为重伤。合金钢叉心拼装式辙叉与高锰钢整铸辙 叉的耐磨性对比，优势明显。 (9)由于是拼装式辙叉，所以对各部分紧固螺栓 有严格的要求：安装弹条时，拧紧程度以弹条中部前 端下颏与轨距块接触为准；弹簧垫圈没有错口，呈压平 6 铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGN 2008(2) 维普资讯 http:/ 线路路基 客运专线石灰改良黄土力学特性试验研究 柴正昆 (中铁二十一

17、局集团有限公司，兰州 730000) 摘要：改良土问题是高速铁路路基的重要内容，通过大量的 土工试验和理论分析，研究石灰改良黄土的击实特性、压缩特 性、强度特性以及影响因素，论证石灰改良黄土作为高速铁路 路基基床底层填料的可行性，为黄土地区铁路客运专线路基填 料的选择和应用提供参考依据。 关键词：铁路客运专线；路基；改良黄土；强度特性 中图分类号：U213I4 文献标识码：A 文章编号：10042954(2008)02000703 高速铁路列车的高速、安全、平稳运行对路基变形 提出了更高的要求，路基变形直接反映在轨面上，它对 轨面的影响主要表现为垂直下沉，除路基自重产生的 压密下沉之外，在列车

18、多次重复荷载下还产生累计永 久变形(塑性残余变形)，过大的或不均匀下沉将导致 路基病害，造成轨道不平顺，既加剧列车与线路的动力 作用，也不利于列车的高速行驶。因此，填料工程性质 的好坏将直接关系到填料路基的质量。 新建铁路郑州至西安客运专线对路基填筑质量以 及工后沉降标准提出了很高的要求。该线路在三门峡 市辖区段处于低山丘陵区，沿线大部分地段为黄土，合 格的A、B组填料很少，如果完全依靠外运合格填料， 既不经济，也不合理。解决的途径之一是对不合格填 料进行改良，使其达到所要求的质量标准。 关于高速铁路路基填料的改良技术，文献1通 过室内试验对水泥土、石灰土、石灰粉煤灰土的物理力 收稿日期：20

19、0709一O1 作者简介：柴正昆(1964一)，男，高级工程师，1984年毕业于兰州铁道 学院，工学学士。 状态，或拧紧螺栓扭矩为100120 Nm；M30螺钉涂 油后拧人塑料垫圈，拧紧扭矩为250300 Nm；M27 高强螺栓和螺母的拧紧扭矩为1 000 Nm。 4 结语 合金钢叉心拼装式辙叉是新一代的辙叉结构，一 旦被广泛应用，可以形成不同钢轨类型、不同号数的辙 叉系列产品。该辙叉使用寿命质量保证2 亿tkmkm，约为高锰钢整铸辙叉使用寿命的25 倍以上，但价格约为高锰钢辙叉价格的17倍，故合金 铁道标准设计RA儿WAY STANDARD DESIGN 2008(2) 学特性进行了研究；文

20、献2利用直剪试验和无侧限 抗压强度试验讨论了高速铁路路基改良填料的现场试 验情况；文献3通过室内静、动载试验，研究了石灰 稳定土的基本特性及重复荷载下的耐久性；文献4 从确保路堤稳定性的角度，利用离心机模型试验确定 了水泥、石灰、固化剂改良填料的掺入比。笔者通过对 石灰改良后的黄土混合料进行物理力学试验，研究了 其静态的特性，论证了石灰改良土作为高速铁路路基 基床底层填料的可行性，为实际工程应用中路基填料 的选择和改良提供了参考依据。 1 试验材料和方法 11 试样材料 试验所用黄土取自郑西客运专线某工点的黄土， 土壤呈黄色发白，具有大孔隙，土体疏松，其物理性质 指标见表1，原状黄土的压缩系数

21、在07990925 MPa 变化，属高压缩性土；水稳性较差，原状土饱和 无侧限抗压强度一般为151232 kPa，与天然状态 相比，其强度值降低了70左右；该黄土的耐水浸泡 性能比较差，在静水中4 min左右出现明显破坏，不能 满足工程使用要求。 表1 黄土的物理性质指标 天然含 相对质 液限 塑限 塑性 最优 最大 水量( ) 量密度 密度 孔隙比 (gcm ) (e0) (WL) (W ) 指数 含水量 干密度 (C ) (， ) (gcm ) 237 266 173 091O 345 187 158 1O5 2005 石灰为过筛的新鲜熟石灰粉末，干燥且活性强，其 钢叉心拼装式辙叉的性价比优势明显，若推广使用，将 产生巨大的经济效益。此外，由于合金钢叉心拼装式 辙叉使用寿命的延长，将减少更换次数，从而降低工务 养护维修工作量。相信经过不断改进和完善，不久合 金钢拼装式辙叉将在我国铁路干线上，尤其是在跨区 间无缝线路上会得到迅速发展。 参考文献： 1刘语冰铁路道岔论文集M北京：中国铁道出版社，2004 2 于兴义60 kgm 12号拼装式合金钢辙叉对道岔无缝化的适应性 研究J铁道标准设计，2006(5) 7 维普资讯 http:/