42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌運(yùn)輸方案研究

劉 飛，昌月朝，殷 濤

LIU Fei, CHANG Yue-chao, YIN Tao

（中國鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

(Transportation and Economics Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌運(yùn)輸方案研究

劉 飛，昌月朝，殷 濤

LIU Fei, CHANG Yue-chao, YIN Tao

（中國鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

(Transportation and Economics Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

根據(jù) 42 號道岔的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從裝載方式和加固方式 2 個方面設(shè)計(jì) 42號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌運(yùn)輸方案。在長鋼軌運(yùn)輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用 42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌側(cè)向剛度小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制訂 4 輛普通平車跨裝運(yùn)輸方案，并且從垂向載荷、橫向加固強(qiáng)度和縱向加固強(qiáng)度 3 個角度計(jì)算分析 42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌的裝載加固強(qiáng)度，結(jié)果表明該運(yùn)輸方案滿足運(yùn)輸安全要求。

42 號道岔；鐵路運(yùn)輸；普通平車；裝載方案

1　概述

隨著我國鐵路客運(yùn)專線建設(shè)的不斷推進(jìn)，高速鐵路道岔的研發(fā)、制造等綜合技術(shù)逐步形成詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范[1]。同時，高速鐵路道岔的鐵路運(yùn)輸裝載加固方案也有相關(guān)研究，劉克虎等[2]對客運(yùn)專線 30號道岔采用專用轉(zhuǎn)向架、2 輛 D22A型長大平車跨裝運(yùn)輸裝載加固方案進(jìn)行研究，張長青[3]對高速鐵路 42 號道岔采用六支點(diǎn)轉(zhuǎn)向架，4 輛普通平車跨裝運(yùn)輸裝載加固方案進(jìn)行研究。目前，無論是采用 D型車的運(yùn)輸方案還是采用普通平車的運(yùn)輸方案，高速鐵路 42 號道岔都是利用貨物轉(zhuǎn)向架跨裝運(yùn)輸，通過鋼絲繩與槽鋼制作的卡具將 42 號道岔與貨物轉(zhuǎn)向架加固為一體，在保持直線度的情況下順利通過曲線。但是，D 型車運(yùn)輸方案成本高，車輛來源少，存在車輛不能及時提供造成運(yùn)輸延誤的情況，普通平車方案存在道岔不能順利回位，車輛偏重等問題。此外，當(dāng)只運(yùn)輸?shù)啦淼霓D(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌配件時，無論是 D 型車方案還是普通平車方案，都存在道岔不能順利回位問題。因此，研究制訂能夠符合高速鐵路道岔超長、轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌側(cè)向剛度小、轍叉?zhèn)认騽偠却蟮冉Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且經(jīng)濟(jì)合理的鐵路運(yùn)輸方案勢在必行。

42 號道岔是高速鐵路的區(qū)間渡線道岔，直向限速與區(qū)間相同，速度為 250 km/h 或 350 km/h，側(cè)向限速為 160 km/h[4]，42 號道岔由鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌下基礎(chǔ) (岔枕和道床)、轉(zhuǎn)換設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、融雪裝置、道岔前后軌道剛度過渡段等部件組成[5]，具有較高的制造、組裝和鋪設(shè)精度要求。從運(yùn)輸角度分析，42 號道岔的扣件系統(tǒng)、軌下基礎(chǔ)、轉(zhuǎn)換設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、融雪裝置、道岔前后軌道剛度過渡段等打包后可以通過鐵路敞車、棚車或公路直接運(yùn)輸?shù)戒佈b現(xiàn)場，受運(yùn)輸線路條件限制較小。42 號道岔鋼軌部件如表1 所示。由表1 可以看出，與普通道岔相比，42 號道岔的鋼軌部件如可動心軌轍叉、轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌等長度較長，需要采用鐵路跨裝運(yùn)輸。其中，可動心轍叉?zhèn)认騽偠却?，水平方向彎曲不得超過其自由長度的 1/1 000，而轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌側(cè)向剛度小[6]，水平方向可彎曲。

表1　42 號道岔鋼軌部件

2　42號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌運(yùn)輸方案設(shè)計(jì)

42 號道岔轉(zhuǎn)轍器由基本軌與尖軌組成，基本軌為 60 kg/m 鋼軌，尖軌一般采用 60D40 鋼軌，材質(zhì)與基本軌相同[7]，或者采用德國進(jìn)口 60E1A1 鋼軌，材質(zhì)為 R350HT 硬頭軌。長導(dǎo)軌與基本軌結(jié)構(gòu)形式相同，當(dāng)線路設(shè)計(jì)速度為 250 km/h 時，滿足《250 km/h 客運(yùn)專線 60 kg/m 鋼軌暫行技術(shù)條件》；當(dāng)線路設(shè)計(jì)速度為 350 km/h 時，滿足《350 km/h 客運(yùn)專線 60 kg/m 鋼軌暫行技術(shù)條件》。利用轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌側(cè)向剛度小，在運(yùn)輸中可彎曲的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)運(yùn)用性能滿足安全要求的運(yùn)輸方案。

2.1裝載方式

（1）滑臺布置位置。轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌長度范圍為 44 240—49 192 mm，采用 6 個滑臺，4 輛換長為1.3 的普通平車進(jìn)行跨裝運(yùn)輸。第 1、第 4 車每車放置 1 個滑臺，位于車輛橫中心處；第 2、第 3 車每車放置 2 個滑臺，2 個滑臺分別位于從車輛兩端數(shù)第 3個支柱槽處，具體滑臺布置位置如圖1 所示。

圖1　滑臺布置位置

（2）轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌裝載方式。轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌單層裝載在滑臺上，為滿足不偏載的技術(shù)要求，以車組縱中心線為基準(zhǔn)對稱裝載 1 組轉(zhuǎn)轍器 (2 根基本軌和 2 根尖軌)，其中基本軌長度中心線與車組橫中心線重合，再在其兩側(cè)各裝載 3 根導(dǎo)軌，導(dǎo)軌一端與轉(zhuǎn)轍器大頭端對齊?；_在加焊鋼擋時，以車輛縱中心線為基準(zhǔn)對稱焊接，2 個鋼擋的間距為轉(zhuǎn)轍器與導(dǎo)軌裝載寬度。轉(zhuǎn)轍器、導(dǎo)軌、滑臺和鋼擋的布置位置如圖2 所示。

圖2　轉(zhuǎn)轍器、導(dǎo)軌、滑臺和鋼擋的布置位置

2.2加固方式

用鋼絲繩雙股在滑臺兩側(cè)各拉牽 1 個八字形捆綁在車輛支柱槽上，根據(jù)力值的大小選擇不同直徑的鋼絲繩即可，轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌在運(yùn)輸時采用緊固裝置將其加固為一體，緊固裝置加固示意圖如圖3所示。緊固裝置由夾板、墊塊、螺栓、緊固螺母和防松螺母組成，用 6 根螺栓將轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌緊固為一體，考慮尖軌加工長度，將夾板卡槽與第 2車外端滑臺固定，以限制轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌的縱向位移，同時可防止鋼軌側(cè)向翻轉(zhuǎn)、鋼軌間橫向位移。車組在通過曲線時，轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌在滑臺鋼擋橫向約束下發(fā)生彎曲，限制其橫向位移，產(chǎn)生的橫向力作用在滑臺鋼擋上。

3　42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌加固強(qiáng)度分析

3.1垂向載荷計(jì)算

由裝載方式可知，轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌共支承在 6個支點(diǎn)上，屬于多跨度連續(xù)超靜定梁，需要建立位移協(xié)調(diào)方程，形成 6 維線性方程組，通過 Matlab 編程求解。由于鐵路平車車體的彈性遠(yuǎn)小于車輛轉(zhuǎn)向架懸掛彈簧的彈性，計(jì)算時僅考慮轉(zhuǎn)向架懸掛彈簧彈性。轉(zhuǎn)轍器基本軌與導(dǎo)軌線密度為 60 kg/m，60D40 尖軌線密度為 70 kg/m。因此，假設(shè)裝載鋼軌全部為 60D40 軌、長度為 49 192 mm 時，車輛承重、轉(zhuǎn)向架承重及轉(zhuǎn)向架承重差最大，計(jì)算 4 車等高時各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重數(shù)據(jù)如表2 所示，第 1 車高 20 mm 時各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重數(shù)據(jù)如表3 所示，第 2 車高 20 mm 時各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重數(shù)據(jù)如表4 所示。

表2　4 車等高時各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重數(shù)據(jù)

表3　第 1 車高 20 mm 時各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重數(shù)據(jù)

表4　第 2 車高 20 mm 時各車輛承重和轉(zhuǎn)向架承重數(shù)據(jù)

圖3　緊固裝置加固示意圖

比較表2—表4 數(shù)據(jù)可知，車輛承重最大為10.92 t，轉(zhuǎn)向架承重最大為 6.27 t，轉(zhuǎn)向架承重差最大為 1.71 t，均滿足《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》要求。

3.2橫向加固強(qiáng)度分析

（1）橫向載荷計(jì)算。轉(zhuǎn)轍器由基本軌和尖軌 2 部分構(gòu)成，基本軌對垂直軸線的慣性矩為 524.0 cm4，尖軌對垂直軸線的慣性矩為 765.3 cm4[7]，由截面特性可知，當(dāng)轉(zhuǎn)轍器受橫向約束彎曲時，尖軌彎曲產(chǎn)生的橫向力大于基本軌彎曲產(chǎn)生的橫向力，因而假設(shè) 1 組轉(zhuǎn)轍器、6 根長導(dǎo)軌全部為 60D40 鋼軌時，彎曲產(chǎn)生的橫向力最大。車組允許通過最小曲線半徑為 150 m，以 4 輛車均進(jìn)入曲線內(nèi)為例進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)轍器彎曲產(chǎn)生的橫向載荷如表5 所示。由表5 可以看出，第 2 車外端滑臺處橫向鋼擋 2、第 3 車外端滑臺橫向鋼擋 5 承受的橫向力最大，為20.02 kN。

表5　轉(zhuǎn)轍器彎曲產(chǎn)生的橫向載荷

（2）橫向加固強(qiáng)度計(jì)算。轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌橫向位移利用鋼擋約束，鋼擋與滑臺焊接固定，假設(shè)焊縫高度為 0.6 cm，焊縫許用剪切應(yīng)力為 70 MPa，所需焊縫長度[8]為

式中：L橫為焊縫長度；ΔN 為橫向載荷；K 為焊縫高度；[τ] 為焊縫許用剪切應(yīng)力。

由此可知，鋼擋每側(cè)焊縫長度不小于 6.81 cm，即可滿足橫向加固強(qiáng)度要求。

3.3縱向加固強(qiáng)度分析

由 42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及導(dǎo)軌裝載方案可知，轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌重 30.6 t，跨裝車組總重為 123.6 t，縱向慣性力為 264 kN，縱向摩擦力大小為 153 kN，緊固裝置承受的縱向加固力不小于 111 kN 即可。緊固裝置加固力計(jì)算如下。

（1）緊固螺栓許用應(yīng)力計(jì)算。緊固裝置螺栓直徑 d 為 24 mm，截面積 s 為 353 mm2。選用螺栓材質(zhì)為 45＃ 鋼，性能等級為 6.8，屈服應(yīng)力 σs取值為480 MPa，則許用應(yīng)力

（2）緊固裝置預(yù)緊力計(jì)算。預(yù)緊系數(shù) k 為 1.2，單根螺栓預(yù)緊力 N0＝ 282.3×353/1.2＝83 043.25 N，即螺栓可達(dá)到的最大預(yù)緊力為 83 043.25 N。當(dāng)預(yù)緊力矩 T ＝ 320 N · m、擰緊力矩系數(shù) K ＝ 0.28時，單根螺栓可達(dá)到的預(yù)緊力(0.28×0.024) = 47 619 N，則緊固裝置總預(yù)緊力 N＝6×47 619 ＝ 285 714 N。

（3）緊固裝置縱向加固力計(jì)算。42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌與緊固裝置摩擦系數(shù)為 0.3，則緊固裝置縱向加固力 F ＝ 285 714×0.3×2 ＝ 171.43 kN。由此可知，緊固裝置縱向加固力大于所需的最小加固力 111 kN，轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌的縱向加固強(qiáng)度滿足要求。

綜上所述，通過一系列的計(jì)算可知，車輛不超載、不偏載、不偏重，對鋼擋施焊長度不小于6.81 cm、緊固螺栓預(yù)緊力矩不小于 320 N · m 時，42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌的裝載加固性能完全滿足運(yùn)輸要求。

4　結(jié)束語

42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌運(yùn)輸方案在借鑒長鋼軌運(yùn)輸成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分利用轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌側(cè)向剛度小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，解決現(xiàn)有的普通平車運(yùn)輸方案道岔不能回位、車輛偏重問題。同時，與D 型車方案相比，普通平車車輛來源較廣、運(yùn)輸成本相對較低，為 42 號道岔轉(zhuǎn)轍器及長導(dǎo)軌運(yùn)輸提供新的思路。

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[3] 張長青. 我國鐵路客運(yùn)專線 42 號道岔運(yùn)輸方案研究[J]. 鐵道運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)，2012，34(6)：74-77. ZHANG Chang-qing. Study on Transport Scheme of 42# Turnout on DPL[J]. Railway Transport and Economy，2012，34(6)：74-77.

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[5] 王 平. 高速鐵路道岔設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

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[7] 中華人民共和國鐵道部. TB/T 3109—2013 鐵路道岔用非對稱斷面鋼軌[S]. 北京：中國鐵道出版社，2013. Ministry of Railways of the People’s Republic of China. TB/T 3109—2013 Switch and Crossing Rails[S]. Beijing：China Railway Publishing House，2013.

[8] 中華人民共和國鐵道部. 鐵路貨物裝載加固規(guī)則[M]. 北京：中國鐵道出版社，2006.

責(zé)任編輯：馮姍姍

高鐵與長江黃金水道“并駕齊驅(qū)”

2015年12月6日9 : 33，D5602 次動車組從千年古城安慶平穩(wěn)開出，經(jīng)池州、銅陵、蕪湖等地駛向南京。南京至安慶高鐵開通運(yùn)營，高鐵與長江黃金水道“并駕齊驅(qū)”。

寧安高鐵初期安排開行安慶至合肥、南京、上海等方向動車組 15 對。南京至安慶列車運(yùn)行時間由原來的 5 h 53 min 縮短至 1 h 54 min，安慶至合肥、上海列車最短運(yùn)行時間分別為 1 h 32 min 和 3 h 58 min，均較既有普速列車運(yùn)行時間壓縮一半以上。

寧安高鐵起于江蘇省南京市，經(jīng)安徽省馬鞍山、蕪湖、銅陵、池州市，終到安慶市，全長257 km。2009 年4月，寧安高鐵開工建設(shè)。全長6 858 m 的安慶鐵路長江大橋，是寧安高鐵的重點(diǎn)控制性工程，具有“深水、大跨、高速、重載”等特點(diǎn)，全橋斜拉索達(dá) 216 根。2015 年5月，寧安高鐵鋪軌全部完成；8月，全線開始聯(lián)調(diào)聯(lián)試。

寧安高鐵與京滬高鐵、合福高鐵及長三角城際鐵路網(wǎng)相連，將大大縮短沿線城市與長三角各中心城市間的時空距離，進(jìn)一步完善區(qū)域交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，密切各城市間的聯(lián)系與交流合作，對更好地發(fā)揮長三角區(qū)域經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和輻射作用，加快區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程，促進(jìn)蘇皖地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義。

（摘自《人民鐵道》報）

Study on Transport Program of Switch Machine and Long Guide Rail of 42# Turnout

According to the composition and structural characteristics of 42# turnout, from the 2 aspects of loading mode and reinforcement mode, the transport program of switch machine and long guide rail of 42# turnout was designed. Based on transport technology of long rail, by referring the structural characteristics of their small lateral rigidity, the program of straddle transportation by 4 common flat cars was established, and the loading & reinforcement intensity of the switch and the rail were calculated and analyzed from 3 angles like vertical loading, lateral reinforcement intensity and longitudinal reinforcement intensity, the result shows the transport program could satisfy the demand of transport safety.

42# Turnout; Railway Transportation; Common Flat Car; Loading Program

1003-1421(2015)12-0083-05

U294.6；U294.25

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2015.12.17

2015-11-16

中國鐵路總公司科研試驗(yàn)任務(wù)(Z2013-037)；中國鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2014YJ097)