李曉光

（中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司長(zhǎng)春高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段，吉林長(zhǎng)春 130051）

我國(guó)鐵路車輪形面較多，難以實(shí)現(xiàn)良好的輪軌匹配，主要表現(xiàn)為輪軌接觸區(qū)不在設(shè)計(jì)的軌頭踏面中心區(qū)域［1-2］。當(dāng)輪軌長(zhǎng)期不能磨合時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼軌的早期滾動(dòng)接觸疲勞傷損，打磨不及時(shí)將造成剝離掉塊、隱傷等傷損，嚴(yán)重時(shí)可引發(fā)斷軌［3-5］。根據(jù)我國(guó)鐵路輪軌接觸關(guān)系存在的問題，并借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)鐵路近年來也開展了鋼軌軌頭廓形優(yōu)化工作，并成功研發(fā)出具有新軌頭廓形的60N 和75N 鋼軌，顯著改善了輪軌關(guān)系，取得良好使用效果［6-7］。

為了使道岔區(qū)鋼軌與區(qū)間鋼軌廓形一致，同時(shí)為了有效避免部分高速鐵路線路列車高速通過道岔區(qū)域出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向架橫向加速度報(bào)警問題，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)，有關(guān)單位研發(fā)制造了60N鋼軌18號(hào)無(wú)砟道岔，試制的道岔尖軌采用60AT2鋼軌制造、60N廓形銑刀加工。

本文通過對(duì)京沈客運(yùn)專線喀左站鋪設(shè)的60N 鋼軌18號(hào)無(wú)砟高速道岔開通前預(yù)打磨、聯(lián)調(diào)聯(lián)試進(jìn)行道岔動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)服役情況，研究和驗(yàn)證其在高速條件下的適用性。

1 鋼軌預(yù)打磨試驗(yàn)

目前，我國(guó)高速鐵路線路和道岔鋼軌預(yù)打磨目標(biāo)廓形均為設(shè)計(jì)廓形（60D）或60N［8］。當(dāng)要將原60 kg/m鋼軌打磨到上述目標(biāo)廓形要求時(shí)，其軌距角最大打磨量分別約為+0.9，+1.4 mm。傳統(tǒng)道岔打磨車功率和砂輪直徑較小，導(dǎo)致其切削效率較低，同時(shí)道岔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使得預(yù)打磨難度較大。

對(duì)于原60 kg/m 鋼軌18 號(hào)道岔而言，其預(yù)打磨流程為：鋼軌廓形調(diào)查→道岔斷面覆蓋打磨（限打區(qū)跳打）→道岔重點(diǎn)區(qū)域加打（限打區(qū)跳打）→道岔小角度通打。這種打磨方式具有道岔平順性高、廓形對(duì)稱性好等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)打磨提出了更高的要求，特別是限打區(qū)的跳打。上述區(qū)域?yàn)樽兘孛鎱^(qū)域，同時(shí)存在相應(yīng)的降低值，若該區(qū)域中的直尖軌打磨量過大，可能導(dǎo)致尖軌輪軌接觸應(yīng)力過大，在直尖軌非工作邊未倒棱時(shí)，直尖軌更易出現(xiàn)縱向水平裂紋，影響行車安全；若不對(duì)直尖軌進(jìn)行打磨或打磨量過小，則可能使直尖軌和對(duì)側(cè)直基本軌廓形不對(duì)稱，容易引發(fā)列車橫向失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致列車構(gòu)架報(bào)警或晃車。

60N 鋼軌道岔尖軌、心軌和翼軌均采用60N 廓形銑刀加工，所以其廓形在縱向上的順接性和左右股的對(duì)稱性均良好?？紤]道岔尖軌和心軌部位由銑刀加工，并不存在脫碳層，所以60N 鋼軌18 號(hào)道岔預(yù)打磨時(shí)限打區(qū)可跳過不打，其預(yù)打磨流程可簡(jiǎn)化為：鋼軌廓形調(diào)查→道岔斷面覆蓋通打（限打區(qū)不打）。這不僅大大簡(jiǎn)化了打磨流程，而且減小了打磨難度，可明顯提高打磨效率。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)道岔打磨結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，使用CMG-16型道岔打磨車對(duì)60 kg/m 鋼軌道岔進(jìn)行預(yù)打磨，軌頭廓形打磨成60N 廓形，一般需要打磨20 遍左右。此次，京沈客運(yùn)專線60N 鋼軌道岔預(yù)打磨使用CMG-16型道岔打磨車進(jìn)行了6～8遍軌面全覆蓋打磨，達(dá)到了去除脫碳層的目的。60N鋼軌道岔進(jìn)行預(yù)打磨可以更容易控制打磨廓形和目標(biāo)廓形的偏差，提高打磨質(zhì)量，減少打磨工作量60%以上。

2 動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)

搭載CRH380AJ-0203 綜合檢測(cè)列車逐級(jí)提速試驗(yàn)完成60N 鋼軌18號(hào)無(wú)砟道岔動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試，包括列車逐級(jí)提速直向通過道岔試驗(yàn)和側(cè)向通過道岔試驗(yàn)2部分。

列車逐級(jí)提速直向通過道岔試驗(yàn)中，列車運(yùn)行速度級(jí)為5，180，200，220，240，260，280，300，310，320，330，340，350，360，370，380，385 km/h。

列車側(cè)向通過道岔試驗(yàn)中，通過1 號(hào)岔位道岔的速度為 70，80，90 km/h，通過 9 號(hào)岔位道岔的速度為70，80 km/h。

選取60N鋼軌18號(hào)單開道岔（1號(hào)岔位）和60 kg/m鋼軌18 號(hào)單開道岔（9 號(hào)岔位）各1 組，結(jié)合聯(lián)調(diào)聯(lián)試開展直向、側(cè)向通過道岔動(dòng)力學(xué)測(cè)試。用剪應(yīng)力法測(cè)試試驗(yàn)列車通過軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用測(cè)點(diǎn)時(shí)的輪軌垂向力P和橫向水平力Q，據(jù)此計(jì)算機(jī)車車輛內(nèi)外輪脫軌系數(shù)Q/P、輪重減載率ΔP/P和輪軌橫向力（Q1-Q2），判定試驗(yàn)列車運(yùn)行的安全性，并對(duì)輪軌垂向力過渡、鋼軌位移進(jìn)行測(cè)試，以此對(duì)新廓形道岔鋼軌動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 安全性指標(biāo)

綜合檢測(cè)列車以不同速度直向通過1號(hào)岔位和9號(hào)岔位18號(hào)道岔時(shí)，尖軌前和轍叉后動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試斷面安全性指標(biāo)對(duì)比如圖1所示。

直向通過1 號(hào)和9 號(hào)岔位道岔尖軌前斷面時(shí)，脫軌系數(shù)實(shí)測(cè)最大值分別為0.14，0.28，輪重減載率實(shí)測(cè)最大值分別為0.33，0.39；直向通過1號(hào)岔位道岔轍叉后斷面時(shí)，脫軌系數(shù)實(shí)測(cè)最大值為0.58，輪重減載率實(shí)測(cè)最大值為0.72，均小于安全限值0.8。輪軌橫向力實(shí)測(cè)最大值為14.9 kN，小于安全限值，橫向水平力實(shí)測(cè)最大值為10.8 kN。

側(cè)向通過1 號(hào)和9 號(hào)岔位道岔尖軌前斷面時(shí)，脫軌系數(shù)實(shí)測(cè)最大值分別為0.34，0.29，輪重減載率實(shí)測(cè)最大值分別為0.32，0.29；側(cè)向通過1號(hào)岔位道岔轍叉后斷面時(shí)，脫軌系數(shù)實(shí)測(cè)最大值為0.22，輪重減載率實(shí)測(cè)最大值為0.28，均小于安全限值0.8。輪軌橫向力實(shí)測(cè)最大值為23.7 kN，小于安全限值，橫向水平力實(shí)測(cè)最大值為24.8 kN。

圖1 列車通過道岔安全性指標(biāo)對(duì)比

綜合檢測(cè)列車通過1 號(hào)和9 號(hào)岔位道岔時(shí)脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力及橫向水平力均小于安全限值。綜合檢測(cè)列車直向以300 km/h 以上速度通過1 號(hào)岔位道岔時(shí)，脫軌系數(shù)和輪軌橫向力指標(biāo)均優(yōu)于9號(hào)岔位。

2.2 道岔部件變形

綜合檢測(cè)列車直向通過道岔軌道部件橫向位移對(duì)比如圖2（a）所示。通過1 號(hào)岔位道岔時(shí)，直基本軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.19 mm，曲基本軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.19 mm，翼軌橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.66 mm；通過9 號(hào)岔位道岔時(shí)，直基本軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.28 mm，曲基本軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.32 mm，翼軌橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.34 mm，均小于限值1.5 mm。

綜合檢測(cè)列車側(cè)向通過道岔軌道部件橫向位移對(duì)比如圖2（b）所示。通過1 號(hào)岔位道岔時(shí)，岔前直基本軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.74 mm，曲基本軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.36 mm，岔中曲導(dǎo)軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.43 mm，翼軌橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.72 mm；通過9 號(hào)岔位道岔時(shí)，岔前直基本軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.47 mm，曲基本軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.44 mm，岔中曲導(dǎo)軌軌頭橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.33 mm，翼軌橫向位移實(shí)測(cè)最大值為0.46 mm，均小于限值3.0 mm。

圖2 列車通過道岔軌道部件橫向位移對(duì)比

綜合檢測(cè)列車通過1 號(hào)和9 號(hào)岔位道岔時(shí)軌道部件橫向位移基本相近，直向通過時(shí)1 號(hào)岔位直基本軌和曲基本軌橫向位移略小于9 號(hào)岔位，翼軌橫向位移略大于9號(hào)岔位。

2.3 尖軌開口量

圖3 列車通過道岔尖軌開口量對(duì)比

綜合檢測(cè)列車通過道岔尖軌開口量對(duì)比如圖3所示。通過1 號(hào)岔位道岔時(shí)，直向尖軌開口量最大為0.36 mm，側(cè)向尖軌開口量最大為0.18 mm；通過9 號(hào)岔位道岔時(shí)，直向尖軌開口量最大為0.33 mm，側(cè)向尖軌開口量最大為0.25 mm，均小于限值3.0 mm。綜合檢測(cè)列車通過1 號(hào)和9 號(hào)岔位道岔時(shí)尖軌開口量基本相當(dāng)。

2.4 尖軌應(yīng)力

綜合檢測(cè)列車通過道岔軌底應(yīng)力對(duì)比如圖4 所示。通過1 號(hào)岔位道岔時(shí)，直尖軌40 mm 斷面軌底應(yīng)力實(shí)測(cè)最大值為63.1 MPa，直尖軌50 mm 斷面軌底應(yīng)力實(shí)測(cè)最大值為60.1 MPa；通過9 號(hào)岔位道岔時(shí)，直尖軌40 mm 斷面軌底應(yīng)力實(shí)測(cè)最大值為54.7 MPa，直尖軌50 mm 斷面軌底應(yīng)力實(shí)測(cè)最大值為55.5 MPa，均小于限值355 MPa。綜合檢測(cè)列車通過1 號(hào)和9 號(hào)岔位道岔時(shí)尖軌應(yīng)力基本相當(dāng)。

圖4 列車通過道岔軌底應(yīng)力對(duì)比

2.5 輪軌垂向力在尖軌和基本軌上的過渡

綜合檢測(cè)列車以不同速度直向通過1 號(hào)和9 號(hào)岔位18 號(hào)道岔時(shí)輪軌垂向力過渡對(duì)比如圖5 所示。通過1 號(hào)岔位道岔時(shí)，直尖軌10 mm 斷面不承受輪軌垂向力，20 mm 斷面承受15%～24%輪軌垂向力，30 mm斷面承受46%～65%輪軌垂向力，40 mm 斷面承受70%～85%輪軌垂向力，50 mm 斷面承受100%輪軌垂向力；通過9號(hào)岔位道岔時(shí)，直尖軌10 mm 斷面不承受輪軌垂向力，20 mm 斷面承受16%～26%輪軌垂向力，30 mm 斷面承受51%～61%輪軌垂向力，40 mm 斷面承受72%～83%輪軌垂向力，50 mm 斷面承受100%輪軌垂向力。

圖5 列車通過道岔輪軌垂向力過渡對(duì)比

綜合檢測(cè)列車通過1 號(hào)和9 號(hào)岔位道岔輪軌垂向力在尖軌和基本軌上的過渡結(jié)果基本一致，輪軌荷載轉(zhuǎn)移符合要求。

3 道岔使用情況

60N 道岔尖軌廓形曲線如圖6 所示，其現(xiàn)場(chǎng)情況如圖7 所示。60N 鋼軌道岔運(yùn)營(yíng)11 個(gè)月后，直尖軌和心軌廓形與綜合檢測(cè)試驗(yàn)前基本重合，這表明試驗(yàn)期間道岔區(qū)域鋼軌尚未產(chǎn)生明顯磨耗，鋼軌表面光潔無(wú)明顯傷損情況。

圖6 60N道岔尖軌廓形曲線

檢測(cè)下行線喀左站1 號(hào)岔位60N 鋼軌道岔，對(duì)比綜合試驗(yàn)期間與運(yùn)營(yíng)后綜合檢測(cè)列車檢測(cè)情況，檢測(cè)圖幅線形線位沒有出現(xiàn)明顯變化，未檢測(cè)到超限點(diǎn)。

圖7 60N道岔尖軌廓形

運(yùn)營(yíng)期間道岔沒有出現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換、卡阻等故障；車載式線路檢查儀未檢測(cè)到Ⅰ級(jí)及以上水平加速度、垂直加速度；動(dòng)態(tài)人工添乘也沒有發(fā)現(xiàn)體感晃車和車體抖動(dòng)。

4 結(jié)論

通過對(duì)60N 鋼軌18號(hào)無(wú)砟道岔預(yù)打磨、聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)服役情況分析，可得到如下結(jié)論：

1）60N 鋼軌道岔可實(shí)現(xiàn)與區(qū)間60N 鋼軌的匹配，與60 kg/m 鋼軌18號(hào)無(wú)砟道岔預(yù)打磨相比減少打磨工作量60%以上，打磨質(zhì)量更容易保證。

2）綜合檢測(cè)列車以不同速度通過60N 鋼軌18 號(hào)無(wú)砟道岔時(shí)，安全性、平穩(wěn)性、舒適性及道岔結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等指標(biāo)均滿足列車運(yùn)行要求。與60 kg/m 鋼軌18號(hào)無(wú)砟道岔列車動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明，構(gòu)架脫軌系數(shù)和輪軌橫向力峰值有所降低，其他動(dòng)力學(xué)指標(biāo)基本相當(dāng)。

3）60N 鋼軌18 號(hào)無(wú)砟道岔服役性能試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼軌服役性能良好，無(wú)明顯磨耗及傷損情況產(chǎn)生。