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1、客运专线道岔AT钢轨选型的研究第29卷,第3期中国铁道科学Vol129No132020年5月CHINARAILWAYSCIENCEMay,2020文章编号:100124632(2020)0320063205客运专线道岔AT钢轨选型的研究王树国,葛晶(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081)摘要:道岔尖轨和可动心轨用矮型特种断面钢轨(简称AT钢轨)加工制造。配合CHN60钢轨,AT钢轨断面可有不同的选择。通过对国内外AT钢轨基本参数和使用情况的分析,根据道岔构造的要求,以为中国客运专线道岔用AT钢轨应该在CHN60AT钢轨、Zul260钢轨和60D钢轨中选择。对采用3种AT钢轨制造的
2、尖轨的构造特点、强度、转换阻力以及缺乏位移等因素进行综合比选分析,并结合其他方面的要求及相关的技术标准,最终提出采用60D钢轨作为我国客运专线道岔AT钢轨的建议。在胶济线胶州北站的综合试验结果表明:采用60D钢轨制造的尖轨与CHN60钢轨的配合良好,转换阻力小于转辙机牵引力,且有较高的强度储备。关键词:客运专线道岔;AT钢轨;选型中图分类号:U213141文献标识码:A收稿日期:2007207203;修订日期:2020202130基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2005G034)作者简介:王树国(1974),男,山东冠县人,助理研究员,道岔尖轨和可动心轨采用矮型特种断面钢轨(简称AT钢轨
3、)加工制造。配合CHN60钢轨,AT钢轨断面可有不同的选择。我国既有线及秦沈线道岔采用CHN60AT钢轨。国外高速铁路道岔采用的AT钢轨类型主要有法国的60A,60D;德国的Zul260;日本的70S和80S等1,2。法国的60A钢轨与基本轨无高差,道岔构造处理独特,基本轨内侧无法设置扣件,不适于我国铁路的运行条件。日本用于高速铁路道岔的70S钢轨,只适于和该国的50T钢轨轨型匹配,不适于和我国的CHN60钢轨匹配;日本的80S钢轨虽适于和我国的CHN60钢轨匹配,但两者高差仅为15mm,无法设置弹性扣件来扣压基本轨,同样不能用其制造我国客运专线道岔的尖轨和心轨。因而,我国客运专线道岔的60A
4、T钢轨应该在CHN60AT钢轨、Zul260钢轨和60D钢轨中选择。本文基于以上3种AT钢轨制造的尖轨和心轨(简称CHN60AT尖轨和心轨、Zul260尖轨和心轨及60D尖轨和心轨)的构造特点、强度、转换阻力及缺乏位移等因素进行综合分析比选。13种AT钢轨构造特点分析AT钢轨轨型的选择除了考虑与相应基本轨的配合外,还要考虑其截面积、惯性矩等参数,3种AT钢轨的截面几何参数见表1。表13种AT钢轨主要几何参数比拟3轨型CHN60AT60DZul260截面积/cm21048993单位重量/(kg?m-1)827073与基本轨的高差/mm243442竖向惯性矩/cm4253920401728横向惯性
5、矩/cm4901764744111CHN60AT钢轨为知足我国既有线客货共线和重载需求研制出的CHN60AT钢轨,在提速道岔和秦沈线道岔中得到广泛应用。长期运营实践证实,尖轨强度大,抗变形能力强,能适应重载铁路(60及75kg?m-1钢轨线路)和提速线路的运营要求,是合适中国既有铁路道岔的AT钢轨轨型。但用于客运专线道岔,存在下面问题。(1)与基本轨的高差缺乏,限制了滑床板基本轨内侧扣压件的构造型式,采用弹片扣压的设计不尽合理,使用中容易发生弹片塑性变形、失效、折断等情况。其原因除与弹片热处理工艺有关外,一个重要的因素就是销钉和弹片受60AT钢轨和基本轨高差的限制,难以实现更合理的设计。国外A
6、T钢轨与基本轨的高差一般都在30mm以上(俄罗斯的高差为40mm),便于选择更有效的扣压型式。瑞士Schwihag公司的弹性扣压件要求其最小高差为26mm。(2)y轴的惯性矩大,尖轨和心轨转换阻力大,假如用其制造双肢弹性可弯心轨,更将增大转换阻力,可能会使转换阻力超出转辙机的牵引力。(3)钢轨截面积大、不对称,导致残余应力大,使用中出现的变形难以整治。(4)在材质的均匀性、机加工精度和外表淬火等方面还存在问题。112法国高速道岔的60D钢轨法国目前大量使用60D钢轨制造道岔尖轨和心轨,与UIC60钢轨的高差为30mm(采用CHN60基本轨时为34mm)。他们用60D取代初期使用的60A,使竖向
7、惯性矩提高17%,进而有效地降低了对道床的毁坏,减小了养护维修工作量,同时妥善解决了长尖轨和可动心轨转换缺乏位移的问题(配合滑床台减磨、采用滚轮等措施)。113德国Zul260钢轨在德国,Zul260钢轨不仅用来制造高速道岔的尖轨和可动心轨,还大量应用于货车轴重225kN的既有线道岔。我国从奥地利引进的16组60212道岔尖轨和心轨就是使用Zul260钢轨制造的,该型号道岔铺设于京津线万庄站,迄今通过总重已逾6亿t,未发生强度缺乏、塑性变形等问题。德国在高速道岔区将轨道刚度降低为17152215kN?mm-1,尖轨及可动心轨范围内的轨道刚度甚至低达1015kN?mm-1,这除了与无砟轨道基础的
8、要求有关外,还与延长尖轨弹性曲线范围、减小变形等目的有关。而采用弹性滑床板,旨在使基本轨和尖轨位于相对接近的弹性基础上。我国客运专线2种大号码道岔侧向通过速度分别为160及220km?h-1。根据法、德两国高速道岔的应用经历,要求心轨必须采用双弹性肢构造,旨在消除短心轨跟端斜接头在高速行车条件下的不稳定和不安全因素。这就要求AT钢轨有适宜的对y轴的惯性矩,以利于可动心轨的转换。23种AT钢轨强度及转换分析2113种AT钢轨制造的尖轨强度分析21111计算模型及荷载工况在尖轨断面逐步变大的经过中,尖轨所承受的列车作用力逐步增大,在尖轨轨头顶宽50mm断面处承受所有的竖向力和横向力。考虑到尖轨的荷
9、载分布情况,模型长度取自轨头顶宽20mm断面至70mm断面处,荷载作用于轨头顶面50mm断面处。根据尖轨断面的实际变化情况,分别针对CHN60AT钢轨、Zul260钢轨以及60D钢轨制造的尖轨建立实体有限元分析模型3,断面削弱方式均采用中国18号道岔尖轨构造,有限元分析模型如图1所示。图1有限元模型在有限元模型中,钢轨采用实体单元建模,滑床板对尖轨的竖向和侧向支承作用分别简化为竖向和横向弹簧。在轨底处基本轨对尖轨的支承作用加强;而在轨头部位,由于横向力作用使轨头外翻,基本轨对尖轨的支承作用减弱。因而在尖轨的横向采用了2种不同刚度的横向弹簧。竖向和横向弹簧的参数根据道岔动态试验结果选取如下:竖向
10、支承刚度在重载条件下为4215kN?mm-1、在高速条件下为30kN?mm-1;轨底处横向支承刚度为200kN?mm-1;轨头处横向支承刚度为25kN?mm-1。计算荷载确实定考虑25t轴重货车和14t轴重动车组2种工况,动载系数为210,货车作用于尖轨的横向力设为7t,客车作用于尖轨的横向力设为5t。荷载工况和计算参数见表2。表2尖轨强度分析荷载工况和计算参数荷载工况竖向力/kN横向力/kN竖向支承刚度/(kN?mm-1)横向支承刚度/(kN?mm-1)轨底轨头货车25070421520025动车组1405030102002521112受力分析在竖向力作用下轨底受拉、轨头受压,在横向力作用下
11、尖轨外侧受拉、内侧受压,因而在竖向力和横向力的共同作用下轨底外侧出现最大拉应力,而内侧轨底应力由于竖向弯曲和横向弯曲的互相抵消,处于较低的应力状态。46中国铁道科学第29卷考虑到可能会出现仅有竖向力作用的工况,针对仅有竖向力作用时的工况也进行了分析,3种尖轨轨底外侧在荷载作用下的Mises应力最大值见表3。表33种尖轨轨底外侧最大Mises应力MPa荷载类型CHN60ATZul260UIC60D货车竖向力+横向力竖向力232165270203262198动车组竖向力+横向力竖向力133103140119136116分析表3数据可得如下结论。(1)CHN60AT尖轨的高度和截面积、竖向抗弯刚度和
12、横向抗弯刚度均大于其他2种尖轨,在一样的荷载和支承条件下,CHN60AT尖轨较其他2种尖轨的强度储备要高。Zul260尖轨较60D尖轨矮,但Zul260尖轨轨腰较厚,二者在荷载作用下的应力相差不大,60D尖轨较Zul260尖轨的强度储备略高。(2)3种尖轨在最不利荷载组合情况下轨底最大Mises应力分别为232,270和262MPa,均知足U75V钢轨的强度要求,可知足250km?h-1客货共线、350km?h-1客运专线的要求。针对转换牵引杆件设备拟安装在尖轨轨底的方案,检算了尖轨轨底开孔后的尖轨50mm处的强度,选择了孔中心离轨底边不同距离(2040mm)、不同孔径(2430mm)及其组合
13、的多种工况进行计算,结果表明轨底开孔会引起较大的应力集中。以尖轨50mm处断面检算结果为例,要求孔中心距轨底边缘30mm以上,孔径小于27mm,其他部位开孔也应进行检算。以上准静态计算的参数取值与实际情况可能存在差异,结果有待试验验证,但就当前保守的最不利组合工况分析,3种尖轨的强度均能知足运营要求。2123种AT尖轨转换分析21211计算模型为从理论上对3种AT钢轨进行比拟,参照文献4,以客运专线18号道岔尖轨的设计长度和牵引点布置为条件,在转辙器上设置3个牵引点,其间距依次为4800和5400mm,而第3牵引点至尖轨固定端的距离为8040mm,对转换力和转换缺乏位移进行理论分析。基于有限元
14、理论建立尖轨的转换计算模型如图2所示。模型采用变截面梁单元模拟,考虑了尖轨构造特征和约束条件,如尖轨转换时牵引点位置、动程、摩擦阻力及一些非线性因素等。基本假定和计算参数如下。(1)尖轨为截面线性变化的欧拉梁,只在水平面内发生横向弯曲变形,考虑跟端扣件的横向刚度Kr,模拟为线性弹簧。(2)各牵引点的扳动力Pi为作用于直曲尖轨牵引点处的集中反作用力之和。(3)考虑尖轨与滑床台板间的摩擦力Fi,摩擦系数取0125。(4)用非线性弹簧模拟基本轨和尖轨的密贴接触以及顶铁和尖轨的接触。(5)缺乏位移定义为:在摩擦力作用下,由斥离状态扳动至贴靠状态时道岔尖轨位置与设计位置的偏差。图2弹性可弯尖轨扳动力计算
15、模型21212结果及分析计算所得尖轨转换阻力和缺乏位移见表4。分析表4数据可知:60D与Zul260尖轨的转换阻力差异不大,但均较CHN60AT尖轨小30%左右。3种AT尖轨转换阻力均小于转辙机牵引阻力。使用60D和Zul260尖轨时缺乏位移略有增大,须引起重视。表43种AT尖轨转换阻力和缺乏位移轨型转换阻力/N一动二动三动缺乏位移/mmCHN60AT1286602321801960D10204852842113Zul26097646026711133客运专线道岔AT钢轨的选型根据以上研究分析,建议按下面原则选择客运专线道岔的AT钢轨轨型。(1)适当增大竖向惯性矩值有利于降低对有砟道床产生的毁
16、坏,减少养护维修工作量,也有利于降低无砟轨道基础的应力及变形。(2)客运专线运行速度高,要求轨道具有高平56第3期客运专线道岔AT钢轨选型的研究顺性,有效控制道岔尖轨转换变形和缺乏位移是确保道岔状态良好的关键因素。(3)侧向通过速度为160km?h-1及以上道岔的可动心轨采用双弹性肢构造,AT钢轨选择原则应有利于降低尖轨和心轨的转换阻力。(4)适当增大AT钢轨和基本轨的高差,给基本轨内侧扣压件和安装辊轮留出足够的空间。根据上述原则,建议采用60D40钢轨(断面与60D一样,但带140轨顶坡)制造我国客运专线道岔尖轨和可动心轨,其断面型式尺寸如图3所示。图360D40钢轨断面(单位:mm)客运专
17、线60AT钢轨的形式尺寸、重量、尺寸允许偏差、平直度和扭曲、材质、制造工艺、检验等按（250km?h-1和350km?h-1客运专线60AT钢轨暂行技术条件）执行。460D40AT钢轨测试分析60D40尖轨与基本轨高差为34mm,采用瑞士施维格公司开发的“几型弹性夹扣压基本轨,实现了对基本轨的稳定扣压,同时可在部分滑床板上安装滚轮系统,变滑动摩擦为滚动摩擦,减小缺乏位移和转换阻力。客运专线18号有砟道岔制造完成后,在胶济线胶州北站进行了试铺5和实车实验,通过测试6尖轨轨头宽43和52mm断面处的轨底应力,以评判尖轨的应力水安然平静强度储备。测试发现,CRH2型动车组、DF11型机车、25T型客
18、车和C70型货车以不同速度通过6号岔位道岔尖轨轨头宽43和52mm断面处时,52mm断面处的轨底应力实测值最大。尖轨轨头宽52mm断面处的轨底应力实测最大值散点图如图4所示。测试结果表明:(1)轨底应力实测最大值分别为3513(CRH2型动车组,v=220km?h-1),6415(DF11型机车,v=108km?h-1),5113(25T型客车,v=104km?h-1)和84MPa(C70型货车,v=120km?h-1),均远小于许用应力限值355MPa;(2)动车组通过时尖轨轨头宽52mm断面处的轨底应力实测最大值处于较低水平,小于理论计算值。图4尖轨52mm断面处轨底弯曲应力最大值与列车速
19、度的关系2组道岔尖轨的转换阻力测试值见表5。分析表5数据能够看出:转换阻力和计算值接近,而且均小于转辙机额定牵引力。表5尖轨的转换阻力测试值N测试位置道岔号数5号岔位道岔拉入伸出6号岔位道岔拉入伸出尖轨一动2100102020002320尖轨二动2240326019202100尖轨三动32205020290041205结论(1)我国客运专线道岔选用60D40钢轨制造尖轨和可动心轨是可行的,能够知足道岔区与区间轨道一样轨顶坡140的需要。(2)60D40钢轨和我国60kg?m-1钢轨的高差为34mm,给优化设计基本轨内侧扣压件提供了条件,为在滑床板上安装辊轮系统留出了足够的空间。(3)60D40
20、钢轨强度知足使用要求,可降低尖轨和心轨的转换阻力,为研制侧向通过道岔速度为160和220km?h-1道岔的双肢弹性可动心轨提供了必备条件。66中国铁道科学第29卷参考文献1刘雨冰.铁路道岔M.北京:中国铁道出版社,2004.(LIUYubing.RailwayTurnoutM.Beijing:ChinaRailwayPublishingHouse,2004.inChinese)2王树国,顾培雄.客运专线道岔技术研究J.中国铁路,2007(8):21224.(WANGShuguo,GUPeixiong.AStudyonTechnologiesofTurnoutforPassengerDedica
21、tedLineJ.ChineseRailways,2007(8):21224.inChinese)3顾培雄,王树国.客运专线道岔60AT轨选型的研究R.北京:铁道科学研究院,2005.4王平.多点牵引时道岔扳动力计算与分析J.铁道标准设计,2002(2):22225.(WANGhttpdocsj/doc/6c48e9c15fbfc77da269b1a9.putationandAnalysisoftheSwitchingPowerbyMultipointTractionJ.RailwayStandardDe2sign,2002(2):22225.inChinese)5王树国.客运专线18号有砟道
22、岔铺设及验收标准的研究J.铁道建筑,2007(6):81283.(WANGShuguo.ResearchonLayingofNo118TurnoutonBallastedBedandAcceptanceExaminationCriteriaonPassengerDedicatedRailwayJ.RailwayEngineering,2007(6):81283.inChinese)6王树国,张玉林.客运专线60kg?m-1钢轨18号有砟道岔胶州北站试铺与综合试验R.北京:铁道科学研究院,2006.StudyontheSelectionofATRailsforTurnoutsonPassenge
23、rDedicatedLineWANGShuguo,GEJing(RailwayEngineeringResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China)Abstract:Thepointrailsandmovable2nosefrogofturnoutcanbeprocessedandmanufacturedbyshort2stylespecialsectionrails(ATrails).ThesectionsofATrailshavedifferentchoicetomatchwithCHN60rails.
24、ByanalyzingthebasicparametersandserviceconditionsofATrailshomeandabroad,andbasedontherequirementsforturnoutstructure,itispointedoutthatATrailsusedinpassengerdedicatedlineinChinashouldselectfromCHN60ATrail,Zul260railand60Dhttpdocsj/doc/6c48e9c15fbfc77da269b1a9.prehensivecomparisonsandanaly2seshavebee
25、ncarriedthroughontheabovethreekindsofATrailsintermsofthestructurecharacteristics,intensity,switchoverresistanceanddeficientdisplacement,etc.Accordingtootherrequirementsandcor2relativetechnicalstandards,60DrailsarefinallysuggestedtobetheATrailsfortheturnoutsofpassengerdedicatedlineinChina.Conclusions
26、ofcomprehensivetestinJiaozhouNorthStationofJiao2JiLineindicatethatthematchisgoodbetween60DATrailsandCHN60mainrails.Theswitchoverresistanceislessthanthetractionforceofpointswitchmachine,andATrailshavefullstrengthreserve.Keywords:Turnoutofpassengerdedicatedline;ATRail;Selection(责任编辑杨宁清)76第3期客运专线道岔AT钢轨选型的研究