高速可动心轨道岔伤损分析和养护维修

0 引言

我国高铁开通10 余年来，高速道岔病害开始逐步出现，CN 系列、客专系列道岔长心轨、翼轨、转换凸缘、间隔铁等部位发生多起伤损，影响了列车运行秩序，危及行车安全。为此，以高速可动心轨道岔辙叉伤损为例，探讨高铁道岔病害原因和养护维修措施，以保障铁路运输安全。

1 辙叉伤损案例及原因

1.1 CN 系列道岔翼轨折断

1.1.1 现场情况

某局CN 系列1/18 道岔，出现左翼轨折断情况。翼轨折断现场如图1 所示。

断缝位于94#岔枕滑床台上（长心轨尖端后100 mm 处），断缝宽度达2 mm。

加工成型翼轨断面如图2 所示。

由于翼轨直接和铁垫板接触，翼轨下又不设置橡胶垫板，所以此处为道岔的薄弱环节。

图3 翼轨沿螺孔折断情况

断缝位于辙叉翼轨到心轨的过渡区域，垂向荷载从心轨过渡到翼轨，断缝受力情况比较复杂。翼轨沿螺孔折断情况如图3 所示。

1.1.2 原因分析

翼轨折断是由翼轨受力特点决定的。CN 系列道岔翼轨由普通60 kg/m 钢轨制造，客专道岔翼轨采用TY 特种断面。在车轮通过辙叉时在翼轨上过渡，翼轨受到轮对横向向外的力量，导致翼轨有向外倾覆趋势，故安装轨撑，以提高结构的整体性。

为保证列车通过道岔时乘客乘坐的舒适性，客专道岔采用将翼轨加高2 mm 设计。客专道岔采用合理的辙叉结构型式以改善轮轨接触关系，提高列车过岔平稳性和安全性，延长道岔使用寿命。结构不平顺造成轮轨在辙叉区剧烈的相互作用。随着翼轨向外弯折，轮轨主要接触区域开始外移，客专18#道岔心轨顶宽50 mm 处的心轨降低值为0，此时翼轨向外侧弯折50 mm，所以其翼轨上的轮轨主要接触点也会相应地向外侧移动50 mm，导致列车轮对质心向心轨移动，增大作用力。

研究结果表明，将翼轨加高2 mm 后，列车第1 轮对垂向轮轨力峰值相对降低了18.16%。轮重减载率降低了35.8%，轮对和车体垂向振动加速度则分别降低了48.1% 和34.7%，过岔轮轨垂向指标得到明显改善。

由此可知，CN 系列道岔翼轨未采用加高设计方案，导致翼轨折断；客专系列道岔的翼轨采用加高设计，优于CN 道岔，故未发生翼轨折断。

1.2 CN 系列道岔心轨折断

1.2.1 现场情况

图4 心轨折断现场

某高铁站下行线正线7#岔，采用CN 系列1/18道岔，心轨垂直折断。所幸心轨发生折断后列车顺向过岔，未造成事故。心轨折断现场如图4 所示。

1.2.2 原因分析

图5 转换凸缘处断裂情况

CN 系列道岔心轨尖端采用热加工锻造出一段转换凸缘，转换凸缘直接与外锁闭装置接头铁拉板连接，实现可动心轨转换。案例中，CN 系列道岔心轨下锻造的转换凸缘与心轨在焊接过程中出现伤损，故而在列车车轮由翼轨过渡到心轨过程中发生折断。转换凸缘处折断情况如图5 所示。

客专道岔在长心轨下方取消了转换凸缘，从结构上进行了优化。

1.3 客专道岔长心轨折断

1.3.1 现场情况

某局某站正线4#岔，采用1/18 客专系列（07）009 道岔，该道岔反位到定位转换过程中发生电流功率曲线异常情况。工务和电务部门检查发现，道岔长心轨（96#枕处） 第1 水平连接螺栓处钢轨折断。断缝距心轨尖端2 380 mm，宽度为1.9 mm。

图6 长心轨折断现场

长心轨折断现场如图6 所示。

1.3.2 原因分析

图7 沿螺孔方向裂缝

客专道岔长短心轨之间设有夹片，以保证长短心轨密贴。转换过程中，长短心轨会发生一定的相对位移，由于相互摩擦，夹片滑入长心轨弹性轨底，并嵌入长心轨轨底与滑床台板之间，导致长心轨受力不均匀，从而产生裂纹，裂纹沿螺孔向上发展最终折断。沿螺孔方向裂缝如图7 所示。

1.3.3 其他因素分析

图8 长心轨折断现场

心轨转换模型计算参数参考60 kg/m 钢轨18#单开道岔，心轨总长13.845 m，扳动到正位时的密贴段长1 778 mm， 扳动到反位时的密贴段长1 896 mm，心轨结构类型为单肢弹性可弯。2 点分动外锁闭的牵引方式：第1 牵引点距心轨尖端8 mm，心轨动程为119 mm；第2 牵引点距心轨尖端3680 mm，心轨动程为59 mm。心轨与翼轨贴靠时，心轨贴靠部位支撑刚度为50 kN/mm。顶铁支撑刚度和翼轨横向支撑刚度为100 kN/mm。心轨末端受扣件横向约束，横向刚度为50 kN/mm。心轨转换受力模型如图8 所示。

在转换过程中，长心轨中前段第1、第2 位螺栓处发生弯折，长心轨在此处轨底刨切，形成单肢弹性可弯。通过减小长心轨刚度，增加其横向摆动的弹性，形成悬臂梁结构，在螺栓孔等薄弱处出现疲劳伤损。客专系列道岔长短心轨为拼接结构，采用螺栓连接，可动心轨在定位和反位转换过程中有位移相错量，将长短心轨之间调整缝隙的调整片磨薄，滑向长心轨底部，垫在滑床台上，导致长心轨受力发生变化而折断。

可动心辙叉在2 个翼轨之间空间有限，最大处为119 mm。心轨下方直接与滑床台板摩擦，转换过程中摩擦力也会随着滑床台板上的状态而变化，滑床台板上有灰尘、滑床台磨耗成槽等，都会增大摩擦阻力。

CN 道岔和客专系列道岔在心轨滑床台转换时，与下部滑床台板发生摩擦。为减少摩擦阻力，可根据铁运〔2012〕83 号《高速铁路无砟轨道线路维修规则》要求，在转辙器滑床涂固体润滑剂。在各部位螺栓涂油时，均不得污染橡胶垫板、弹性铁垫板和弹性基板。

1.4 辙叉间隔铁拉断

1.4.1 现场情况

图9 间隔铁拉断现场

某局1/18 客专系列道岔辙叉后部长心轨与翼轨间的间隔铁拉断，造成道岔转换不到位和无表示故障。间隔铁拉断现场如图9 所示

1.4.2 原因分析

辙叉部位间隔铁为了传递区间与站内股道温度应力，在结构上采用扭力矩为900 Nm～1 100 Nm的螺栓，螺栓和间隔铁连接处采用胶接方式增强结构强度。为保持心轨整体性，固定长心轨与翼轨、岔跟尖轨与翼轨，以提高整体框架结构强度。锁定轨温是无缝线路辅设和养护维修的依据。在新线建设过程中，施工单位如果未按无缝线路和道岔锁定要求施工，设备管理单位提前介入不及时，就会造成无缝道岔未按要求温度锁定。由于该道岔在冬季铺设和锁定，锁定轨温为22.3 ℃，夏季轨温过高就造成道岔内部温度应力过大，从而导致间隔铁拉断。该组道岔违背相关标准，造成无缝道岔设计锁定轨温与两端区间无缝线路设计锁定轨温不一致，无法满足跨区间无缝线路允许温升与温降要求。

2 对高铁道岔产生病害的思考

2.1 道岔设计有待统型

高速道岔型号复杂，以18#道岔为例，存在250 km/h 和350 km/h 速度级别差异，还有正线客专、CN 系列、CZ 系列和到发线工联系列。1/18 道岔主要部件尺寸上差异不大，不仅给现场养护维修带来诸多不便，也为更换道岔部件埋下隐患。

2.2 道岔技术管理有待完善

同一图号道岔，因生产厂家不同而存在差异，主材和零部件不通用。作为设备管理单位，管辖范围内有山桥厂、宝桥厂和中国铁建重工厂的道岔产品。道岔种类多不仅为现场管理带来困难，也使得备用道岔数量多，使储备管理难度增加。

2.3 道岔备用件管理有待规范

现场多数道岔配件都是散件，大量垫板等配件包装箱在露天放置，管理难度大。尖轨与基本轨、翼轨堆放在一起，取用时需上下翻运，而且有些轨材已严重变形，无法使用。

2.4 养修手段有待改进

关键零部件技术指标得不到落实，整治工具使用呆扳手，靠作业工人经验来判断扭力矩值。如长短心轨第1 横向螺栓，扭矩扳手套筒头部过长，无法套入螺栓，只能靠人为经验判断。为了解决长短心轨联结螺栓易松动问题，臆测采用防松螺母和防松胶处置。

2.5 标准不一致或不合理

维护人员对工作标准掌握不清，技术标准范围值过大。例如，道岔长短心轨联结螺栓的扭力矩为540 Nm～660 Nm，但业务主管部门下发作业指导书标明扭力矩值为750 Nm，相差210 Nm。辙叉部位扭力矩值为900 Nm～1 100 Nm，范围值过大。

螺栓紧固到位后应反扣60°调整，在产品说明书中也未明确。

2.6 道岔养护人员技术水平有待提升

养护队伍年轻化，新入职人员参加工作就从事高铁养护工作，对道岔结构原理掌握不全面。虽然经过高速铁路线路工资格性准入理论培训，但只达到对最基础设备的认知层面。实作部分还需通过传、帮、带方式跟着师父学习。在整治现场具体病害时，短时间内很难掌握精髓。

3 高铁道岔养护维修措施

3.1 定期巡查线路

严格按照每周1 次巡查道岔结构，做到巡查项目全覆盖。道岔间隔铁、限位器联接螺栓、护轨螺栓、长短心轨联结螺栓、接头铁螺栓应保持齐全、作用良好，折断时必须立即更换。道岔同一部位只有2 条螺栓或接头铁螺栓有1 条缺少或折损时，应停止使用。顶铁、心轨防跳铁和心轨防跳卡铁等各部位联结和固定螺栓变形、损坏或者作用不良时，应进行修理或更换，并从设计源头，结合道岔轮轨关系受力特点进行分析，及时补充原厂配件。

3.2 加强探伤检测

3.2.1 超声波探伤检测客专道岔

对客专系列道岔长心轨第1 牵引点（第92#至第93#岔枕） 两侧钢轨开展探伤检测。探伤时将方木置于长心轨与翼轨中间，做好安全防护。

（1） 对长心轨第1 连接杆至岔后300 mm 范围内（轨面宽度0～20 mm），利用K2.5 探头扫查轨底斜坡面。利用K1 探头，沿厚度为23 mm 的两内侧轨底处纵向检测。

（2） 对长心轨第1 连接杆至其前沿，长心轨尖端至防跳间隔铁范围检测，利用K2.5 探头在轨腰上作纵向和横向全断面扫查，结合手锤和反光镜检查。

（3） 当探头探测出现疑似波形，分析仪器屏幕上显示水平位置、深度、辐射当量值时，确认波形位移量，结合手摸、尺量、眼看确认出波位置，判断是伤波还是缺陷波。比照焊缝探伤判伤标准，即轨底达到大于或等于直径4 mm 竖孔当量时，判重伤；小于上述标准时，判为轻伤。

3.2.2 涡流探伤仪检测CN 系列道岔

检测范围：CN 系列道岔心轨两侧轨底第1 牵引点向两侧各延伸300 mm（第94#至第95#岔枕）；下拉装置安装位置（第96#至第97#岔枕）；第2 牵引点（第98#至第99#岔枕）；翼轨内侧轨底，第94#至第96#岔枕区域。

在探测试块深度为1 mm，3 mm，6 mm，10 mm处用激光切割槽，标定设备，定增益值为20 dB。
结合现场钢轨轨面状况，在此基础上增益耦合补偿2 dB，标定22 dB 作为扫查灵敏度。涡流探头与轨面保持垂直，沿钢轨纵向匀速扫查，观察仪器示波屏幕，分辨波形显示。发现异常波时，调节增益观察出波，读取20 dB 伤波显示深度数值，说明心轨在相当深度存在缺陷。

3.3 整体更换辙叉

利用大部件更换车，整体更换辙叉。一是心轨和翼轨宜整体更换，利于保持辙叉结构的整体性和各部结构匹配。二是整体更换可提高更换效率。

整体更换仅需将辙叉前后基本轨和渡线M30 岔枕螺栓拆卸后，原位换装即可。标准化原装设备同样可提高电务、供电设备更换效率。三是提高机械化程度，减少人工操作，便于积累辙叉更换经验，推广工法。施工完成后，对现场设备技术状态进行联合回检，达到放行列车条件，方可开通线路。

3.4 盘活备用料并加强技术攻关

设备管理单位须高度重视培养高技能人才，加强道岔备用材料管理，可将备用道岔铺设在实训场，一是可以有效地保护道岔配件及其结构；二是掌握已消耗道岔配件种类和数量，便于及时补充；三是用于培训职工，提升职工职业技能水平，综合利用，开展技术攻关。

3.5 制定应急预案流程

故障模拟演练是道岔维护的重要一环，对道岔无表示、红光带、胶结绝缘接头失效更换普通绝缘接头、加装钩锁器、更换尖轨基本轨、更换辙叉等，应规定应急预案，应急预案中应有应急处置流程。各关键岗位设置替补人员，实训时，根据不同设备、不同角色互换，提高全员应急技能。

4 结语

道岔是铁路轨道的重要组成部分，是铁路线路中最薄弱的设备之一。由于道岔数量多、构造复杂、使用寿命短、行车安全性低等特点，道岔质量的好坏直接影响到道岔周期维修成本和设备的使用寿命。随着运营时间的延长，道岔结构性病害逐渐呈现，一旦发现不及时或整治不到位，在某一个时间段，或将出现病害高发期，影响运营安全。只有及时发现病害并整治到位，才能确保高铁道岔正常使用。

文章来源：

原文名称：高速可动心轨道岔伤损分析和养护维修

作者信息：曲玉福（武汉铁路职业技术学院，湖北武汉430205）

期刊信息：铁道技术监督（第49 卷 第3 期）