董彥錄

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西寶雞 721006)

1 概述

轍叉是道岔中使車輪由一股越過另一股鋼軌的設備。由叉心、翼軌和聯(lián)結零件組成。目前，我國鐵路應用的轍叉按構造類型分，主要有整鑄轍叉和拼裝式固定型轍叉2種。

整鑄轍叉是用高錳鋼澆鑄的整體轍叉，具有較高的強度、良好的沖擊韌性，在初期荷載作用下，會很快硬化，使表面具有良好的耐磨性能。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國的高錳鋼整鑄轍叉的平均使用壽命達到1億t通過總重，有一定數(shù)量的達到了1.2億t通過總重［2，8］。但是，由于高錳鋼轍叉與普通鋼軌現(xiàn)場可焊性差、廠內焊接成本高，另外，由于其表層強度與硬度和母材強度與硬度相差懸殊、且表面易剝落掉塊等原因，難以適應列車提速以及無縫線路的應用要求。

拼裝式固定型轍叉是用鋼軌及其他零件經(jīng)刨切拼裝而成。早期由普通鋼軌刨切并組合成的固定式轍叉，因結構復雜、病害多、養(yǎng)護維修工作量大，目前已很少使用。隨著高強度、高硬度、高耐磨性的貝氏體鋼種的開發(fā)成功，以貝氏體叉心、長短心軌及翼軌組合而成的合金鋼轍叉已廣泛采用。在大號碼固定轍叉道岔中，因轍叉較長，目前的鑄造工藝無法實現(xiàn)，由此開發(fā)了拼裝式高錳鋼轍叉，這2種拼裝式固定型轍叉因具有結構簡單、可焊接等特點，目前已發(fā)展成為無縫線路中廣泛使用的主要產(chǎn)品［3］。

2 拼裝式固定型轍叉結構及存在的問題

2.1 拼裝式合金鋼轍叉

心軌采用鍛造合金鋼與叉跟標準鋼軌拼接或焊連;翼軌采用淬火鋼軌或標準鋼軌鑲嵌合金鋼塊制造。如圖1所示。

圖1 拼裝式合金鋼轍叉

拼裝式合金鋼轍叉具有高強度、高硬度和高韌性的特點。心軌采用合金鋼母材，經(jīng)鍛造、熱處理和探傷檢驗合格后，應用振動時效處理消除應力，在高精度銑床上進行成型銑削加工。運營實踐表明:合金鋼材料能大幅度提高材料的硬度和耐磨性能，延長使用壽命。目前已經(jīng)上道的合金鋼轍叉，通過總重接近2億t;翼軌、心軌后端采用標準鋼軌，能滿足跨區(qū)間無縫線路焊接要求［4］。

2.2 拼裝式高錳鋼轍叉

拼裝式高錳鋼轍叉采用高錳鋼整鑄叉心與翼軌組合或拼裝的結構形式，翼軌采用與區(qū)間同材質鋼軌，具有可焊性，通過間隔鐵與整鑄叉心連接(圖2)。一般在轍叉易傷損部位(心軌，有害空間段及對應心軌60 mm斷面前部分)的翼軌輪軌作用面進行爆炸硬化工藝處理。拼裝式高錳鋼轍叉經(jīng)過爆炸硬化，最大限度地解決了高錳鋼整鑄轍叉有害空間段、心軌尖端及對應翼軌受強力沖擊易磨耗而造成剝落掉塊的難題。且心軌及部分翼軌采用錳鋼材質的設計，解決了心軌大斷面空腔尺寸大、鑄造質量低及難以實施爆炸硬化工藝等難題［3］。

圖2 拼裝式高錳鋼轍叉

3 存在問題原因分析

目前，國內線路上廣泛采用的拼裝式固定型轍叉以合金鋼轍叉居多。拼裝式高錳鋼轍叉正在研究試用階段。根據(jù)現(xiàn)場調研，拼裝式合金鋼轍叉在運營中主要病害為心軌剝落掉塊(圖3)和翼軌垂向磨耗過大［1］(圖4)。心軌剝落掉塊主要集中在頂面30 mm寬斷面之前，而翼軌病害則主要發(fā)生在對應心軌30 mm斷面之后的區(qū)域。

圖3 心軌剝落掉塊

出現(xiàn)以上病害的主要原因有以下幾個方面。

圖4 翼軌垂向磨耗

(1)心軌、翼軌材質不同，在輪載過渡范圍內，一旦心、翼軌高低差匹配不良，易使其中一根鋼軌單獨受力而產(chǎn)生較大磨耗，易造成心軌、翼軌局部受力狀況惡化。

(2)翼軌抬高設置不當。車輛在通過轍叉時，由于輪軌(翼軌)接觸點外移，為了補償車輪豎向位置下降，需要對翼軌進行抬高。一般地，從咽喉開始，輪軌接觸點逐漸外移，到心軌50 mm斷面完全脫離翼軌。理論上抬高范圍需要從咽喉到心軌50 mm斷面。但如果在心軌薄弱斷面開始對翼軌設置超高，將使翼軌過早與輪軌接觸，增大翼軌受力，加劇磨耗，同時增加了過岔不平順性。

(3)翼軌頂面既有斜度輪廓設計不能有效保護心軌，特別是薄弱的小斷面，易產(chǎn)生磨損、打塌或剝離掉塊現(xiàn)象。如圖5所示，在踏面中心接觸的情況下，工作邊圓弧上部有1.5 mm的干涉，這說明在運營中干涉部位首先與車輪接觸，由于輪軌接觸面積小，局部應力超過彈性極限后易引起軌頂金屬塑性變形，形成肥邊。

圖5 輪軌接觸擬合(單位:mm)

拼裝式固定型轍叉因翼軌和心軌母材材質不同的特殊性，輪載轉移的復雜性，心軌受力條件的苛刻性，為最大限度地延長轍叉的使用壽命，結合合金鋼轍叉使用中存在的問題，需要重點解決以下幾個方面的關鍵技術。

3.1 軌件材料

拼裝式固定型轍叉心軌受力最惡劣的部分一般在20～50 mm斷面，為提高轍叉使用壽命，要求制造心軌的材料具有高韌性和較強的抗變形能力、良好的耐磨性能。同時，為適應無縫化需求，轍叉的趾、跟端一般采用與區(qū)間線路相同的鋼軌，使轍叉與區(qū)間鋼軌有良好的可焊性。所以，翼軌、叉跟軌多采用標準鋼軌制造，為提高耐磨性能，減少垂向磨耗，一般采用在線熱處理鋼軌(如U75V，硬度可達到370HB)。

3.2 心、翼軌高低差控制

列車在線路上運行時，通過輪軌接觸實現(xiàn)與軌道之間的聯(lián)系，輪軌關系在一定程度上決定了列車的運行特性。機車車輛通過轍叉時，車輪輪載將在翼軌和心軌之間轉移，轉移范圍由心軌和翼軌之間的相對高差決定，當心軌偏高時，心軌將承擔較多的荷載，心軌將磨耗嚴重;相反，當心軌偏低時，翼軌將承擔較多的荷載，翼軌將磨耗嚴重。所以合理設置和控制心翼軌的高差將決定轍叉心軌或翼軌的磨耗，決定了轍叉的壽命。

3.3 心、翼軌連接

在無縫道岔中，組合轍叉既是緊固部件也是傳力部件。在對轍叉結構設計中，在滿足穩(wěn)固連接的基礎上，應重點考慮溫度力傳遞，合理布置間隔鐵，滿足無縫化適應性問題。

4 結構優(yōu)化

結合上述關鍵技術，為進一步提高轍叉使用壽命，提出如下優(yōu)化措施。

4.1 合金鋼轍叉

(1)軌件材料。合金鋼心軌選用性能更高的合金鋼材料，避免剝落掉塊。近幾年，國內開發(fā)了1 300 MPa級重載鋼軌(即PG4)，該軌熱處理強度達到1 300 MPa級，且耐磨性明顯高于其他在線淬火軌，能極大改善翼軌、叉跟軌的機械性能，降低翼軌磨耗超限、剝落掉塊的出現(xiàn)幾率，同時，PG4在線淬火軌與線路使用的普通CHN60軌焊接也不存在技術問題，所以，合金鋼轍叉翼軌、叉跟軌選用PG4在線淬火軌將成為發(fā)展趨勢。

(2)心、翼軌相對高差改進。合理設置轍叉輪載轉移點位置，使其位于心軌頂寬20～30 mm之間，使心軌與翼軌的受力較為合理。

(3)翼軌頂面輪廓改進。進一步優(yōu)化翼軌頂面輪廓形狀，降低輪軌動力作用，提高行車平順性。

(4)控制輪緣槽寬度?？刂菩能?0～50 mm斷面輪緣槽寬度，使輪載過渡范圍內處輪緣槽盡可能在技術條件規(guī)定的范圍內，保證翼軌的受力面積，減小垂向磨耗。

4.2 拼裝式高錳鋼轍叉結構優(yōu)化

(1)為增大心軌薄弱斷面受力面積，提高強度及抗沖擊能力，借鑒國外成熟經(jīng)驗，可對心軌尖端進行適當?shù)?、均勻的加寬處理，但心軌尖端加寬后，為避免撞尖問題，一般在不受垂向力的心軌實際尖端至30 mm斷面采取鎖尖處理，同時須考慮滿足查照間隔的要求。

(2)為改善轍叉受力狀態(tài)，減緩垂磨，可采用雙咽喉形式設計，增加有害空間受壓面積。但雙咽喉設計可能導致翼軌橫向沖擊角增大較多，使行車安全性降低，需進一步優(yōu)化輪緣槽寬度，減小沖擊力。

(3)雖然高錳鋼在自然沖擊下能產(chǎn)生硬化層，但深度較薄，在車輪碾壓、滑移作用下會出現(xiàn)硬化層與機體的分離，形成剝離掉塊現(xiàn)象，為有效控制初期磨損，抵抗肥邊的產(chǎn)生和撕裂掉塊現(xiàn)象的發(fā)生，可采用爆炸硬化處理，增加硬化深度，使硬度由原始狀態(tài)的不大于229HBW達到320HBW以上。

5 結論

對于拼裝式合金鋼轍叉，采用合金鋼作為組合轍叉的叉心，需穩(wěn)定原材料性能，并盡可能使心軌頂寬20 mm以后斷面受力;若采用普通鋼軌作為組合轍叉的翼軌，則翼軌的頂面磨耗是不可避免的，應盡可能擴大翼軌頂面承力面積，提高叉心及翼軌的承載能力，可考慮在心軌20～50 mm對應位置給翼軌鑲嵌合金鋼塊，提高翼軌的耐磨性是發(fā)展方向。

拼裝式高錳鋼轍叉在美國正線上使用較多，與既有拼裝類轍叉相比，能實現(xiàn)主要沖擊表面錳鋼化，結合爆炸硬化技術，可大幅提高轍叉使用受命。雙咽喉和尖端加寬設計，能有效提高心軌的承載能力，可滿足與線路無縫化及重載線路使用要求，作為一種新型固定型轍叉，應用前景較為廣闊。

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