采用跟端加长型尖轨的道岔尖轨快速更换方法
盘国壬，何文超
（中国铁建重工集团有限公司，湖南株洲 412005）
摘 要：通过分析无缝线路道岔尖轨更换方式，总结了现有4种尖轨更换方式，分别为焊缝移位更换方式、插入短轨更换方式、全部更换方式、跟端移位更换方式，阐述了4种更换方式存在的缺点。为解决此类问题，提出跟端焊缝后移600mm更换方式，并为适应该简单便捷的施工方案提出道岔尖轨跟端成型段加长方式。据此开展了跟端加长型道岔尖轨的开发，在现有设备基础上成功研发出跟端成型段长度为1050mm的跟端加长型道岔尖轨。验证结果表明，采用跟端加长型道岔尖轨更换方式，大大提高了道岔尖轨焊接的灵活性，降低更换成本，缩减更换时间，特别适用于铁路应急救援抢修。
关键词：铁路运输；道岔尖轨；跟端；更换方法
道岔由转辙器、连接部分、辙叉及护轨3个单元组成。转辙器包括基本轨、尖轨和转辙机械。尖轨是转辙器中的重要部件，依靠尖轨的转换，将列车引入正线或侧线方向。非对称断面钢轨高度较低，稳定性好，轨底没有爬坡刨切所以强度较好，同时在跟端可以设置弹性可弯，因此道岔尖轨多采用非对称断面钢轨。将非对称断面尖轨跟端锻压成标准轨型与导轨连接，尖轨跟端锻压段由过渡段和成型段组成，一般过渡段长度150mm，成型段长度450mm。
无缝线路消除了轨缝，避免了接头的冲击等病害，因此干线铁路、提速及高速铁路均采用了无缝焊接技术。焊接是一种特殊工艺，是通过过程控制来保证最终产品质量，因此对施工技术等要求较高，实际焊接时存在一定概率的不合格情况。若尖轨与导轨焊接不合格，就必须重新更换尖轨和相应的导轨。同时，尖轨的作用是引导车轮，列车对尖轨的冲击力和磨耗较严重。因此，尖轨寿命明显低于与其对接的导轨，道岔区尖轨的更换频次远大于一般的导轨。
1 既有更换方式
由于受到现有尖轨跟端锻压段结构的限制，不能像基本轨、辙叉等部件采取加长更换的方式，通常采用以下4种方式：
（1）焊缝移位更换无缝线路焊接接头存在焊接热影响区，更换尖轨时需要将焊接接头后50mm范围锯切，消除焊接热影响区的影响，所以需要将新尖轨跟端成型段长度加长50mm，然后与后端的导轨进行焊接（图1）。此更换方式焊缝不居中，使焊缝受力条件恶化。由于焊缝与轨枕距离限制，每个接头仅能移位焊接一次。采用现有跟端锻压工艺成型段加长质量不稳定，加长长度有限，不利于移位焊接。
图1 焊缝移位焊接
作者简介：盘国壬，男，工程师，主要从事锻压工艺及技术工作。
（2）插入短轨更换尖轨采用标准长度，截断后部的导轨，在尖轨跟端后插入短轨进行焊接（图2）。此更换方式增加焊缝一个，更换时间较长、成本较大。
（3）全部更换更换尖轨时，将与其相连的导轨一同更换（图3）。此更换方式增加焊接次数，更换时间较长、成本较大。
图2 插入短轨焊接
图3 全部更换
（4）尖轨跟端移位更换新尖轨总长度增加，实现尖轨跟端整体后移，跟端结构保持不变（图4）。此更换方式可实现焊缝位置的后移，但尖轨跟端异型轨在轨型上存在差异，仅仅是位置移动，原有跟端的垫板就必须重新设计制造，（图4所示的虚线框部分垫板），该方式涉及跟端垫板及另一股钢轨，更换时间长、更换成本大。
图4 跟端移位更换
2 解决方案
要想实现钢轨更换时既不增加焊缝，又能使焊缝居中，唯一的方式就是把尖轨跟端的成型段长度加长一个轨枕间距，研制跟端加长型道岔尖轨，实现均匀截面延伸，而后和后端的导轨进行焊接，相应的垫板等零部件均不发生变化，具有简单、便捷的特点，特适用于现场应急救援（图5）。
图5 跟端加长型尖轨更换
3 加长型道岔尖轨研制
3.1 工艺方案
跟端加长型道岔尖轨研发关键在于尖轨跟端锻压工艺。按照整体成型加长型道岔尖轨跟端设计模具模型，采用金属体积成型模拟软件DEFORM-3D对整体成型过程进行模拟。结果表明：加长型道岔尖轨跟端若一次成型，力会成倍增加。通过模拟可得出整体成型力超过7000t。国内道岔厂家设备能力均按满足现有钢轨跟端成型段长度450mm锻压成型而配置，现有钢轨跟端锻压成型压力机最大吨位为5000t左右，现有设备吨位不够。跟端加长型道岔尖轨锻压应尽量减少锻造次数及加热火次，同时，为避免跟端加长型尖轨锻压后发生弯曲变形、表面充填不足、折叠、锻压段直线度超差等工艺难题，设计带预热系统整体式锻压模具，采用分段锻压跟端成型工艺方案。成型后加长型道岔尖轨成型段长度不小于1050mm（图6）。
图6 跟端加长型钢轨
3.2 产品检测
跟端锻压段加长件试制完成后，按照公司制定的技术条件规定进行各项理化检验及实物疲劳检验。主要进行锻件表面质量、几何外形尺寸、无损探伤检测。按照技术条件分别进行金相、脱碳层、化学成分、低倍、拉伸性能、轨顶面硬度检测、横断面硬度等各项理化性能检验。进行了过渡段实物弯曲疲劳性能试验和加长段实物弯曲疲劳性能试验。跟端锻压段加长件各项性能试验结果均符合技术标准规定。
3.3 加长型道岔尖轨特点
加长型道岔尖轨产品能够实现均匀截面延伸，实现焊缝后移600mm，其成型段长度由现有450mm加长至1150mm。跟端过渡段长度为150mm。图7为加长型道岔尖轨实物，图8为采用加长型道岔尖轨的道岔转辙器厂内试铺图。
图7 跟端加长型钢轨
图8 跟端加长型钢轨
4 加长型道岔尖轨更换工艺
无缝线路上出现尖轨更换需求时，在距原尖轨跟端焊缝600mm处（靠近导轨一侧）锯切，保留与其相连的导轨，卸下伤损尖轨。原位置安装加长型道岔尖轨。
5 结论
采用加长型道岔尖轨快速更换方法，相比全部更换方式，减少更换导轨一根24583mm（以客专（07）009为例），减少焊接接头一个，减少更换时间一倍以上。暂且不考虑人工、运输等方面所节省的成本，仅导轨材料费一项就能够节省15000元，经济效益明显。
加长型道岔尖轨大大地提高了道岔尖轨焊接的灵活性，避免了焊缝位置不居中、增加焊接接头等问题。其优势在于彻底改变了既有尖轨的更换方式，降低更换费用，缩减更换时间。能够明显加快紧急救援时铁路道岔抢修进度。提升了工务养护的水平和效率，提高了产品的安全可靠性，具有显著的社会经济效益。采用非对称断面钢轨制造的道岔心轨，可采用相同的方法进行跟端加长，便于更换作业。
参考文献
[1]王仲仁.锻压手册[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]姚泽坤.锻造工艺学与模具设计[M].西安：西北工业大学出版社，1998.
[3]宋友富.铁路道岔[M].北京：中国铁道出版社，2009.
[4]王平.无缝道岔计算理论与设计方法[M].成都：西南交通大学出版社，2007.
[5]铁道部.铁路线路修理规则[M].北京：中国铁道出版社，2013.
[6]铁道部.铁路线路修理规则条纹说明[M].北京：中国铁道出版社，2013.
[7]编委会.锻件国内外最新标准及其工程应用技术全书[M].长春：银声音像出版社，2004.
[8]李传民.DEFORm .03金属成形有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007.
[9]谢彬.刘仁君.李林宽.镶块模模锻工艺研究[J].大型铸锻件，2010，（6）：20-23.
[10]GB/T 12362—2003钢制模锻件公差及机械加工余量[S].
[11]钱利锋.50AT尖轨跟端模锻成形过程数值模拟及工艺分析[D].大连：大连交通大学，2009.