低摩阻力道岔可动心轨辙叉结构设计
罗 震
（中国铁建重工集团，湖南株洲 412005）
摘 要：分析了道岔可动心轨辙叉心轨跟端不足位移产生的原因，针对心轨轨底与辙叉垫板之间的滑动摩擦阻较大、润滑效果不好的现状，结合可动心轨辙叉的结构特点，分别设计了应用于辙叉牵引点之间的减摩辊轮和应用于心轨固定端与牵引点之间的减摩滑动垫板，并介绍了两种减摩装置的工作原理。分析结果表明，采用减摩辊轮和减摩滑动垫板后，能有效降低牵引点的转换阻力约15％，显著降低心轨跟端不足位移60％，减摩结构能有效控制心轨跟端不足位移。
关键词：铁路运输；道岔；辙叉；可动心轨；不足位移
1 前言
道岔可动心轨辙叉结构（图1）通过可动心轨的扳动，使得辙叉心轨与翼轨密贴，消除了固定型辙叉的有害空间，提高了行车平稳性和安全性。不同号码或线型的可动心轨辙叉，心轨可动部分长度不尽相同，设置的牵引点数量也不一样，但心轨的固定端到牵引点之间总有一定的距离。
辙叉可动心轨固定端前部的垫板，两侧有弹条扣件固定翼轨，中间有台板为心轨滑动提供支承平台。采用现有结构垫板的可动心轨辙叉，由于可动心轨与垫板台板之间存在较大的摩擦力，在可动心轨来回扳动的过程中，可动心轨固定端之间会由于摩擦力产生较大横向的变形，与无摩擦力时的理想位置有一定的距离，该距离又称为不足位移。不足位移的存在使得可动心轨辙叉的实际线形偏离理论位置，若不足位移较大，会影响车辆通过道岔的平稳性和乘车的舒适性，严重的甚至影响行车安全。[1]
图1 可动心轨辙叉结构示意
基于以上原因，在可动心轨道岔设计时，会设法控制心轨转换阻力，尤其是控制心轨固定端前部的不足位移，主要的技术措施还是设法降低心轨转换过程中的摩擦阻力。目前各类道岔心轨转换减摩方案中，基本措施是在钢轨轨底或滑床台表面涂镀减摩涂层或润滑脂，有一定的减摩效果，但尚不能有效控制心轨不足位移，且随着时间的推移，减摩性能快速下降，同时润滑脂对橡胶垫板有腐蚀作用，也会污染道床影响环境。为此有必要研制性能稳定且长效的低摩擦阻力可动心轨结构。
2 减摩结构
传统的结构为滑床台板支撑着可动心轨，可动心轨在其表面滑动，实现两侧的转换，如图2所示。既有结构存在以下主要不足：
作者简介：罗震，男，博士，高级工程师，研究方向为轨道工程和轨道力学。
（1）轨底为非加工面，表面粗糙度较大，影响滑动摩擦系数；
（2）高速道岔虽采用了电镀减摩层，但钢轨轨底为未加工表面，环境因素会导致钢轨轨底锈蚀，摩擦系数增大；
（3）涂润滑脂或采用电镀减摩层的摩擦系数一般在0.2左右，很难再进一步降低摩擦系数；
（4）现有的开放式结构，雨水、灰尘、锈蚀等都会增大物体间的摩擦系数。
可动心轨零部件数量多、结构复杂，根据辙叉的特点，对其不同部位采取了不同的减摩解决方案。心轨在转换过程中为滑动摩擦，摩擦力相对较大。对于牵引点的转换设备而言，越大的摩擦阻力，设备损耗越高，可靠性将降低；对于心轨固定端前端，由于摩擦阻力使得心轨产生变形，出现不足位移，影响车辆过岔性能。
针对以上问题的特点，提出相应的增设减摩辊轮或将普通垫板改为减摩垫板两种解决方法。一般而言，设置减摩辊轮的部位，心轨有一定的抬升量，若心轨跟端固定端存在抬升易造成心轨变形，且减摩辊轮在移较小的部位效果无法体现。因此在牵引点之间增设减摩辊轮装置，将心轨与垫板之间的滑动摩擦转换为心轨与辊轮之间滚动摩擦。对于道岔心轨固定端到最后一个牵引点之间，由于心轨位移量较小，又不宜有垂向位移，采用将垫板设计成减摩垫板的方法，将轨底与辙叉垫板滑床台之间的滑动摩擦，转换为减摩材料与垫板之间的摩擦，且滑动部件间可采用密封结构，不会因为锈蚀等原因影响减摩性能。
图2 可动心轨工作示意
1—可动心轨；2—滑床板
2.1 心轨减摩辊轮装置[2]
可动心轨用辊轮主要原理是将滑动摩擦转换为滚动摩擦，以降低摩擦阻力，其主要使用在心轨牵引点之间。其结构如图3和图4所示。
图3 辊轮结构
1—心轨；2—台板；3—辊轮轴；4—辊轮；5—转动架轴；6—支撑；7—转动架
图4 辊轮模型
其工作原理如下。
（1）可动心轨在左侧工位时，可动心轨底部与滑床台板是接触的，此时左侧的辊轮在可动心轨底部，右侧的辊轮不与可动心轨底部接触。
（2）可动心轨在由左侧向右侧转换位置过程中，可动心轨接触并下压右侧辊轮，转动架顺时针旋转，带动左侧辊轮抬升，在两端辊轮的支撑下从而使可动心轨被从滑床台板表面抬升起一定的高度h，此后辊轮以滚动的方式支撑可动心轨由左侧转换到右侧，避免了可动心轨与滑床台板之间的接触滑动摩擦。
（3）可动心轨转换到右侧位置后，左侧辊轮脱离与可动心轨底部的接触，转动架失去平衡，右侧辊轮在心轨重力的作用下下降，可动心轨不再被两个辊轮支撑，可动心轨下降后与滑床台板接触。
（4）如可动心轨由右侧向左侧转换时，则按照上述的顺序反向运行如图5所示。
可动心轨用辊轮实现了将可动心轨在垫板台板上的滑动接触转变为心轨与辊轮的滚动接触，有效降低摩擦阻力，结构简单可靠。可动心轨辊轮组装如图6所示。
图5 可动心轨辊轮工作原理示意
图6 可动心轨辊轮组装图
2.2 心轨减摩滑动垫板[3]
为减小道岔可动心轨扳动时与滑床台板之间的摩擦力，将原固定联接在垫板底板上的滑床台改为与垫板底板能相对滑动的滑动台板，滑动台板与垫板之间设置减摩层。
减摩滑动垫板由垫板底板、滑动台板、导向夹板、减摩层组成；垫板底板上两侧中部位置各设有导向台；滑动台板位于垫板底板上面，两侧设有用于螺栓连接的阶梯孔；导向夹板位于垫板底板两侧，通过螺栓连接固定于滑动台板下方，为滑动台板来回滑动提供导向和限制作用；滑动台板与垫板底板之间设有减摩层，垫板底板导向台与导向夹板之间设有减摩层。图7给出了该滑动垫板的基本结构。
图7 心轨减摩滑动垫板基本机构组成
1—垫板底板；2—滑动台板；3—导向夹板；4—平板减摩层；5—V形减摩层；6—螺钉；7—凸台；8—铁座
工作时，滑动台板跟随心轨滑动，从而将心轨与辙叉垫板滑床台之间的滑动摩擦，转换为减摩材料与垫板之间的摩擦，有效减小转换阻力，控制不足位移。该减摩层与垫板之间摩擦力小，具有强度高和使用寿命长的特点，符合道岔心轨转换的技术要求。心轨减摩滑动垫板组装如图8所示。
减摩滑动垫板的优点在于：
（1）通过减摩层，有效降低摩擦阻力；
（2）接触界面可采用密封结构，可保持稳定的低摩擦系数；
（3）减摩材料可采用自润滑材料，维护工作量小，无需涂润滑油脂，不会造成橡胶垫板的老化和油脂对环境的污染。
图8 心轨减摩滑动垫板组装示意
3 减摩效果分析
采用文献[4]的基本方法，基于以下原则建立某型号18号道岔可动心轨辙叉转换阻力分析模型，如图9所示。
（1）心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。跟端后钢轨支点处的横向位移将受到扣件的横向作用力。
（2）摩擦力视为集中力，其作用方向总是与尖轨及心轨的运动方向相反。普通可动心轨辙叉时摩擦力均在垫板处，摩擦系数为钢轨与台板的摩擦系数，一般为0.15～0.3，综合考虑台板镀层和钢轨底部未机加工，取0.2；采用减摩结构时，第二牵引点前的摩擦阻力作用在两个牵引点中间位置，摩擦系数为辊轮摩擦系数，根据测试结果取0.15；第二牵引点之后的摩擦阻力作用在垫板处，摩擦系数为减摩垫板的摩擦系数，根据减摩自润滑材料特性，取0.10。
（3）考虑心轨与翼轨间的密贴力及顶铁的反作用力。假定顶铁及轨头密贴区域为刚度较大的横向弹簧，当发生接触时，该弹簧即产生顶铁力和密贴力。
（4）考虑可动心轨中间隔铁的作用力。将间隔铁视为刚度较大的横向弹簧，联接于长短可动心轨间、心轨与翼轨末端。
图9 可动心轨辙叉转换阻力分析模型
分别对普通可动心轨辙叉和减摩可动心轨辙叉的转换阻力和心轨跟端不足位移进行分析，结果如表1所示。
表1 可动心轨转换阻力及不足位移对比
从表1结果可以看出，采用减摩结构的可动心轨辙叉转换阻力比普通结构减小约15％，可有效降低牵引点转换阻力，心轨跟端不足位移显著减小，减小幅度达60％，能有效控制心轨跟端不足位移。
4 结论
基于减小可动心轨辙叉的转换阻力，控制心轨跟端不足位移，设计了心轨减摩辊轮和减摩滑动垫板两种减摩结构，可分别应用于牵引点之间和牵引点与心轨固定端之间。分析结果表明，采用减摩结构的可动心轨辙叉转换阻力减小约15％，心轨跟端不足位移显著减小达60％，减摩结构能有效控制心轨跟端不足位移。
参考文献
[1]蔡小培，李成辉.高速道岔心轨扳动力和不足位移控制研究[J].铁道学报，2008，30（2）：48-51.
[2]刘皓，罗震，蒋荣国.可动心轨用辊轮装置：中国，ZL201020290378.7[P].2011-04-20.
[3]罗震.用于铁路活动心轨辙叉的滑动构件：中国，ZL201320125416.7[P].2013-06-05.
[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）：22-25.