加強型合金鋼轍叉在北京地鐵4號線的試鋪應用

劉 敏 徐 棟 譚玉玲 焦 坤

加強型合金鋼轍叉在北京地鐵4號線的試鋪應用

劉 敏 徐 棟 譚玉玲 焦 坤

(北京京港地鐵有限公司北京100068)

針對北京地鐵4號線線上高錳鋼轍叉?zhèn)麚p嚴重(轍叉母材軌面剝落掉塊、壓塌，或叉心尖端裂紋、掉塊等)、使用壽命短等問題，研制出與地鐵軌道系統、供電系統相匹配的“研線1120”加強型合金鋼轍叉，并在北京地鐵4號線上進行試驗。通過試驗表明，加強型合金鋼轍叉可以滿足地鐵安全運營的基本要求，并且磨耗量小。“研線1120”加強型合金鋼轍叉能夠與同型號高錳鋼轍叉互換使用，可在北京地鐵4號線上推廣使用。

城市軌道交通;合金鋼轍叉;磨耗;回流電纜

道岔區(qū)是軌道交通系統中的三大薄弱環(huán)節(jié)之一，而存在“有害空間”的轍叉又是道岔中最容易產生病害的部位之一。轍叉是道岔的關鍵部位，是使車輪跨越的設備，在使用中要承受壓力、沖擊力、振動力等交變載荷，其狀態(tài)好壞直接影響著行車安全［1-2］。

目前，我國城市軌道交通普遍采用的是高錳鋼整鑄式轍叉，其具有良好的沖擊韌性，經初期磨耗后，硬度有較大提高。但是其本身在結構和制造工藝上存在著若干缺陷，服役轍叉?zhèn)麚p比較嚴重，大大增加了維護費用，尤其是有許多轍叉在沒有達到磨耗限度之前提前破損，使其提前下道，使高錳鋼的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮［3］。

1 研究意義

隨著北京城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵客流量的不斷增加，地鐵行車間隔也在不斷縮短，行車密度逐漸加大，軌道超長無縫線路的實現形勢對軌道交通結構提出了更高的要求，進而對轍叉的使用工況提出了更高的要求。

根據北京地鐵4號線高錳鋼轍叉的更換情況來看，高錳鋼轍叉的傷損多為轍叉母材軌面剝落掉塊、壓塌，或叉心尖端裂紋、掉塊等，而此類非正常磨耗問題導致轍叉使用壽命短、維修工作量大及成本加大。因此研制和使用高強度、高韌性以及焊接性能良好的，能與地鐵匹配使用的轍叉顯得尤為重要。

合金鋼組合轍叉是近幾年發(fā)展起來的新型固定型轍叉，心軌尖端部分采用高強度合金鋼制造，已在鐵路線上進行應用。國內一些專家也對其進行了研究:于興義［4］采用有限元方法對12號拼裝式合金鋼轍叉結構進行受力分析，得出合金鋼轍叉結構的道岔在滿足相對鎖定軌溫的升溫幅度小于45℃、降溫幅度小于55℃時，是可以進行無縫化設計的，并能滿足結構強度、穩(wěn)定性及關鍵部位位移限值要求;付淑娟等［5］基于有限元原理，對合金鋼組合轍叉的心軌和翼軌進行了輪軌接觸應力分析，表明翼軌所受的等效應力超過它的屈服極限，而心軌所受的等效應力在極限范圍內;王建新等［6］研究分析出合金鋼轍叉可與同型號高錳鋼轍叉互換使用。但此類合金鋼轍叉僅在鐵路上應用，且在應用過程中不斷暴露出一些問題［7］。

因此，改造應用合金鋼轍叉，保留優(yōu)點改良缺點，對地鐵轍叉的適用性具有一定意義。

2 高錳鋼轍叉與合金鋼轍叉特點對比

目前，城市軌道交通主要采用高錳鋼轍叉，其結構簡單、整體性強的特點，可以滿足一般使用要求。但由于城市軌道交通列車軸重輕(一般≤17.5 t)，使轍叉硬度提高緩慢，造成初期磨耗快［8］;同時其鑄造質量不易控制，整體強度降低，使用壽命離散性大;另外，其可焊性差，很難與區(qū)間鋼軌焊接，無法滿足跨區(qū)間無縫線路的要求。

合金鋼轍叉是由抗拉強度σb≥1 240 MPa奧貝氏鋼制造的心軌、σb≥980 MPa鋼軌的叉跟軌、翼軌組成［9］，其主要結構特點有:1)心軌尖端部分采用高強度合金鋼制造，加大了心軌尖端的強度，如圖1所示;2)叉心處設置橫向螺栓連接，在轍叉趾跟端采用雙孔間隔鐵，提高了轍叉整體框架剛度;3)優(yōu)化心軌尖端形式尺寸(采用菱形結構)，減少了心軌尖端初期出現飛邊的情況;4)軌下、板下增設了墊板;5)護軌在轍叉有害空間范圍內抬高。合金鋼轍叉相對高錳鋼轍叉有使用壽命長、可以與鋼軌焊接、滿足跨區(qū)間無縫線路要求、心軌強度高、韌性好、耐磨但價格高等特點，具體見表1。

圖1 合金鋼轍叉

表1 合金鋼轍叉與高錳鋼轍叉線上應用特點比較

由于合金鋼轍叉自身的優(yōu)點及其所帶來的經濟效益，目前在國家鐵路既有線以及提速線上已經得到廣泛應用，但是鑒于合金鋼轍叉與地鐵供電系統、軌道系統匹配難等特點，在地鐵領域還未有實際應用。

中國鐵道科學研究院與浙江貝爾通信集團在合金鋼組合轍叉的基礎上，結合北京地鐵4號線軌道系統、供電直流電力牽引和走行軌回流方式的特點，對轍叉各部普通墊板、護軌墊板進行改造，使其同時對合金鋼轍叉的回流方式進行設計，研制出了適用于北京地鐵4號線的“研線1120”加強型合金鋼轍叉。在保持合金鋼轍叉優(yōu)點的前提下，實現合金鋼轍叉與地鐵軌道、供電系統的合理匹配。

3 加強型合金鋼轍叉的改造設計特點

在合金鋼轍叉原有結構的基礎之上，從墊板、翼軌和回流方式等方面對轍叉進行了設計改造，以滿足與北京地鐵4號線上高錳鋼轍叉互換使用的要求。

3.1 轍叉墊板、護軌墊板的設計改造

為加工安裝方便，高錳鋼轍叉(整體鑄造轍叉)的底面為同一平面，轍叉前后墊板厚度以及PANDROL彈條扣件安裝位置一致，因此前后各轍叉墊板可互換使用。而合金鋼組合轍叉為拼裝式，其外輪廓由焊接而成的翼軌與叉跟軌拼裝組合而成，墊板鐵座位置必須隨之改變。另外，為保持更好的輪軌關系，轍叉翼軌在咽喉到心軌50 mm斷面處還有5 mm的抬高值。因此，翼軌底面與叉心軌并不在同一個平面上，所以鐵墊板高度將隨之改變，以適應轍叉的外形尺寸。

為適應北京地鐵4號線道床的安裝要求，“研線1120”合金鋼組合轍叉的墊板設計長度、寬度及釘孔位置應與原有高錳鋼轍叉墊板一致，且安裝后轍叉趾端、跟端軌頂面高度應與線路鋼軌相同，如圖2所示。

圖2 加強型合金鋼轍叉平面

3.2 翼軌加強設計改造

針對合金鋼組合轍叉翼軌磨耗嚴重的問題［10］，經研究分析，在翼軌磨耗嚴重的區(qū)間，焊接一段合金鋼鋼軌(見圖3)，在大幅提高翼軌壽命的同時保護心軌，從而提高轍叉的整體壽命。

為保證焊接接頭的安全，增加轍叉的安全系數，在轍叉趾端焊縫設有焊縫加強保護裝置，即在心軌尖端處受力的焊縫采用夾板保護，心軌尖端使用雙螺栓與間隔鐵、夾板、翼軌連為一體(見圖4)，既提高了轍叉的安全性，又提高了尖端的穩(wěn)定性。

圖3 翼軌加強設計

圖4 翼軌加強保護設計

3.3 回流電纜連接方式的設計改造

合金鋼組合轍叉為拼裝式轍叉，由翼軌、心軌、叉跟軌、間隔鐵及螺栓等部件組成，它們相互之間不能保證可靠的導電性能。

針對地鐵鋼軌回流的特點，為保證轍叉具有良好的導電效果，避免因電流產生熱量(尤其是電弧)灼傷鋼軌，采用了連接回流電纜的方式(見圖5)，以滿足轍叉內部各拼接部位的回流要求。

圖5 合金鋼轍叉回流連接

將回流電纜的連接方式由原來的焊接改變?yōu)槊浭饺斶B接，降低了因焊接造成轍叉?zhèn)麚p的風險，同時提高了回流電纜連接的作業(yè)效率。

4 加強型合金鋼轍叉在線試驗分析

4.1 試驗目的

本次試驗目的是驗證改造后的加強型合金鋼轍叉是否能夠與北京地鐵4號線道岔的高錳鋼轍叉互換使用，且能夠滿足安全運營的基本要求，即加強型合金鋼轍叉通過上道后列車碾壓，持續(xù)監(jiān)測3個月后，轍叉叉心、翼軌的平均磨耗量均不大于0.5 mm，轍叉其他部位經探傷檢查，不出現對轍叉正常使用產生影響的傷損。

為了比較合金鋼轍叉與高錳鋼轍叉的磨耗和傷損情況，在北京地鐵4號線上選取了8組一類常用道岔和進站速度較快區(qū)段的道岔作為試驗組道岔，選擇與試驗道岔現場條件(如道床形式)、行車情況(道岔常開位置)等相似的4組道岔作為參照組道岔。

4.2 試驗磨耗情況對比分析

新合金鋼轍叉在上道后的1個月左右(磨合期)，心軌20～50 mm斷面處，因翼軌及心軌的工作及受力條件惡劣，容易出現肥邊情況(見圖6)，此時肥邊需及時打磨(肥邊不得超過2 mm)，以免造成剝落掉塊，打磨頻次為每周打磨一次。經過3～4次打磨后，轍叉磨耗進入相對穩(wěn)定期，此后幾乎無肥邊產生。

圖6 磨合期合金鋼轍叉情況

試驗8組合金鋼及對比4組高錳鋼轍叉叉心磨耗量見圖7～8所示。根據磨耗測量數據分析得出:上線試驗6個月，合金鋼轍叉心軌的平均磨耗量約為0.1～0.2 mm、翼軌的平均磨耗量約為0～0.1 mm，磨耗量小于目標值0.5 mm;正線參照組高錳鋼轍叉心軌的平均磨耗量在3～4 mm，而翼軌的平均磨耗量在1～1.5 mm。因此，合金鋼轍叉心軌、翼軌的平均磨耗量遠小于高錳鋼轍叉心軌、翼軌的平均磨耗量。

圖7 試驗組8組加強型合金鋼組合轍叉叉心磨耗量

4.3 試驗傷損情況對比分析

圖8 參照組4組高錳鋼轍叉叉心磨耗量

經探傷檢查，在試用期6個月內，加強型合金鋼轍叉未出現對轍叉正常使用產生影響的傷損;高錳鋼轍叉叉心磨耗值已接近4 mm，達到6 mm就會形成傷損，后續(xù)需加強觀察。

5 轍叉回流效果測試

為檢驗轍叉整體的回流效果是否滿足要求，上道前對各組轍叉測點①至測點②(見圖2)之間的電阻值進行測量，同時對電纜與鋼軌間電阻進行測量。經測量，轍叉全長的電阻平均值為121μΩ，約28.1μΩ/m，電纜與鋼軌間電阻的實測值為25.04～26.35μΩ(約20℃)，滿足《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規(guī)程》(CJJ 49)的規(guī)定:鋼軌和負極電纜的連接電阻不能超過1 m鋼軌的電阻值(60 kg/m鋼軌的平均電阻約為34.36μΩ)，載流量滿足短路時最大電流的需求。

經過對上道的8組加強型合金鋼轍叉、接頭進行持續(xù)觀察，未發(fā)現轍叉有電弧灼傷痕跡。

因此，試驗組加強型合金鋼轍叉與北京地鐵4號線軌道系統匹配良好，且回流效果滿足要求。

6 結論

中國鐵道科學研究院、浙江貝爾通信集團與京港地鐵有限公司研制出的加強型合金鋼轍叉在北京地鐵4號線上試用效果良好:與北京地鐵4號線軌道系統匹配良好，且回流效果滿足要求;轍叉叉心軌和翼軌的平均磨耗值小于同等使用條件下的高錳鋼轍叉;未出現影響轍叉正常使用的傷損。因此，“研線1120”合金鋼轍叉能夠與北京地鐵4號線線上60 kg/m的9號道岔高錳鋼轍叉互換使用，可在北京地鐵4號線上推廣使用。

為了達到使用效果，加強型合金鋼轍叉在養(yǎng)護維修中應注意，在磨合期(上道1個月左右)內對心軌20～50 mm斷面處進行打磨，打磨頻次為每周打磨一次，直至打磨3～4次后，轍叉磨耗進入穩(wěn)定期。

鑒于加強型合金鋼轍叉強度高、耐磨等特點，其他城市軌道交通線路可借鑒北京地鐵4號線改造合金鋼轍叉的成功案例，結合經濟效益對合金鋼轍叉加以改造利用，從根本上解決高錳鋼轍叉?zhèn)麚p多、壽命短等問題。

［1］鄒建，趙德才，孟憲嘉，等.防止高錳鋼轍叉縮孔缺陷的工藝實踐［J］.鑄造，1999(8):40-41.

［2］楊聰.道岔轍叉幾何尺寸合理維修值的分析與處理［J］.廣西鐵道，2005(4):25-27.

［3］張東風，蔣昕.合金鋼叉心拼裝式轍叉的結構設計［J］.鐵道標準設計，2008(2):4-6.

［4］于興義.60 kg/m 12號拼裝式合金鋼轍叉對道岔無縫化的適應性研究［J］.鐵道標準設計，2006(5):1-3.

［5］付淑娟，王平，王會永.合金鋼組合轍叉輪軌接觸應力分析［J］.路基工程，2009(4):34-35.

［6］王建新，張文宇.合金鋼鍛造心軌組合轍叉的設計與改進［J］.鐵道技術監(jiān)督，2004(3):35-36.

［7］韓清強.加強合金鋼組合轍叉管理與養(yǎng)護的建議［J］.上海鐵道科技，2012(2):40-41.

［8］張東風，蔣昕，侯愛濱.北京城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號單開道岔的設計研究［J］.鐵道標準設計，2012(9): 30-34.

［9］付淑娟.合金鋼組合轍叉輪軌接觸應力及其影響因素分析［D］.成都:西南交通大學，2008.

［10］馬勇，王樂樂.延長合金鋼組合轍叉使用壽命試驗與應

用［J］.城市建設理論研究，2012(32).

(編輯:王艷菊)

Transformation Trial of Reinforced Alloy Steel Frog in Beijing Metro Line 4

Liu Min Xu Dong Tan Yuling Jiao Kun
(Beijing MTR Corporation Limited，Beijing 100068)

Beijing Metro Line 4 faces the problems of serious injuries and short life-span of highmanganese steel frogs.To solve the problem，CARS，Zhejiang Bell Group and BJMTR jointly developed the"RL1120"enhanced alloy steel frogswhichmatch the rail system and power supply system.We conducted a testwith the enhanced alloy steel frogs on Beijing Metro Line4.The experiments indicated that the frogsmeet the basic safety requirements ofmetro operation with a small amount ofwear.We can draw a conclusion from the test that the"RL1120"enhanced alloy steel frogs can be swapped with the highmanganese steel frogs.Therefore，wide application of the"RL1120"enhanced alloy steel frogs to the Beijing Metro Line 4 is feasible.

urban rail transit;alloy steel frog;wear;refluxing cable

1672-6073(2016)02-0071-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.016

2015-04-21

2015-05-14

劉敏，男，本科，鐵道工程專業(yè)，京港地鐵線路維修經理，m in.liu@m tr.b j.cn

北京市科委(Z111100074511008)

U231.2

A