劉 敏 徐 棟 譚玉玲 焦 坤

加強(qiáng)型合金鋼轍叉在北京地鐵4號線的試鋪應(yīng)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(yán)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(tǒng)、供電系統(tǒng)相匹配的“研線1120”加強(qiáng)型合金鋼轍叉，并在北京地鐵4號線上進(jìn)行試驗。通過試驗表明，加強(qiáng)型合金鋼轍叉可以滿足地鐵安全運(yùn)營的基本要求，并且磨耗量小?！把芯€1120”加強(qiáng)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(tǒng)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(chǎn)生病害的部位之一。轍叉是道岔的關(guān)鍵部位，是使車輪跨越的設(shè)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(jīng)初期磨耗后，硬度有較大提高。但是其本身在結(jié)構(gòu)和制造工藝上存在著若干缺陷，服役轍叉?zhèn)麚p比較嚴(yán)重，大大增加了維護(hù)費(fèi)用，尤其是有許多轍叉在沒有達(dá)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(xiàn)形勢對軌道交通結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，進(jìn)而對轍叉的使用工況提出了更高的要求。

根據(jù)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(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)度合金鋼制造，已在鐵路線上進(jìn)行應(yīng)用。國內(nèi)一些專家也對其進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得出合金鋼轍叉結(jié)構(gòu)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(jìn)行無縫化設(shè)計的，并能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性及關(guān)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(jìn)行了輪軌接觸應(yīng)力分析，表明翼軌所受的等效應(yīng)力超過它的屈服極限，而心軌所受的等效應(yīng)力在極限范圍內(nèi);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(yīng)用，且在應(yīng)用過程中不斷暴露出一些問題［7］。

因此，改造應(yīng)用合金鋼轍叉，保留優(yōu)點(diǎn)改良缺點(diǎn)，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(diǎn)對比

目前，城市軌道交通主要采用高錳鋼轍叉，其結(jié)構(gòu)簡單、整體性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(zhì)量不易控制，整體強(qiáng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)有:1)心軌尖端部分采用高強(qiáng)度合金鋼制造，加大了心軌尖端的強(qiáng)度，如圖1所示;2)叉心處設(shè)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(jié)構(gòu))，減少了心軌尖端初期出現(xiàn)飛邊的情況;4)軌下、板下增設(shè)了墊板;5)護(hù)軌在轍叉有害空間范圍內(nèi)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(qiáng)度高、韌性好、耐磨但價格高等特點(diǎn)，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(yīng)用特點(diǎn)比較

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

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

3 加強(qiáng)型合金鋼轍叉的改造設(shè)計特點(diǎn)

在合金鋼轍叉原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，從墊板、翼軌和回流方式等方面對轍叉進(jìn)行了設(shè)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(hù)軌墊板的設(shè)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(guān)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(yīng)轍叉的外形尺寸。

為適應(yīng)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(shè)計長度、寬度及釘孔位置應(yīng)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(yīng)與線路鋼軌相同，如圖2所示。

圖2 加強(qiáng)型合金鋼轍叉平面

3.2 翼軌加強(qiáng)設(shè)計改造

針對合金鋼組合轍叉翼軌磨耗嚴(yán)重的問題［10］，經(jīng)研究分析，在翼軌磨耗嚴(yán)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(hù)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(shù)，在轍叉趾端焊縫設(shè)有焊縫加強(qiáng)保護(hù)裝置，即在心軌尖端處受力的焊縫采用夾板保護(hù)，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(qiáng)設(shè)計

圖4 翼軌加強(qiáng)保護(hù)設(shè)計

3.3 回流電纜連接方式的設(shè)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(dǎo)電性能。

針對地鐵鋼軌回流的特點(diǎn)，為保證轍叉具有良好的導(dǎo)電效果，避免因電流產(chǎn)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(nèi)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(fēng)險，同時提高了回流電纜連接的作業(yè)效率。

4 加強(qiáng)型合金鋼轍叉在線試驗分析

4.1 試驗?zāi)康?/p>

本次試驗?zāi)康氖球炞C改造后的加強(qiáng)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(yùn)營的基本要求，即加強(qiáng)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(jīng)探傷檢查，不出現(xiàn)對轍叉正常使用產(chǎn)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(jìn)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(xiàn)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?zāi)ズ那闆r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(xiàn)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(jīng)過3～4次打磨后，轍叉磨耗進(jìn)入相對穩(wěn)定期，此后幾乎無肥邊產(chǎn)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(jù)磨耗測量數(shù)據(jù)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(biāo)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(yuǎn)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(qiáng)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(jīng)探傷檢查，在試用期6個月內(nèi)，加強(qiáng)型合金鋼轍叉未出現(xiàn)對轍叉正常使用產(chǎn)生影響的傷損;高錳鋼轍叉叉心磨耗值已接近4 mm，達(dá)到6 mm就會形成傷損，后續(xù)需加強(qiáng)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(diǎn)①至測點(diǎn)②(見圖2)之間的電阻值進(jìn)行測量，同時對電纜與鋼軌間電阻進(jìn)行測量。經(jīng)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(hù)技術(shù)規(guī)程》(CJJ 49)的規(guī)定:鋼軌和負(fù)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(jīng)過對上道的8組加強(qiáng)型合金鋼轍叉、接頭進(jìn)行持續(xù)觀察，未發(fā)現(xiàn)轍叉有電弧灼傷痕跡。

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

6 結(jié)論

中國鐵道科學(xué)研究院、浙江貝爾通信集團(tuán)與京港地鐵有限公司研制出的加強(qiáng)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(tǒng)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(xiàn)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(dá)到使用效果，加強(qiáng)型合金鋼轍叉在養(yǎng)護(hù)維修中應(yīng)注意，在磨合期(上道1個月左右)內(nèi)對心軌20～50 mm斷面處進(jìn)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(jìn)入穩(wěn)定期。

鑒于加強(qiáng)型合金鋼轍叉強(qiáng)度高、耐磨等特點(diǎn)，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(jié)合經(jīng)濟(jì)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(fēng)，蔣昕.合金鋼叉心拼裝式轍叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(yīng)性研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(yīng)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(shè)計與改進(jìn)［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2004(3):35-36.

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

［8］張東風(fēng)，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(shè)計研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(9): 30-34.

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

［10］馬勇，王樂樂.延長合金鋼組合轍叉使用壽命試驗與應(yīng)

用［J］.城市建設(shè)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(jīng)理，m in.liu@m tr.b j.cn

北京市科委(Z111100074511008)

U231.2

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