加强型合金钢辙叉在北京地铁4号线的试铺应用

刘 敏 徐 栋 谭玉玲 焦 坤

加强型合金钢辙叉在北京地铁4号线的试铺应用

刘 敏 徐 栋 谭玉玲 焦 坤

(北京京港地铁有限公司北京100068)

针对北京地铁4号线线上高锰钢辙叉伤损严重(辙叉母材轨面剥落掉块、压塌，或叉心尖端裂纹、掉块等)、使用寿命短等问题，研制出与地铁轨道系统、供电系统相匹配的“研线1120”加强型合金钢辙叉，并在北京地铁4号线上进行试验。通过试验表明，加强型合金钢辙叉可以满足地铁安全运营的基本要求，并且磨耗量小。“研线1120”加强型合金钢辙叉能够与同型号高锰钢辙叉互换使用，可在北京地铁4号线上推广使用。

城市轨道交通;合金钢辙叉;磨耗;回流电缆

道岔区是轨道交通系统中的三大薄弱环节之一，而存在“有害空间”的辙叉又是道岔中最容易产生病害的部位之一。辙叉是道岔的关键部位，是使车轮跨越的设备，在使用中要承受压力、冲击力、振动力等交变载荷，其状态好坏直接影响着行车安全［1-2］。

目前，我国城市轨道交通普遍采用的是高锰钢整铸式辙叉，其具有良好的冲击韧性，经初期磨耗后，硬度有较大提高。但是其本身在结构和制造工艺上存在着若干缺陷，服役辙叉伤损比较严重，大大增加了维护费用，尤其是有许多辙叉在没有达到磨耗限度之前提前破损，使其提前下道，使高锰钢的优势得不到充分发挥［3］。

1 研究意义

随着北京城市轨道交通的快速发展，地铁客流量的不断增加，地铁行车间隔也在不断缩短，行车密度逐渐加大，轨道超长无缝线路的实现形势对轨道交通结构提出了更高的要求，进而对辙叉的使用工况提出了更高的要求。

根据北京地铁4号线高锰钢辙叉的更换情况来看，高锰钢辙叉的伤损多为辙叉母材轨面剥落掉块、压塌，或叉心尖端裂纹、掉块等，而此类非正常磨耗问题导致辙叉使用寿命短、维修工作量大及成本加大。因此研制和使用高强度、高韧性以及焊接性能良好的，能与地铁匹配使用的辙叉显得尤为重要。

合金钢组合辙叉是近几年发展起来的新型固定型辙叉，心轨尖端部分采用高强度合金钢制造，已在铁路线上进行应用。国内一些专家也对其进行了研究:于兴义［4］采用有限元方法对12号拼装式合金钢辙叉结构进行受力分析，得出合金钢辙叉结构的道岔在满足相对锁定轨温的升温幅度小于45℃、降温幅度小于55℃时，是可以进行无缝化设计的，并能满足结构强度、稳定性及关键部位位移限值要求;付淑娟等［5］基于有限元原理，对合金钢组合辙叉的心轨和翼轨进行了轮轨接触应力分析，表明翼轨所受的等效应力超过它的屈服极限，而心轨所受的等效应力在极限范围内;王建新等［6］研究分析出合金钢辙叉可与同型号高锰钢辙叉互换使用。但此类合金钢辙叉仅在铁路上应用，且在应用过程中不断暴露出一些问题［7］。

因此，改造应用合金钢辙叉，保留优点改良缺点，对地铁辙叉的适用性具有一定意义。

2 高锰钢辙叉与合金钢辙叉特点对比

目前，城市轨道交通主要采用高锰钢辙叉，其结构简单、整体性强的特点，可以满足一般使用要求。但由于城市轨道交通列车轴重轻(一般≤17.5 t)，使辙叉硬度提高缓慢，造成初期磨耗快［8］;同时其铸造质量不易控制，整体强度降低，使用寿命离散性大;另外，其可焊性差，很难与区间钢轨焊接，无法满足跨区间无缝线路的要求。

合金钢辙叉是由抗拉强度σb≥1 240 MPa奥贝氏钢制造的心轨、σb≥980 MPa钢轨的叉跟轨、翼轨组成［9］，其主要结构特点有:1)心轨尖端部分采用高强度合金钢制造，加大了心轨尖端的强度，如图1所示;2)叉心处设置横向螺栓连接，在辙叉趾跟端采用双孔间隔铁，提高了辙叉整体框架刚度;3)优化心轨尖端形式尺寸(采用菱形结构)，减少了心轨尖端初期出现飞边的情况;4)轨下、板下增设了垫板;5)护轨在辙叉有害空间范围内抬高。合金钢辙叉相对高锰钢辙叉有使用寿命长、可以与钢轨焊接、满足跨区间无缝线路要求、心轨强度高、韧性好、耐磨但价格高等特点，具体见表1。

图1 合金钢辙叉

表1 合金钢辙叉与高锰钢辙叉线上应用特点比较

由于合金钢辙叉自身的优点及其所带来的经济效益，目前在国家铁路既有线以及提速线上已经得到广泛应用，但是鉴于合金钢辙叉与地铁供电系统、轨道系统匹配难等特点，在地铁领域还未有实际应用。

中国铁道科学研究院与浙江贝尔通信集团在合金钢组合辙叉的基础上，结合北京地铁4号线轨道系统、供电直流电力牵引和走行轨回流方式的特点，对辙叉各部普通垫板、护轨垫板进行改造，使其同时对合金钢辙叉的回流方式进行设计，研制出了适用于北京地铁4号线的“研线1120”加强型合金钢辙叉。在保持合金钢辙叉优点的前提下，实现合金钢辙叉与地铁轨道、供电系统的合理匹配。

3 加强型合金钢辙叉的改造设计特点

在合金钢辙叉原有结构的基础之上，从垫板、翼轨和回流方式等方面对辙叉进行了设计改造，以满足与北京地铁4号线上高锰钢辙叉互换使用的要求。

3.1 辙叉垫板、护轨垫板的设计改造

为加工安装方便，高锰钢辙叉(整体铸造辙叉)的底面为同一平面，辙叉前后垫板厚度以及PANDROL弹条扣件安装位置一致，因此前后各辙叉垫板可互换使用。而合金钢组合辙叉为拼装式，其外轮廓由焊接而成的翼轨与叉跟轨拼装组合而成，垫板铁座位置必须随之改变。另外，为保持更好的轮轨关系，辙叉翼轨在咽喉到心轨50 mm断面处还有5 mm的抬高值。因此，翼轨底面与叉心轨并不在同一个平面上，所以铁垫板高度将随之改变，以适应辙叉的外形尺寸。

为适应北京地铁4号线道床的安装要求，“研线1120”合金钢组合辙叉的垫板设计长度、宽度及钉孔位置应与原有高锰钢辙叉垫板一致，且安装后辙叉趾端、跟端轨顶面高度应与线路钢轨相同，如图2所示。

图2 加强型合金钢辙叉平面

3.2 翼轨加强设计改造

针对合金钢组合辙叉翼轨磨耗严重的问题［10］，经研究分析，在翼轨磨耗严重的区间，焊接一段合金钢钢轨(见图3)，在大幅提高翼轨寿命的同时保护心轨，从而提高辙叉的整体寿命。

为保证焊接接头的安全，增加辙叉的安全系数，在辙叉趾端焊缝设有焊缝加强保护装置，即在心轨尖端处受力的焊缝采用夹板保护，心轨尖端使用双螺栓与间隔铁、夹板、翼轨连为一体(见图4)，既提高了辙叉的安全性，又提高了尖端的稳定性。

图3 翼轨加强设计

图4 翼轨加强保护设计

3.3 回流电缆连接方式的设计改造

合金钢组合辙叉为拼装式辙叉，由翼轨、心轨、叉跟轨、间隔铁及螺栓等部件组成，它们相互之间不能保证可靠的导电性能。

针对地铁钢轨回流的特点，为保证辙叉具有良好的导电效果，避免因电流产生热量(尤其是电弧)灼伤钢轨，采用了连接回流电缆的方式(见图5)，以满足辙叉内部各拼接部位的回流要求。

图5 合金钢辙叉回流连接

将回流电缆的连接方式由原来的焊接改变为胀式塞钉连接，降低了因焊接造成辙叉伤损的风险，同时提高了回流电缆连接的作业效率。

4 加强型合金钢辙叉在线试验分析

4.1 试验目的

本次试验目的是验证改造后的加强型合金钢辙叉是否能够与北京地铁4号线道岔的高锰钢辙叉互换使用，且能够满足安全运营的基本要求，即加强型合金钢辙叉通过上道后列车碾压，持续监测3个月后，辙叉叉心、翼轨的平均磨耗量均不大于0.5 mm，辙叉其他部位经探伤检查，不出现对辙叉正常使用产生影响的伤损。

为了比较合金钢辙叉与高锰钢辙叉的磨耗和伤损情况，在北京地铁4号线上选取了8组一类常用道岔和进站速度较快区段的道岔作为试验组道岔，选择与试验道岔现场条件(如道床形式)、行车情况(道岔常开位置)等相似的4组道岔作为参照组道岔。

4.2 试验磨耗情况对比分析

新合金钢辙叉在上道后的1个月左右(磨合期)，心轨20～50 mm断面处，因翼轨及心轨的工作及受力条件恶劣，容易出现肥边情况(见图6)，此时肥边需及时打磨(肥边不得超过2 mm)，以免造成剥落掉块，打磨频次为每周打磨一次。经过3～4次打磨后，辙叉磨耗进入相对稳定期，此后几乎无肥边产生。

图6 磨合期合金钢辙叉情况

试验8组合金钢及对比4组高锰钢辙叉叉心磨耗量见图7～8所示。根据磨耗测量数据分析得出:上线试验6个月，合金钢辙叉心轨的平均磨耗量约为0.1～0.2 mm、翼轨的平均磨耗量约为0～0.1 mm，磨耗量小于目标值0.5 mm;正线参照组高锰钢辙叉心轨的平均磨耗量在3～4 mm，而翼轨的平均磨耗量在1～1.5 mm。因此，合金钢辙叉心轨、翼轨的平均磨耗量远小于高锰钢辙叉心轨、翼轨的平均磨耗量。

图7 试验组8组加强型合金钢组合辙叉叉心磨耗量

4.3 试验伤损情况对比分析

图8 参照组4组高锰钢辙叉叉心磨耗量

经探伤检查，在试用期6个月内，加强型合金钢辙叉未出现对辙叉正常使用产生影响的伤损;高锰钢辙叉叉心磨耗值已接近4 mm，达到6 mm就会形成伤损，后续需加强观察。

5 辙叉回流效果测试

为检验辙叉整体的回流效果是否满足要求，上道前对各组辙叉测点①至测点②(见图2)之间的电阻值进行测量，同时对电缆与钢轨间电阻进行测量。经测量，辙叉全长的电阻平均值为121μΩ，约28.1μΩ/m，电缆与钢轨间电阻的实测值为25.04～26.35μΩ(约20℃)，满足《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》(CJJ 49)的规定:钢轨和负极电缆的连接电阻不能超过1 m钢轨的电阻值(60 kg/m钢轨的平均电阻约为34.36μΩ)，载流量满足短路时最大电流的需求。

经过对上道的8组加强型合金钢辙叉、接头进行持续观察，未发现辙叉有电弧灼伤痕迹。

因此，试验组加强型合金钢辙叉与北京地铁4号线轨道系统匹配良好，且回流效果满足要求。

6 结论

中国铁道科学研究院、浙江贝尔通信集团与京港地铁有限公司研制出的加强型合金钢辙叉在北京地铁4号线上试用效果良好:与北京地铁4号线轨道系统匹配良好，且回流效果满足要求;辙叉叉心轨和翼轨的平均磨耗值小于同等使用条件下的高锰钢辙叉;未出现影响辙叉正常使用的伤损。因此，“研线1120”合金钢辙叉能够与北京地铁4号线线上60 kg/m的9号道岔高锰钢辙叉互换使用，可在北京地铁4号线上推广使用。

为了达到使用效果，加强型合金钢辙叉在养护维修中应注意，在磨合期(上道1个月左右)内对心轨20～50 mm断面处进行打磨，打磨频次为每周打磨一次，直至打磨3～4次后，辙叉磨耗进入稳定期。

鉴于加强型合金钢辙叉强度高、耐磨等特点，其他城市轨道交通线路可借鉴北京地铁4号线改造合金钢辙叉的成功案例，结合经济效益对合金钢辙叉加以改造利用，从根本上解决高锰钢辙叉伤损多、寿命短等问题。

［1］邹建，赵德才，孟宪嘉，等.防止高锰钢辙叉缩孔缺陷的工艺实践［J］.铸造，1999(8):40-41.

［2］杨聪.道岔辙叉几何尺寸合理维修值的分析与处理［J］.广西铁道，2005(4):25-27.

［3］张东风，蒋昕.合金钢叉心拼装式辙叉的结构设计［J］.铁道标准设计，2008(2):4-6.

［4］于兴义.60 kg/m 12号拼装式合金钢辙叉对道岔无缝化的适应性研究［J］.铁道标准设计，2006(5):1-3.

［5］付淑娟，王平，王会永.合金钢组合辙叉轮轨接触应力分析［J］.路基工程，2009(4):34-35.

［6］王建新，张文宇.合金钢锻造心轨组合辙叉的设计与改进［J］.铁道技术监督，2004(3):35-36.

［7］韩清强.加强合金钢组合辙叉管理与养护的建议［J］.上海铁道科技，2012(2):40-41.

［8］张东风，蒋昕，侯爱滨.北京城市轨道交通60 kg/m钢轨12号单开道岔的设计研究［J］.铁道标准设计，2012(9): 30-34.

［9］付淑娟.合金钢组合辙叉轮轨接触应力及其影响因素分析［D］.成都:西南交通大学，2008.

［10］马勇，王乐乐.延长合金钢组合辙叉使用寿命试验与应

用［J］.城市建设理论研究，2012(32).

(编辑:王艳菊)

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

刘敏，男，本科，铁道工程专业，京港地铁线路维修经理，m in.liu@m tr.b j.cn

北京市科委(Z111100074511008)

U231.2

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