我國鐵路道岔現狀與發展

王樹國

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國鐵路道岔現狀與發展

王樹國

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國在高速道岔研究、設計、實車試驗方面已經達到世界先進水平，在道岔制造、鋪設和維修方面取得了顯著進步。本文系統地介紹我國高速道岔的研發歷程、研究成果及創新技術，并基于近10年的運營實踐總結了高速道岔在設計、制造和運營中出現的問題，指出高速道岔未來的發展方向和要點。此外，介紹近10年特別是近5年來我國重載道岔和普速道岔的研究現狀和創新成果，總結了重載道岔和普速道岔在型號簡化統型、創新技術推廣應用等方面的問題，指出了其未來的發展方向和要點。

高速道岔 重載道岔 普速道岔 現狀與發展

鐵路道岔是鐵路軌道的重要組成部分和關鍵設備，其發展水平集中體現了一個國家鐵路軌道的發展水平［1］。我國道岔工業從無到有，從小到大，其發展基本同步或略滯后于軌道的發展。自2005年至今的10年時間，我國鐵路道岔工業抓住了高速鐵路和重載鐵路建設大發展的機遇，在道岔設計、制造、鋪設和運營維護方面取得顯著進步，完全實現了與鐵路軌道的同步發展，總體達到國際先進水平。

1 高速道岔現狀與發展

1.1 高速道岔發展現狀

1.1.1 客專線道岔研發歷程及成果

在高速鐵路建設初期，我國無成熟的高速道岔設計、制造和運用實踐，因此采用技術引進和自主研發并存的解決方案。至2014年底，我國高速鐵路使用了自主研發的客專線道岔、技術引進的CN道岔和CZ道岔共三種道岔，其中自主研發的客專線道岔占70% 以上。

客專線道岔研發始于2005年，至2012年7月，時速350 km的60 kg/m鋼軌62號無砟道岔在哈大高鐵長春西站試驗成功［2］，歷時7年。自主研制的客專線系列道岔(見表1)成功應用于多條高速鐵路，滿足了鐵路建設急需。至2014年底，客專線道岔鋪設總數約3 000組，成為世界上使用數量最多的高速道岔。

表1 我國自主研發的客專線道岔

1.1.2 客專線道岔的創新技術

客專線道岔是在我國原有道岔工業基礎上，自主創新的結果，具有鮮明的中國特色，研發過程中形成了多項創新技術。

1)道岔設計參數的選擇及側線線型設計技術。選擇了合適的基于質點運動和剛體運動的道岔設計參數，設計了18，42和62號道岔側線線型［3］。其中42 和62號道岔采用圓曲線加緩和曲線線型，規定了三種號碼道岔的平面尺寸，同一號碼但采用不同技術的道岔尺寸完全一致。

2)尖軌降低值(尖軌相對于基本軌高差)和心軌降低值(心軌相對于翼軌高差)優化技術。在試驗中發現，尖軌降低值決定輪載在尖軌和基本軌間的過渡范圍和過渡比例，和道岔平順性直接相關，通過優化尖軌和心軌降低值分別保證了轉轍器和轍叉的高平順性［4］。

3)軋制翼軌及心軌轉換托槽等新型結構的設計技術。設計、軋制了60TY鋼軌，用以制造可動心軌轍叉翼軌，克服了原鍛造翼軌在焊縫處斷裂及磨耗嚴重的缺陷。取消原道岔心軌的轉換凸緣，鎖鉤上移，直接牽引心軌轉換，確保了轍叉結構的穩定性與可靠性。

4)轍叉水平藏尖技術。時速350 km的18號道岔轍叉心軌水平藏尖，可提高轍叉平順性并延長心軌使用壽命。

5)道岔扣件系統剛度合理設置與均勻化技術。通過理論研究和實車試驗確定了扣件系統支點剛度，根據道岔結構特點，在道岔不同區域采用不同的支點剛度，使道岔區軌道整體剛度趨于一致［4］。

6)多機多點牽引方式及優化設計的外鎖閉機構為道岔提供可靠的轉換、鎖閉與檢測能力，并適應跨區間無縫線路的要求。

7)無砟岔枕和道岔板設計技術。設計、制造、鋪設和試驗了無砟岔枕和道岔板，滿足了無砟軌道基礎上道岔鋪設需求。

客專線道岔是基于我國道岔工業基礎在既有鐵路道岔技術上研發的，采用了大量創新技術，比較適應我國高速鐵路運營特點，表現出用量最多、服務最優、問題最少三個優勢。

1.1.3 我國高速道岔技術發展總體評價

經過10年的研究探索和經驗累積，我國在高速道岔研究、設計、實車試驗方面已經達到世界先進水平，在道岔制造、鋪設和維修方面取得了顯著技術進步，可歸結為以下幾個方面:

1)基本上構建了高速道岔設計理論體系。通過長期試驗和理論研究，掌握了影響高速列車過岔安全性與舒適性的關鍵因素，并得到了運營實踐的驗證。

2)建立了高速道岔實車動力學試驗的理論、方法和評價體系。在高速道岔自主研發過程中，對每個型號的道岔逐一進行了實車綜合試驗，取得了大量的實測數據，為理論分析驗證、結構設計優化、制造與鋪設質量考核、技術標準制定提供了技術支撐。

3)形成了高速道岔標準體系。制定并頒布了《高速鐵路道岔技術條件》(TB/T 3301)，《高速鐵路道岔制造技術條件》(TB/T 3307)，《高速鐵路無砟軌道道岔鋪設技術條件》(TB/T 3302)，《高速鐵路有砟軌道道岔鋪設技術條件》(TB/T 3306)，使道岔的設計、制造和鋪設規范化、制度化［5］。

4)推動了我國鐵路道岔工業的技術進步。高速道岔的制造要求高加工精度，執行嚴格的技術標準，配備專業加工設備，在廠內進行逐組組裝。道岔生產廠家以此為契機，更新了設備，完善了工藝，建立了精細化制造理念，在與國外企業的競爭中，制造水平顯著提高。

1.2 高速道岔運營中存在問題

通過多年的運營實踐，高速道岔總體狀態良好，但也暴露出一些問題，主要表現在以下方面。

1)道岔制造方面

道岔制造不夠精細化。如由于翼軌趾端刨切加工粗糙出現馬氏體、螺栓孔不倒棱等問題，導致軌件上道后出現多起傷損。個別道岔尖軌廓形或尖軌降低值不滿足設計要求，造成動車組過岔時車體加速度超限。不能按技術條件的要求在廠內進行包括軌枕、轉換設備、軌件、聯結件在內的組裝。個別工廠不按設計圖紙制造道岔，造成不同工廠制造的軌件不能互換，給現場維修更換帶來困難和安全隱患。

2)運營實踐方面

①道岔區晃車問題。在多條高速鐵路發生了動車組直向過岔晃車問題。如京滬高鐵黃渡線路所42號道岔尖軌降低值超差，CRH2型動車組車體橫向加速度平均幅值1.3 m/s2，最大為2.2 m/s2，人體感覺晃車非常明顯，動車限速160 km/h直向通過［6］。

②CN18號道岔轍叉輪軌垂直力過渡部位出現系列問題。自CN系列18號道岔上道鋪設以來，在綜合試驗和聯調聯試中發現列車側向過岔時翼軌橫移量、輪軸橫向力、脫軌系數過大問題，在運營實踐階段出現了下拉裝置頻繁損壞、故障率高、翼軌軌撐T型螺栓斷裂和彈簧墊圈斷裂等問題。這些問題均位于車輪在翼軌和心軌過渡區域。

③鋼軌件傷損與斷裂問題。據不完全統計，2005—2015年全路高速道岔共發生13起鋼軌傷損事件。其中翼軌傷損事件5起，心軌傷損事件5起，基本軌、尖軌、叉跟尖軌傷損事件各1起。由于尖軌和心軌的傷損和斷裂有導致列車脫軌的危險，而且不能及時通過軌道電路和聯鎖設備報警，只能通過人工探傷和巡查發現，因此軌件的傷損和斷裂是高速鐵路軌道系統中最大的風險之一。

④曲尖軌磨耗快，使用壽命短。某些繁忙高鐵線路側向過車頻繁的18號道岔曲尖軌磨耗快，使用不到2年就因磨耗到限而更換。

⑤道岔尖軌跟端存在不足位移。尖軌打開再閉合時，尖軌不能轉換到位，尖軌軌腰和頂鐵間存在3～5 mm縫隙，影響了道岔平順性。

1.3 高速道岔未來的發展要點

上述問題的存在表明高速道岔技術發展并非一蹴而就，而是一個長期過程，要在不斷地解決既有問題中探索前進。高速道岔技術未來發展要點如下。

1)深入開展道岔區輪軌關系研究

利用商業軟件和自編軟件兩種計算工具，對道岔區輪軌關系進行深入研究，為解決現存問題提供理論指導，為道岔技術發展和下一代高速道岔研制提供基礎理論儲備。對動車組通過轉轍器區域的晃車機理進行研究，為維修提供理論依據;對轍叉區沖擊振動特性進行研究，從理論上解決轍叉區垂直力過渡區域沖擊作用劇烈及部件傷損多的問題;對道岔軌件打磨廓形和摩擦控制進行研究，為岔區軌件打磨和維修提供指導;基于輪軌關系和動力響應研究不同速度條件下軌道剛度取值問題，為下一代高速道岔軌道剛度取值奠定理論基礎;開展曲線尖軌線型及結構對其磨耗特性影響的研究，從輪軌關系方面找到客專線道岔曲線尖軌磨耗快、壽命短的理論原因，為下一代長壽命道岔研制奠定理論基礎。

2)道岔設計與使用

研究合并18號道岔種類的可能性。目前18號道岔共4個圖號，有砟道岔分為250和350 km/h兩種，無砟道岔分為250和350 km/h兩種，應將18號道岔統型為兩個圖號，即18號有砟道岔和18號無砟道岔，不按速度進行劃分。研究高速道岔軌件統一使用U75V材質的可能性，延長軌件使用壽命的同時，為道岔制造和維修提供方便。規范高速道岔的使用，明確高速道岔使用條件。

3)道岔精細化制造

完善道岔廠內整組組裝與集成供貨制度。高速道岔鋪設的高品質與其廠內逐組組裝和集成供貨有密切關系，該制度可消除組裝缺陷和誤差，解決工電接口不匹配問題，從而確保道岔產品整體性能。

工廠應完全按設計圖制造道岔及其部件，保證不同道岔廠家制造部件的互換性，從而有利于維修部門的備料和維護，消除由于部件間不匹配造成的安全隱患。

扎實推進道岔精細制造技術。在道岔使用過程中還存在軌件傷損、尺寸超差、部件生銹等問題，道岔工廠需優化工藝，推進精細制造技術，加強質量控制，不斷提升道岔質量。

4)開展道岔維修技術深化研究

①加強軌件傷損、斷裂探傷與監測技術研究。在道岔病害中對安全影響最大的是軌件的傷損和斷裂。因此，應高度重視尖軌和心軌傷損或斷裂對行車安全帶來的危害，在以下三個方面做好工作。道岔工廠增加軌件探傷工序，確保出廠軌件無內部傷損、無微裂紋，從制造源頭消除隱患;維護單位提高軌件傷損檢測技術水平，加強對尖軌和心軌的周期檢測，及時發現早期傷損和裂紋，防止傷損和裂紋發展至斷裂;組織開展軌件裂紋和斷裂在線監測技術研究，開發、試驗出一套成熟、可靠的軌件傷損在線監測系統。

②進行岔區軌件傷損標準的研究。對道岔傷損標準開展研究，確定道岔鋼軌件、零部件的更換標準。

③進行道岔鋼軌打磨研究并進行實踐。目前區間鋼軌一般對軌角進行打磨，以獲得鋼軌光帶居中的效果，實踐效果較好。但岔區軌件和區間不同，特別是密貼段尖軌和基本軌、心軌和翼軌的預防性打磨，不得改變其原始廓形，只有當廓形影響了行車平穩性，且在光帶上表征出來，方可改變其廓形。因此岔區軌件的打磨不同于區間鋼軌，應進行針對性研究。

④持續進行道岔區扣件系統動靜剛度變化規律研究。最早一批高速道岔上道已經10年，隨時間推移，硫化墊板逐漸老化，應對道岔區扣件系統動靜剛度變化規律開展長期研究，分析、掌握橡膠墊板剛度變化規律并預測其使用壽命，為扣件系統的維修和成批更換提供依據。

2 重載道岔和普速道岔的現狀與發展

為提高既有鐵路貨物運能，原鐵道部經系統論證于2012年進行了貨物列車軸重從23 t提高至27 t的試驗。2015年在新建晉冀魯豫鐵路進行了30 t軸重貨物列車運行試驗。既有鐵路和新建鐵路重載化是今后鐵路的發展趨勢。中國鐵路總公司組織研制了27 t，30 t軸重12號和18號重載道岔。自2010年開始的重載道岔研制過程中，首先系統地對國外重載道岔技術進行了全面調研，客觀分析了國內外在重載道岔技術方面的差距，總結提煉出提高道岔使用壽命的國外關鍵技術;其次對國內重載道岔的使用情況進行了全面調查，重點調查分析了道岔傷損類型及影響其使用壽命的關鍵因素。在此基礎上設計、制造和試驗了多種型號重載道岔。近幾年來重載道岔技術進步顯著。

2.1 重載道岔和普速道岔發展現狀

1)輪軌關系

重載道岔輪軌關系研究日新月異。上世紀末德國研究并實踐了KGO軌距加寬技術，車輪在直向或側向通過時，防止輪緣貼靠尖軌尖端，提高導向性能。近幾年，美國研究并實踐了Pre－steer switch［7］技術，用于提高車輛通過尖軌時的性能，此技術可提供比KGO技術更有利的道岔通過性能。我國在重載道岔研究中，基于NUCAS軟件，建立了重載車輛—道岔動力學模型，對重載道岔輪軌關系進行了較深入研究，研發并實踐了直曲組合型曲線尖軌技術和心軌加寬技術，顯著延長了曲尖軌和轍叉使用壽命。今后應以提高道岔及其部件使用壽命為目標開展重載道岔輪軌關系的研究。

2)貝氏體材料

自20世紀末以來，研制了幾種用于制造轍叉心軌、60AT軌和60 kg/m鋼軌的貝氏體材料。基于軋制貝氏體鋼軌和鍛造奧貝體材料的研發，鐵科院自1997年始研制了合金鋼組合轍叉，在既有線和重載鐵路上得到推廣應用。目前發展到第二代翼軌加強型合金鋼組合轍叉。合金鋼組合轍叉和高錳鋼整鑄轍叉的市場競爭促使企業升級高錳鋼轍叉鑄造工藝，使其使用壽命由80年代末的通過載重3 000萬t逐漸提高到現在的近1億t。

3)新型重載道岔研制及其創新技術［8］

自2010年始，研發并實踐了多項延長道岔及其關鍵部件使用壽命的關鍵技術，更好地適應了大軸重、高密度重載鐵路運輸的要求，主要的創新技術如下:

①側線線型設計技術與1∶20軌頂坡的實踐。加大了12和18號道岔導曲線相離值，以盡可能延長曲線尖軌前端直線段長度，為此18號道岔導曲線半徑選定為1 000 m。試驗和實踐了1∶20軌頂坡。

②延長曲線尖軌使用壽命的結構優化技術。研發和實踐了“直曲組合型”曲線尖軌技術，該尖軌前部為直線，后部為曲線，直線段長度超過尖軌總長的1/3。“直曲組合型”曲線尖軌將直線尖軌耐磨的優點與曲線尖軌彈性可彎及縮短道岔長度的優點結合起來。在尖軌線型優化的基礎上，提出并實踐了刨切基本軌加厚尖軌技術。新型曲尖軌的磨耗特性發生了顯著變化，表現為產生最大側面磨耗的斷面顯著后移，有效地避免了尖軌軌頭寬35 mm之前薄弱斷面磨耗過快與剝離掉塊的問題，對于保證行車安全具有重要意義［9］。新型12號道岔曲尖軌使用壽命為原道岔曲尖軌的3倍。

③延長固定轍叉使用壽命的結構優化技術。基于固定轍叉區輪軌關系的研究，提出并實踐了心軌加寬技術。基于運營機車車輛輪對參數，通過大量仿真和實車試驗，將查照間隔從不小于1 391 mm調整為不小于1 388 mm，從心軌尖端至50 mm寬斷面每側加厚4 mm。試驗數據表明，心軌加寬后，其使用壽命延長了50% 以上［10］。使用輪廓測試儀MiniProf對在用車輛車輪輪緣及踏面進行了大量測試，擬合了在用車輪輪緣及踏面，用其替代新車輪指導轍叉縱橫斷面設計，使轍叉軌頂型面和車輪踏面更加匹配。

④高錳鋼組合轍叉設計與制造技術。轍叉采用高錳鋼叉心和鋼軌栓接主體結構。高錳鋼叉心軌頂表面采用爆炸硬化工藝處理，表面硬度不小于352 HB。爆炸硬化技術和心軌加寬技術相結合可以使轍叉使用壽命超過4億t，達到國外同類產品的平均水平，基本解決了國內轍叉傷損多、壽命短的難題［11］。

4)普速可動心軌道岔的優化升級

利用客專線道岔的創新技術，研制了圖號為GLC (08)01的新型12號可動心軌道岔和多種高速鐵路站線道岔，上述道岔采用軋制特種斷面翼軌代替鍛制翼軌，取消心軌轉換凸緣并優化工電接口，消除了舊型可動心軌轍叉心軌和翼軌存在的缺陷，推動了普速鐵路用可動心軌道岔技術進步。

2.2 普速道岔和重載道岔存在的問題

1)我國設計了種類齊全的道岔型號，道岔號碼齊全，結構形式多樣，滿足了鐵路建設和工務維修的需求。但由于歷史原因，道岔圖號過多，即一個道岔型號對應多個圖號。據2014年全路道岔統計數據，平均每種道岔型號有9個圖號，圖號過多給使用、維修和更換造成了極大困難。特別是對同一類型道岔進行重復設計，既浪費了人力也不利于道岔標準化。

2)27 t軸重12和18號道岔及其部件的使用壽命顯著提高，比較適用于運行27 t軸重的普速鐵路和大秦鐵路等運煤通道，但尚未推廣使用。延長曲尖軌和轍叉使用壽命的創新技術尚未推廣應用于普速道岔，普速道岔仍面臨著固定轍叉和曲尖軌使用壽命短的問題。

3)奧貝體鍛造叉心和貝氏體鋼軌材料性能穩定性問題尚未徹底解決，轍叉使用壽命離散性大。合金鋼組合轍叉仍采用20世紀的設計圖紙，未根據出現的問題進行針對性的優化改進。未制定鍛造叉心技術條件對鍛造奧貝體材料的制造進行規范。

4)既有干線兩千多組舊型SC325和CZ2516道岔仍在使用，隨著服役周期延長，心軌和翼軌出現傷損的可能性增大，給鐵路運營帶來安全隱患。

2.3 重載道岔和普速道岔發展要點

1)道岔型號的簡統化和標準化

道岔型號的簡統化與標準化是普速道岔急需解決的技術難題，需采取強力措施加以解決。道岔型號的簡統化和標準化應分2步走。第1步先進行簡統化，主要工作是梳理既有道岔圖號，以文件的形式規定鐵路道岔的有效圖號和限制使用圖號，逐漸減少現場使用的道岔種類。第2步進行標準化，主要工作是對全路道岔進行調研，充分征求各路局、工廠及設計院的意見，制定鐵道行業標準《鐵路道岔型號》，對道岔的軌型、類型、號碼及主要尺寸做出規定。

道岔標準化主要包括以下內容:統一道岔軌型為50，60和75 kg/m 3種;統一道岔類型為單開、對稱、交叉渡線、復式交分4種;規定單開道岔的號碼、側向通過速度及主要平面尺寸;規定道岔型號。道岔簡統化和標準化的最終目的是實現道岔設計與需求、道岔設計與制造、道岔型號與圖號的統一［12］。

2)不斷將高速道岔和重載道岔采用的創新技術應用于普速鐵路道岔，是普速鐵路道岔技術的發展方向，也是快速提高普速道岔技術水平的一條捷徑。如在可動心軌轍叉設計中，采用軋制特種斷面翼軌代替鍛制翼軌，取消心軌轉換凸緣并優化工電接口。在轉轍器設計中，采用彈性夾扣壓基本軌，采用輥輪降低轉換阻力。將直曲組合型曲線尖軌技術、刨切基本軌加厚尖軌技術、心軌加寬技術應用于固定型轍叉單開道岔。

3)對鍛造奧貝體材料的制造和使用進行規范，提高奧貝體材料性能的穩定性。根據近10年來合金鋼轍叉出現的問題，優化結構設計，更新圖紙，解決轍叉使用壽命離散性大的問題，延長轍叉的平均使用壽命。

4)根據研究結論和《鐵路技術管理規程》的要求，明確和落實時速160 km/h及以下線路可采用固定型轍叉。逐步將以SC325和CZ2516為主的2 800組舊型可動心軌轍岔更換為固定型轍叉，徹底消除舊型可動心軌轍叉的缺陷。

5)推廣應用延長道岔及其部件使用壽命的創新技術。在大秦、朔黃鐵路及準備開行27 t軸重的普速鐵路推廣應用27 t軸重12和18號道岔，通過延長部件使用壽命，減少更換維修次數，減少對運營的干擾。

6)中國鐵路總公司計劃在既有線開行23 t軸重120 km/h快速貨物列車，并將貨物列車最大軸重提高至27 t，提速和提高軸重將對道岔使用和維護帶來較大影響，應及時做好技術準備并提出應對措施。

［1］盧祖文.我國鐵路道岔的現狀與發展［J］.中國鐵路，2005， 44(4):11－14.

［2］郭福安，許有全，肖俊恒，等.高速鐵路側向220 km/h道岔的研制［J］.中國鐵路，2012，51(10):8－12.

［3］王樹國，葛晶，孫家林，等.高速鐵路道岔平面設計參數與側線線型的研究［J］.鐵道建筑，2014(1):91－94.

［4］王樹國，葛晶，王猛.高速道岔關鍵技術試驗研究［J］.鐵道學報，2015，37(1):76－82.

［5］王樹國，司道林，葛晶，等.中國和歐洲高速鐵路道岔標準體系及內容分析［J］.鐵道技術監督，2014，42(5):28－33.

［6］王樹國，司道林，王猛，等.高速鐵路道岔尖軌降低值對行車平穩性影響機理研究［J］.中國鐵道科學，2014，35(3): 28－33.

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［8］王樹國，葛晶，王猛.重載鐵路12號道岔設計［J］.鐵道建筑，2013(12):98－102.

［9］王樹國，王猛，司道林，等.曲線尖軌線型對其磨耗特性影響的研究［J］.鐵道建筑，2015(1):78－92.

［10］王樹國，葛晶，司道林，等.固定轍叉查照間隔及心軌加寬研究［J］.中國鐵道科學，2014，35(1):7－12.

［11］劉輝，鹿廣清.重載貨運鐵路75 kg/m 12號高錳鋼叉心拼裝式轍叉的研究［J］.鐵道工程學報，2012(增):79－84.

［12］張志方.鐵路道岔簡化統型研究［J］.鐵道建筑，2014(6): 1－3.

Current status and future development trend of railway turnouts in China

WANG Shuguo
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Our country has reached the world advanced level in the research，design and real vehicle test of highspeed turnout and achieved significant progress in the manufacture，layout and maintenance of the turnout.T his paper introduced the development process，research achievement and innovative technology of high－speed turnout in China，summarized the problems appeared in the design，manufacture and operation of high－speed turnout and points out the future development direction and key points based on operation practice in the last 10 years.In addition，this paper also introduced the research status and innovations of China heavy－haul turnout and common－speed turnout in the last 10 years especially in the last 5 years，concluded such problems as system type simplification and innovation technology applications of heavy－haul turnout and common－speed turnout，and presented the future direction and key points of them.

High－speedturnout;Heavy－haulturnout;Common－speedturnout;Currentstatusandfuture development trend

U213.6

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.08

(責任審編 李付軍)

1003－1995(2015)10－0042－05

2015－08－20;

2015－08－30

中國神華科技創新項目(SHGF－13－61)

王樹國(1974—)，男，研究員，博士。