圖為吳海波

　　在軌道系統(tǒng)中，道岔發(fā)揮關(guān)鍵作用，主要用于連接軌道的不同分支線路，便于列車改變行駛方向，對列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。近日，在鐵路裝備與鋼鐵產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展供需交流會上，中鐵高新工業(yè)股份有限公司（簡稱中鐵工業(yè)）規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院高級工程師吳海波詳細(xì)解讀了我國鐵路軌道道岔的發(fā)展過程、技術(shù)創(chuàng)新與面臨的挑戰(zhàn)，從中我們可以瞥見道岔這一設(shè)備用鋼需求的新變化。

　　吳海波首先回顧了我國鐵路軌道道岔的發(fā)展歷程。上世紀(jì)50年代到90年代，我國處于以路網(wǎng)建設(shè)為主的基礎(chǔ)建設(shè)階段，先后開發(fā)了55型、62型、75型道岔，形成了以43公斤、50公斤鋼軌為主體的9號、12號系列道岔。隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國對鐵路運(yùn)輸行業(yè)的需求越來越旺盛，于上世紀(jì)90年代后期至2000年初進(jìn)行了多次鐵路大提速，形成了以60公斤鋼軌為主體的9號、12號系列道岔，該時期道岔理論、設(shè)計(jì)及制造水平均有較大提高，奠定了道岔基礎(chǔ)理論和生產(chǎn)能力。2005年6月份，原鐵道部組織國內(nèi)相關(guān)單位開展了高速道岔的國產(chǎn)化研發(fā)，于2006年完成了時速250公里60千克/米鋼軌18號高速道岔的研究設(shè)計(jì)和試制試鋪。目前，國內(nèi)線路在役的主要有3個系列的高速道岔產(chǎn)品，分別為客專線系列、CN系列和CZ系列。

　　在道岔設(shè)計(jì)理論方面，2003年以前，我國道岔設(shè)計(jì)以幾何加經(jīng)驗(yàn)、靜力強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主。2003年至今，伴隨著中國鐵路的快速發(fā)展，形成了道岔動力學(xué)、無縫道岔、道岔轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)、部件強(qiáng)度動力設(shè)計(jì)、道岔剛度設(shè)計(jì)，構(gòu)建了完整的道岔設(shè)計(jì)理論體系。

　　在道岔形式方面，以前我國道岔應(yīng)用場景單一，以國鐵為主，線路基本為客貨混跑，導(dǎo)致道岔與線路應(yīng)用場景匹配性較差，且采用半切直線型尖軌，側(cè)向通過速度低，列車平順性差。目前，我國道岔已發(fā)展出相切、半切、相割、相離、復(fù)合等多種線型結(jié)構(gòu)，形成了專用于不同場景的各型號道岔，如高速鐵路的客專系列，城市軌道交通的專線系列、城軌系列，重載線路的研線系列道岔等。

　　在道岔的主要部件方面，由普通鋼軌制造尖軌發(fā)展形成了更加穩(wěn)定的60AT型尖軌，采用藏尖式結(jié)構(gòu)，能夠有效保護(hù)尖軌尖端，避免機(jī)車輪對撞擊；可動心軌轍叉發(fā)展初期采用了模鍛翼軌、焊接翼軌兩種形式，后期隨著高速鐵路的發(fā)展建設(shè)形成了專用于高速鐵路的60D40尖軌和60TY翼軌，其中60D40尖軌軌型更加穩(wěn)定，同時能有效降低扳動力，60TY翼軌由鋼廠直接軋制而成，大大降低了翼軌加工制造難度、減少了制造缺陷的產(chǎn)生頻率。扣件系統(tǒng)則引入彈性扣壓理念，由扣板剛性扣壓結(jié)構(gòu)發(fā)展出了II型、III型彈條彈性扣壓；伴隨著高速鐵路無縫線路的發(fā)展，小阻力扣件、彈性夾也被引入到道岔結(jié)構(gòu)中。轍叉由鋼軌拼裝轍叉發(fā)展到更加穩(wěn)定的高錳鋼整鑄轍叉、更加耐磨的合金鋼組合轍叉，再到徹底消除了轍叉有害空間的可動心軌轍叉結(jié)構(gòu)。

　　“鐵路安全無小事，每根鋼軌件的產(chǎn)品質(zhì)量最終都將影響道岔產(chǎn)品的整體質(zhì)量水平，進(jìn)而影響整個軌道系統(tǒng)運(yùn)營安全。”吳海波表示，隨著高速道岔設(shè)計(jì)理論體系的搭建完成，如何進(jìn)一步提升道岔產(chǎn)品質(zhì)量，提升檢測、檢驗(yàn)準(zhǔn)確性與效率，成為了整個道岔行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。他介紹，在新的時代背景下，為進(jìn)一步促進(jìn)企業(yè)的發(fā)展，提高國家鐵路裝備技術(shù)水平，中鐵工業(yè)在道岔產(chǎn)品生產(chǎn)制造和檢、監(jiān)測領(lǐng)域投入大量精力，先后投建研發(fā)了多條先進(jìn)生產(chǎn)線和檢測設(shè)備，同時也對影響道岔主要部件性能的新材料進(jìn)行了研發(fā)。

　　在制造技術(shù)方面，中鐵工業(yè)建成了百米鋼軌數(shù)控鋸切生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了自動上下料、溫度補(bǔ)償功能的鋼軌數(shù)控鋸切及自動檢測，提高了鋼軌的平順性和鋼軌件的尺寸精度，減少了材料損耗；研發(fā)了國內(nèi)目前最先進(jìn)的6000噸尖軌跟端鍛壓和噴風(fēng)冷卻的自動化生產(chǎn)線，解決了人工生產(chǎn)質(zhì)量波動和生產(chǎn)效率問題；建成了鋸、銑一體聯(lián)合生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，不僅提升了道岔產(chǎn)品的制造能力、工藝裝備水平、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還改善了生產(chǎn)車間的工作環(huán)境，降低了工人勞動強(qiáng)度；建成了集激光下料、智能加工、自動物流運(yùn)轉(zhuǎn)、自動焊接、靜電噴涂于一體的道岔墊板數(shù)字化智能生產(chǎn)線，采用激光打印二維碼形式，實(shí)現(xiàn)了墊板生產(chǎn)的全過程追蹤和管理；建成了純凈鋼轍叉生產(chǎn)線，涵蓋低能耗偏心底電弧爐、轍叉自動造型生產(chǎn)線、快速精準(zhǔn)固溶處理等先進(jìn)設(shè)備，采用高端傳感器、控制系統(tǒng)集成、5G工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等智能制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個鑄造和熱處理過程的集中控制、智能調(diào)度和遠(yuǎn)程監(jiān)測，徹底解決了我國鐵路固定型轍叉通過量不高、使用壽命較短、狀態(tài)不穩(wěn)定、養(yǎng)護(hù)維修工作量大、更換頻繁等運(yùn)營難題和用戶痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了道岔系統(tǒng)“高端、智能、綠色”的發(fā)展戰(zhàn)略；建成了合金鋼心軌自動化熱處理生產(chǎn)線，保證了合金鋼材料熱處理工藝一致性、穩(wěn)定性，解決了既有合金鋼心軌熱處理過程中因冷卻過程不可控造成的材料性能不穩(wěn)定、使用壽命離散等問題，并應(yīng)用鋸鉆聯(lián)合生產(chǎn)線等數(shù)智化設(shè)備生產(chǎn)轍叉，減少了生產(chǎn)過程中人為因素的影響，提高了合金鋼轍叉制造精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。

　　在檢測技術(shù)方面，結(jié)合軌件具有長寬比大、金屬柔性形變的特征和外觀質(zhì)量影響因素較多的特點(diǎn)，研發(fā)了道岔鋼軌件制造流程自動化檢測系統(tǒng)，包括表面磕碰傷、劃痕，加工倒棱倒角，軌腰凹凸字識別等，采用全覆蓋數(shù)據(jù)掃描傳感器，對鋼軌全斷面進(jìn)行掃描，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理和視覺識別技術(shù)進(jìn)行分析，對鋼軌件表面制造缺陷進(jìn)行檢測；研發(fā)了異型鋼軌跟端熱鍛成形在線自動檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與熱鍛成形自動生產(chǎn)線的信息交互，具有全自動化3D立體掃描、數(shù)據(jù)對比分析以及產(chǎn)品質(zhì)量判定等功能，消除了產(chǎn)生批量廢品的風(fēng)險(xiǎn)，也為后續(xù)優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和鍛造工藝升級提供數(shù)據(jù)支撐；研發(fā)了鋼軌件鉆孔在線自動檢測系統(tǒng)，通過工業(yè)相機(jī)和激光傳感器集成于鉆孔機(jī)床上，可實(shí)現(xiàn)鋼軌件鉆孔相關(guān)數(shù)據(jù)的自動采集，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自行判斷，生成檢測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)鉆孔質(zhì)量檢測的自動化；實(shí)現(xiàn)了鋼軌件加工輪廓在線自動檢測，在鋼軌件加工制造過程中采用激光掃描、數(shù)字化成像技術(shù)對鋼軌件加工輪廓進(jìn)行實(shí)時檢測，并進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)實(shí)時反饋，指導(dǎo)機(jī)床生產(chǎn)；使用了多通道鋼軌數(shù)字式探傷儀，開發(fā)的自動探傷檢測小車能滿足TJ/GW167-2020標(biāo)準(zhǔn)對軌頭、軌腰、軌肢全方位探傷檢測要求。

　　新材料方面主要包括新型合金鋼材料和新型潔凈鋼。在新型合金鋼材料方面，中鐵工業(yè)聯(lián)合高校開發(fā)了新一代貝氏體合金鋼材料成分，采用“LF+VD爐”精煉技術(shù)，減少了氧化物和氣體含量，提高了材料的純凈度和性能；采用氣體保護(hù)電渣重熔技術(shù)，提高合金鋼材料組織致密性、合金成分均勻性，減少偏析，減少有害氣體含量；形成了自主知識產(chǎn)權(quán)的貝氏體合金鋼材料成分體系、制坯技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)。新型純凈鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到450兆帕、抗拉強(qiáng)度1030兆帕，延伸率65%，常溫沖擊吸收功266焦耳，低溫沖擊吸收功200焦耳。純凈鋼轍叉通過選擇優(yōu)質(zhì)原材料、采用先進(jìn)工藝，精確控制制造過程，使鋼水中的主要化學(xué)元素含量更為精準(zhǔn)穩(wěn)定，大幅減少了有害物質(zhì)、雜質(zhì)、夾雜物和氧化物的含量。“純凈鋼轍叉的投產(chǎn)，一舉改變了目前國內(nèi)高錳鋼整鑄轍叉?zhèn)鹘y(tǒng)、落后的冶煉工藝和鑄造、熱處理生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)了轍叉‘高純凈度、高致密性、高穩(wěn)定性、長壽化’的目標(biāo)。”吳海波表示。

　　結(jié)合未來需求，吳海波分析了我國鐵路軌道道岔發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

　　在服役壽命評估技術(shù)方面，雖然國內(nèi)在軌道線路檢、監(jiān)測和耐久性提升領(lǐng)域做了大量工作，但仍缺乏針對整個軌道系統(tǒng)的病害傷損圖譜數(shù)據(jù)庫和基于足尺試驗(yàn)平臺的鐵路軌道結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測評估系統(tǒng)；現(xiàn)有研究中的基于視覺技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、圖形分析等多種技術(shù)路線的軌道監(jiān)測系統(tǒng)，若要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用，在成本支出、技術(shù)穩(wěn)定性等方面仍有較大的提升空間；隨著高速鐵路工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)備、設(shè)施服役時間的延長，鋼軌傷損、各種病害、扣件系統(tǒng)疲勞強(qiáng)度超限、彈性墊層彈性性能降低、有砟高鐵道床板結(jié)等問題日益凸顯，開發(fā)新的工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修基礎(chǔ)裝備與施工工藝迫在眉睫；重載線路部件傷損出現(xiàn)頻率高，工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修壓力巨大，應(yīng)更多地引入自動化、智能化系統(tǒng)設(shè)備，建立完善、準(zhǔn)確的重載道岔軌件壽命評估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)線路病害及狀態(tài)的精準(zhǔn)評估及處理。

　　在軌道結(jié)構(gòu)服役性能智能檢、監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)方面，國內(nèi)外對關(guān)鍵技術(shù)的研究尚不夠系統(tǒng)和深入，需要研發(fā)精細(xì)化三維感知和軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)快速提取的線路服役性能智能檢、監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)和相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)軌道空間幾何信息、軌道部件表觀狀態(tài)、軌道結(jié)構(gòu)隱蔽病害智能檢測。

　　在尖軌傷損在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)方面，道岔設(shè)備是鐵路線路固定設(shè)備中極為薄弱的環(huán)節(jié)，采用封閉式運(yùn)行管理模式，無法及時檢修，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和大量的零部件會影響其可靠性，若軌件發(fā)生斷裂，會導(dǎo)致重大安全事故。因此，需要實(shí)時在線智能監(jiān)測和預(yù)警鐵路道岔傷損病害狀態(tài)，以滿足鐵路系統(tǒng)長時安全服役的要求。

　　在鐵路軌道結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測評估系統(tǒng)方面，國內(nèi)外針對軌道結(jié)構(gòu)性能劣化及演變作用機(jī)制及基于足尺試驗(yàn)的鐵路軌道結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測評估的研究較為缺乏。需要通過融合檢、監(jiān)測數(shù)據(jù)與劣化機(jī)理，形成科學(xué)的軌道結(jié)構(gòu)服役壽命評估技術(shù)，開發(fā)基于足尺試驗(yàn)平臺的鐵路軌道結(jié)構(gòu)服役壽命預(yù)測評估系統(tǒng)，獲取部件疲勞傷損萌生發(fā)展全生命周期演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)全壽命與在役軌道結(jié)構(gòu)剩余壽命的精確評估。

　　在小號碼道岔可動化方面，受限于隧道的特殊環(huán)境，我國城市軌道交通道岔主體仍以固定型轍叉為主，但隨著需求和技術(shù)的不斷提升，城軌用小號碼道岔最終也將步入可動心轍叉時代。而樞軸式可動心轍叉在小號碼道岔領(lǐng)域具有搬動力小、無不足位移、消除有害空間、所有部件均可單獨(dú)更換、占地空間小、噪聲小、心軌可做到自然密貼、提高過岔舒適性等特點(diǎn)，這些優(yōu)勢顯著提升了其在城市軌道交通領(lǐng)域（尤其是地鐵）的應(yīng)用價(jià)值，具有良好的拓展前景。

　　在軌道巡檢方面，現(xiàn)階段國內(nèi)線路檢測仍以人工接觸式測量為主，應(yīng)用的工具比較多，國內(nèi)線路主要病害檢查也是以人工定期巡檢為主，依據(jù)部件外觀損傷、失效程度，對部件狀態(tài)進(jìn)行判斷。此種方式會需要大量人員，耗費(fèi)大量時間，降低鐵路運(yùn)行效率。基于北斗定位和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)、裝備圖像智能識別技術(shù)的軌道智能巡檢系統(tǒng)，可以有效提升運(yùn)維作業(yè)智能化程度，減少現(xiàn)場作業(yè)人員投入，提高工務(wù)運(yùn)維質(zhì)量及效率。