鐵路道岔設(shè)計(jì)的要求及原則

董 彥 錄

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

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鐵路道岔設(shè)計(jì)的要求及原則

董 彥 錄

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

結(jié)合我國(guó)道岔技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，從車(chē)輛運(yùn)行安全性、線路適應(yīng)性、行車(chē)舒適性、養(yǎng)護(hù)維修及經(jīng)濟(jì)環(huán)保等方面，對(duì)鐵路道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的要求及原則等進(jìn)行介紹，對(duì)提升道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、適用性及經(jīng)濟(jì)性等具有一定的參考價(jià)值。

鐵路軌道,道岔,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

道岔是鐵路軌道的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)線或跨線過(guò)軌的基本設(shè)備，也是線路的薄弱環(huán)節(jié)以及影響行車(chē)平穩(wěn)性與安全性的關(guān)鍵設(shè)備。

自1996年鐵路既有線首次提速以來(lái)，經(jīng)過(guò)六次大面積提速和高速鐵路道岔的建設(shè)，我國(guó)鐵路道岔的研究與設(shè)計(jì)技術(shù)取得了較快的發(fā)展，已達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。

道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件較多，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定直接影響行車(chē)安全。因此，在道岔設(shè)計(jì)時(shí)，要保證列車(chē)以規(guī)定的容許速度安全、平穩(wěn)地通過(guò)道岔，并且有足夠的安全性和穩(wěn)定性，必要的旅客舒適度。

1 安全性要求

1.1鋼軌選型

鋼軌是軌道不平順的直接載體和軌道穩(wěn)定性的直接體現(xiàn)者。道岔用鋼軌選型時(shí)，應(yīng)與線路上的鋼軌采用同一類(lèi)型或強(qiáng)度不低于線路鋼軌。另外，為了延長(zhǎng)鋼軌件使用壽命，減小養(yǎng)護(hù)維修工作量，在鋼軌選用上，應(yīng)結(jié)合原鐵道部運(yùn)輸局編寫(xiě)的《鋼軌使用指導(dǎo)意見(jiàn)》進(jìn)行合理選用。

1.2間隔設(shè)計(jì)

道岔區(qū)存在著車(chē)輪與多根鋼軌接觸以及輪載過(guò)渡情形，其輪軌關(guān)系遠(yuǎn)比區(qū)間線路復(fù)雜，是影響行車(chē)安全與限制運(yùn)行速度的薄弱點(diǎn)。因此，道岔設(shè)計(jì)時(shí)，必須結(jié)合機(jī)車(chē)車(chē)輛的輪對(duì)尺寸、固定軸距等走行部分的輪對(duì)尺寸，對(duì)各部輪緣槽寬度、咽喉寬度、查照間隔、護(hù)背距離等間隔尺寸進(jìn)行計(jì)算，保證尖軌、心軌開(kāi)口量等間隔在容許限度內(nèi)，不發(fā)生車(chē)輪撞擊軌件等事故。

1.3線型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證道岔安全使用，首先，要合理設(shè)計(jì)道岔平面線型，控制尖軌、護(hù)軌及翼軌緩沖段沖擊角大小，使車(chē)輪撞擊的動(dòng)能損失不超過(guò)容許值。其次，道岔構(gòu)件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)機(jī)車(chē)車(chē)輛軸重、牽引類(lèi)型、列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)的速度及年貨運(yùn)通過(guò)總重等進(jìn)行計(jì)算，以保證各零件在機(jī)車(chē)車(chē)輛的載荷沖擊下，由于彎曲和扭曲產(chǎn)生的應(yīng)力、岔枕的承壓應(yīng)力，以及道岔的軌下基礎(chǔ)等，均不超過(guò)容許限度。

1.4安全性指標(biāo)

為保證行車(chē)安全、穩(wěn)定，要求機(jī)車(chē)以設(shè)計(jì)速度直、側(cè)向通過(guò)道岔時(shí)，其減載率、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力等安全性指標(biāo)與區(qū)間線路相同。

1.5電務(wù)轉(zhuǎn)換設(shè)備

電務(wù)轉(zhuǎn)換設(shè)備除在道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中，保證動(dòng)程在允許范圍內(nèi)外，還須保證轉(zhuǎn)換后鎖閉牢固，不得因異物落入尖軌與基本軌、心軌與翼軌密貼區(qū)段或因異物撞彎轉(zhuǎn)換桿件而導(dǎo)致車(chē)輪掉道，不因尖軌、心軌的伸縮超過(guò)鎖閉機(jī)構(gòu)的容許位移而出現(xiàn)轉(zhuǎn)換卡阻現(xiàn)象。必要時(shí)，也可設(shè)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常轉(zhuǎn)換、密貼超限、鋼軌折斷等危及行車(chē)安全的故障與隱患。對(duì)于我國(guó)北方等寒冷地區(qū)，應(yīng)考慮安裝融雪裝置，以確保雨雪天氣情況下不出現(xiàn)積雪、積冰而影響正常轉(zhuǎn)換。

2 適應(yīng)性要求

2.1通過(guò)速度

道岔要求直向容許通過(guò)速度與區(qū)間線路相同，不能成為鐵路線路的限速設(shè)備，為確保道岔安全性，一般情況下，直向設(shè)計(jì)速度需預(yù)留10%安全余量，側(cè)向通過(guò)速度需預(yù)留10 km/h的安全余量。在道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，需按照《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，合理選用可動(dòng)心軌或固定型轍叉道岔。

2.2線路運(yùn)營(yíng)要求

道岔作為線路運(yùn)行中必不可少的軌道設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)，要緊密?chē)@線路運(yùn)營(yíng)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，須考慮：運(yùn)營(yíng)模式(客運(yùn)、貨運(yùn)、客貨混運(yùn)等)、道岔鋪設(shè)的位置(正線、到發(fā)線、車(chē)輛段)、道岔主要平面參數(shù)(全長(zhǎng)、前后長(zhǎng)等)、機(jī)車(chē)軸重、機(jī)車(chē)參數(shù)(輪對(duì)內(nèi)側(cè)距及偏差、輪緣厚度及偏差、轉(zhuǎn)向架軸距等)、相關(guān)氣溫資料(用于確定無(wú)縫道岔軌溫變化幅度)等設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)要求。

2.3使用壽命

國(guó)內(nèi)外研究表明，軌道的失效程度與軌道荷載指數(shù)、機(jī)車(chē)車(chē)輛性能、運(yùn)量、速度成正比關(guān)系。道岔設(shè)計(jì)以運(yùn)營(yíng)速度、機(jī)車(chē)軸重、運(yùn)量等為主要指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)行的《鐵路線路修理規(guī)則》《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》的相關(guān)要求及鐵路道岔產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)規(guī)范，目前各類(lèi)道岔的使用壽命可參考表1～表3內(nèi)容。

表1 普速、提速道岔使用壽命

表2 27 t軸重重載道岔使用壽命

表3 30 t軸重重載道岔使用壽命

高速道岔(無(wú)砟)尖軌、心軌、叉跟尖軌出現(xiàn)不良狀態(tài)或傷損時(shí)，應(yīng)依據(jù)《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》(鐵運(yùn)[2012]83號(hào))的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行修理或更換。

3 舒適性要求

道岔區(qū)由于機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向的需要，車(chē)輪在基本和尖軌、翼軌與心軌上存在轉(zhuǎn)移過(guò)渡。在逆向、順向進(jìn)岔時(shí)，過(guò)渡是否平順，主要與尖軌相對(duì)基本軌、心軌相對(duì)翼軌的降低值設(shè)計(jì)、軌道岔剛度取值及均勻化等技術(shù)相關(guān)，同時(shí)與車(chē)體橫向和垂向加速度有關(guān)。

3.1降低值

降低值對(duì)輪軌垂直力在尖軌、基本軌以及心軌與翼軌間的過(guò)渡有重要影響，也關(guān)系列車(chē)過(guò)岔的平穩(wěn)性。不設(shè)降低值，會(huì)導(dǎo)致尖軌或心軌尖端小斷面直接受力而壓潰；合理設(shè)計(jì)降低值，能調(diào)整輪軌垂直力，從而提高道岔的平順性和列車(chē)過(guò)岔的平穩(wěn)性。降低值過(guò)小，輪載的轉(zhuǎn)移區(qū)段過(guò)短，會(huì)降低尖軌使用壽命，且在結(jié)構(gòu)上不易實(shí)現(xiàn)，而降低值過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致輪載的轉(zhuǎn)移必須要在較長(zhǎng)的距離內(nèi)完成，會(huì)造成較大的橫向和垂向不平順。通過(guò)線路調(diào)研及相關(guān)試驗(yàn)，在目前技術(shù)情況下，降低值為零處，尖軌軌頭寬度不應(yīng)小于半個(gè)軌頭寬度，不應(yīng)大于55 mm。

3.2舒適性

列車(chē)逆、順向通過(guò)道岔時(shí)，保證機(jī)車(chē)車(chē)輛安全。平穩(wěn)地運(yùn)行，旅客感受的動(dòng)力逐漸增加，為保證旅行舒適，目前，道岔設(shè)計(jì)主要通過(guò)控制：車(chē)輛通過(guò)道岔時(shí)，其車(chē)輪輪緣對(duì)道岔部件沖擊產(chǎn)生的動(dòng)能損失ω、車(chē)輛通過(guò)道岔側(cè)線產(chǎn)生的未被平衡的離心加速度α及車(chē)輛通過(guò)道岔側(cè)線，在單位時(shí)間內(nèi)未被平衡的離心加速度增量φ這三個(gè)參數(shù)來(lái)控制類(lèi)車(chē)運(yùn)行在道岔側(cè)線上所產(chǎn)生的橫向力影響。目前，一般道岔設(shè)計(jì)時(shí)，上述3個(gè)基本參數(shù)的容許值一般采用：ω0=0.65 km2/h2,α0=(0.5～0.65) m/s2,φ0=0.5 m/s3。

3.3剛度均勻化

剛度是影響軌道結(jié)構(gòu)荷載、輪軌相互作用和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的重要因素。在道岔區(qū)范圍內(nèi)，由于鋼軌類(lèi)型不一、岔枕、鐵墊板長(zhǎng)度差異，再加之存在滑床板、護(hù)軌墊板、間隔鐵、限位器等復(fù)雜零件，使得岔區(qū)整體剛度分布不均勻，影響過(guò)岔平穩(wěn)性、平順性、舒適性。

道岔區(qū)軌道剛度的合理設(shè)置主要研究扣件系統(tǒng)垂向剛度的合理設(shè)置，同時(shí)考慮扣件系統(tǒng)垂向剛度對(duì)軌距擴(kuò)大的影響。一般認(rèn)為，扣件系統(tǒng)低剛度的目標(biāo)值以20 kN/mm為限。道岔的均勻化設(shè)置一般是將道岔區(qū)分為轉(zhuǎn)轍器、導(dǎo)曲線及轍叉三個(gè)單元，利用有限元和仿真分析的方法進(jìn)行剛度設(shè)計(jì)，通過(guò)改變軌下、板下墊層幾何尺寸和溝槽形狀的方式，調(diào)整不同部位墊層的剛度，使道岔區(qū)的剛度與岔區(qū)線路基本一致，從而達(dá)到剛度均勻化的目的。

3.4無(wú)縫化

無(wú)縫線路是與重載高速相適應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)，由于最大限度的減少了鋼軌接頭，線路的平順性和整體強(qiáng)度顯著提高。在無(wú)縫線路用道岔設(shè)計(jì)中，要考慮我國(guó)南北地區(qū)溫差較大，道岔要能適應(yīng)不同軌溫差地區(qū)跨區(qū)間無(wú)縫線路的鋪設(shè)，另外，還需考慮：岔區(qū)零部件(比如轍叉)與線路鋼軌的焊接；岔區(qū)傳力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(比如，增加轍叉與尖軌跟端間隔鐵、限位器傳遞縱向力的作用，盡可能地縮減尖軌和心軌自由段長(zhǎng)度，減緩伸縮位移)；各部位螺紋聯(lián)結(jié)副緊固扭矩檢算(扣件系統(tǒng)聯(lián)結(jié)螺栓、長(zhǎng)翼軌末端間隔鐵、尖軌跟端間隔鐵聯(lián)結(jié)螺栓、可動(dòng)心軌聯(lián)結(jié)螺栓、合金鋼組合轍叉聯(lián)結(jié)螺栓、頂鐵或防跳卡鐵聯(lián)結(jié)螺栓等)；道岔轉(zhuǎn)換、鎖閉、監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)適應(yīng)尖軌心軌伸縮；在車(chē)站無(wú)縫道岔群設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮兩道岔間夾直線長(zhǎng)度的影響。

4 養(yǎng)護(hù)維修

由于道岔維修只能在很短的封鎖點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行，因此，在道岔設(shè)計(jì)中，要求零部件盡可能少和養(yǎng)護(hù)維修工作量小，這就要求：首先，各零件設(shè)計(jì)強(qiáng)度儲(chǔ)備高，更換便捷，在高速行車(chē)及溫度等荷載作用下，在期望的適用壽命周期內(nèi)不產(chǎn)生疲勞傷損和顯著的殘余變形。另外，更換方便省時(shí)，在天窗時(shí)間內(nèi)方便、快捷的更換，保證線路開(kāi)通；其次，零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。比如：鋼軌材質(zhì)潔凈，與線路鋼軌強(qiáng)韌性匹配、殘余應(yīng)力低、可焊性好；扣件系統(tǒng)保持軌距能力強(qiáng)、鋼軌及鐵件防腐性能好、橡膠及尼龍件損傷、老化速率低；螺栓連接副在列車(chē)振動(dòng)下不易松弛等；最后，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可采用遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式，開(kāi)發(fā)道岔零部件使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)(比如軌件密貼狀態(tài)、磨耗、傷損情況等監(jiān)控)，做到有序可控，科學(xué)養(yǎng)護(hù)，以適應(yīng)軌道設(shè)備邊運(yùn)營(yíng)、邊傷損、邊維修的工作特點(diǎn)。

5 經(jīng)濟(jì)性

為提高道岔產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性，降低制造成本，道岔各部位同類(lèi)型零件應(yīng)盡量做到統(tǒng)一尺寸，簡(jiǎn)化品種，便于互換和通用。單一零件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)型式，具有良好的工藝性，零件制造材料的選擇應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理。

6 綠色環(huán)保要求

隨著綠色、智能、制造步伐的加快，對(duì)道岔的生產(chǎn)制造也提出了很高的環(huán)境要求。在道岔制造全過(guò)程中，須考慮不增加或減少對(duì)環(huán)境的污染。比如：避免采用電鍍、涂油等對(duì)環(huán)境存在污染的制造工藝。另外，由于道岔中的各個(gè)部件處于振動(dòng)環(huán)境中，振動(dòng)形成的噪聲污染也須考慮，一方面通過(guò)提高道岔的平順性來(lái)降低輪軌系統(tǒng)振動(dòng)，另一方面在進(jìn)行部件設(shè)計(jì)時(shí)，選用具有良好減振性能的扣件系統(tǒng)，減小動(dòng)力不平順性。

7 結(jié)語(yǔ)

道岔是由眾多零部件組合而成，集中了鋼軌、扣件、軌枕等軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)，同時(shí)，又涉及車(chē)輛輪軌關(guān)系、電務(wù)轉(zhuǎn)換、監(jiān)測(cè)、機(jī)械化鋪設(shè)與養(yǎng)護(hù)等專(zhuān)業(yè)接口技術(shù)，系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難度大，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)過(guò)程中，除按照上述基本要求和原則做好道岔安全等設(shè)計(jì)工作外，應(yīng)積極吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，采用動(dòng)力強(qiáng)度及可靠性設(shè)計(jì)方法，使道岔各部件強(qiáng)度、使用壽命相互匹配，減小養(yǎng)護(hù)維修工作量，同時(shí)，要向智能化方向發(fā)展，進(jìn)行預(yù)防性維修，降低維修成本，保證行車(chē)安全。

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Requirementsandprinciplesofrailwayturnoutdesign

DongYanlu

(ChinaRailwayBaojiBridgeGroupCo.,Ltd,Baoji721006,China)

Combining with the development status of China’s turnout technology and from the aspects of vehicle operation safety, line adaptability, running comfort, maintenance, economic benefit and environmental protection, this paper presents the requirements and principles that shall be followed during the structure design of railway turnouts, which have a certain reference value to improve the safety, applicability and economy of the turnout structure design.

railway track, turnout, structure design

1009-6825(2017)28-0127-03

2017-07-27

董彥錄(1963- )，男，高級(jí)工程師

U213.6

A