50kg/m 鋼軌7 號小號碼道岔平面線形研究

費(fèi)維周 方 瀟

（浙江貝爾新軌道裝備研究院有限公司，浙江杭州 311400）

1 道岔平面線形概述

道岔是鐵路一條線路與兩條線路過渡的連接設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向和變道，道岔一般由轉(zhuǎn)轍器、轍叉和中間連接導(dǎo)軌3 個部分組成，見圖1。車輛在轉(zhuǎn)向和變道時其安全性、平穩(wěn)性、舒適性由道岔平面線形尺寸決定。道岔平面線形也可以理解為是道岔設(shè)備的線路圖。

圖1 道岔部件組成示意圖

2 道岔平面線形類型及特點(diǎn)

道岔平面線形主要有圓曲線平面線形和緩和曲線平面線形。各種平面線形的選擇，體現(xiàn)了整組道岔設(shè)計(jì)是否技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理，直接關(guān)系到列車通過道岔時的運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)，并涉及鋪設(shè)、養(yǎng)護(hù)及加工制造等一系列問題。因此，道岔平面線形設(shè)計(jì)時，必須嚴(yán)肅、慎重，在充分調(diào)研基礎(chǔ)上，經(jīng)過多方案的比選，最終設(shè)計(jì)出符合用戶要求和規(guī)范要求的道岔平面線形。圓曲線平面線形道岔長度較短，加工制造容易，鋪設(shè)養(yǎng)護(hù)簡單，但是在車輛從直線進(jìn)入圓曲線或者從圓曲線進(jìn)入直線時，未被平衡離心加速度增量存在突變。緩和曲線平面線形道岔長度較長，設(shè)計(jì)難度大，加工、鋪設(shè)、養(yǎng)護(hù)困難，但是車輛在緩和曲線上，未被平衡離心加速度增量逐漸變化，提高了車輛通過道岔的平穩(wěn)性和舒適性。從理論上分析，緩和曲線適用于側(cè)向高速通過列車的大號碼道岔，具有使離心加速度和離心加速度增量逐漸變化的功能，故提升了旅客的舒適度。

3 道岔平面線形關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 平面基本參數(shù)的選擇

道岔平面線形設(shè)計(jì)時，首先要考慮車輛的通過速度，不同速度通過道岔側(cè)股時，會不可避免地對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊、對旅客舒適度和列車運(yùn)行平穩(wěn)性產(chǎn)生影響；道岔側(cè)向曲線半徑大小也對旅客舒適度和列車平穩(wěn)性產(chǎn)生影響。因此，提出了一系列指標(biāo)加以控制，道岔設(shè)計(jì)常用的基本參數(shù)有以下幾個方面。

ω—動能損失，車輛由直線進(jìn)入道岔側(cè)線以及在曲線中部運(yùn)行時，由于慣性原因，車輛將保持原有前進(jìn)方向，但是曲線迫使車輛運(yùn)行方向改變，將必然發(fā)生車輛與鋼軌的撞擊，此時車輛一部分動能為克服鋼軌外力作用而被消耗掉，即橫向力沖擊鋼軌所做的功，這就是動能損失。ω=V2sin2β（V為速度，β為沖擊角）。

α—未被平衡離心加速度，回轉(zhuǎn)運(yùn)動的物體將受到離心力作用。離心力與物體質(zhì)量的比值，即未被平衡離心加速度，α=V2/R（R為曲線半徑）。事實(shí)上，車體并非一個質(zhì)點(diǎn)而有一定的長度，轉(zhuǎn)向架也有軸距。因此，在車輛進(jìn)出這些曲線變化點(diǎn)時，車輛所受的離心力（離心加速度）有一個漸變過程，只有當(dāng)車輛的轉(zhuǎn)向架全部進(jìn)入圓曲線時，未被平衡離心加速度才達(dá)到最大值并與車體重心重合。

∮—未被平衡離心加速度增量，車輛由直線進(jìn)入圓曲線或者由圓曲線進(jìn)入直線、運(yùn)行在緩和曲線上（主要指三次拋物線）時，未被平衡離心加速度是漸變的，由此產(chǎn)生未被平衡離心加速度增量。∮=dα/dt=（V2/R）/（L/V）。

上述參數(shù)可以保證旅客的舒適度、道岔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，車輛對道岔的沖擊大小將影響道岔的使用壽命。上述參數(shù)是通過人體的舒適感實(shí)驗(yàn)確定的，以旅客無不良感覺的舒適度選定了上述參數(shù)的容許值[1]如下：

ω=0.65km2/h2

α=0.5 ～0.65m/s2

∮=0.5m/s3

式中，R—導(dǎo)曲線半徑（m）；L—曲線長度（m）；S—鋼軌中心距（mm）；V—車輛運(yùn)行速度（km/h）。

3.2 曲線半徑的選擇

根據(jù)道岔運(yùn)行條件，即側(cè)向通過速度，在確保未被平衡離心加速度在容許限值范圍內(nèi)，計(jì)算導(dǎo)曲線半徑最小值。同時根據(jù)未被平衡離心加速度增量的定義，檢算是否在限值范圍內(nèi)，以便確定合適的導(dǎo)曲線半徑。

用車體未被平衡離心加速度、未被平衡離心加速度時變率作為控制指標(biāo)進(jìn)行道岔平面設(shè)計(jì)，雖然保證了側(cè)向過岔時的舒適性，但對車輛過岔的動態(tài)安全性卻無法判定。因此，還需要從動力學(xué)的角度研究分析車輛過岔時的輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等安全性指標(biāo)[2]，非本文論述范圍，本文重點(diǎn)分析道岔平面參數(shù)。

4 我國常見道岔平面線形

新中國成立初期，我國道岔品種多、軌型雜，僅單開道岔就有6、7、8、9、10、11、12、15、16、24 號共十幾種序號，即使同一號數(shù)，也有多種軌型道岔，這給鐵路養(yǎng)護(hù)維修帶來極大不便，為此我國鐵道部立足將道岔型號和軌型進(jìn)行統(tǒng)一，先后經(jīng)歷了“50 型”“53 型”“55 型”“57型”“75 型”“92 型”“提速型”“提速改進(jìn)型”“高速型”道岔，經(jīng)過不斷標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，形成了目前主型道岔型號：6 號、7 號、9 號、12 號、18 號、30 號、42 號[3]。鋼軌軌型主要為50kg/m、60kg/m、75kg/m 三種軌型，并且頒布了主型道岔的使用規(guī)定。其中50kg/m 鋼軌6 號主要用于國鐵站場編組站對稱道岔，50kg/m 鋼軌7 號道岔主要用于城市軌道交通地鐵站場出入庫道岔，60 kg/m鋼軌9 號道岔主要用于城市軌道交通正線道岔和國鐵進(jìn)出站用道岔，60kg/m 鋼軌12 號道岔主要用于國鐵正線用道岔，60kg/m 鋼軌18 號道岔主要用于國鐵正線聯(lián)絡(luò)線道岔及高速鐵路正線用道岔，60kg/m 鋼軌30 號、42 號道岔主要用于高速鐵路聯(lián)絡(luò)線用道岔，75kg/m 鋼軌9 號、12道岔主要用于重載鐵路站線和正線道岔。18 號以下的道岔多采用單圓曲線線形，18 號以上道岔多采用單圓曲線和緩和曲線復(fù)合曲線。其中7 號道岔由于占地少，多選用在車輛維修段，平面線形較為特殊，本文進(jìn)行重點(diǎn)分析。

5 50kg/m 鋼軌7 號道岔平面線形分析

5.1 道岔平面幾何尺寸

50kg/m 鋼軌7 號道岔平面線形幾何尺寸參數(shù)如表1所示。

5.2 50kg/m 鋼軌7 號道岔平面線形安全和舒適性參數(shù)

5.2.1 動能損失

根據(jù)平面線形，尖軌前端沖擊角為1.35328°，導(dǎo)曲線后端后割，沖擊角為0.723°，小于尖軌前端沖擊角，故只要核算尖軌前端即可。

ω=0.3486km2/h2。

5.2.2 未被平衡離心加速度

未被平衡離心加速度：α=0.3215m/s2。

5.2.3 未被平衡離心加速度增量

未被平衡離心加速度增量：∮=0.1772m/s3。

5.2.4 欠超高

車輛在曲線上運(yùn)行，產(chǎn)生的離心力：J=mV2/R，為了抵消離心力，一般在曲線軌道上設(shè)置外軌超高，即把曲線外軌適當(dāng)抬高，借助車輛重量的水平分力抵消離心力，達(dá)到內(nèi)外兩股鋼軌受力均勻、垂直磨耗均勻等，減小離心加速度，即增加了旅客的旅行舒適感以及提高線路穩(wěn)定性和行車安全性。故J=mgh/S（g為重力加速度，h為抬高值，S為鋼軌中心距，一般取值1500mm），即V2/R=gh/S[4]。

5.3 安全性及舒適性參數(shù)

安全性及舒適性參數(shù)如圖2 所示。

5.4 側(cè)股加寬內(nèi)接條件

側(cè)股加寬10mm，根據(jù)地鐵B 型車，車軸數(shù)4 軸，固定軸距2.2m，轉(zhuǎn)向架中心距12.6m，車輪直徑0.84m，軸重14t，根據(jù)強(qiáng)制內(nèi)接條件，軌距加寬值f=15mm，側(cè)股加寬10mm，需要借助車輪游間才能滿足車輛強(qiáng)制內(nèi)接通過條件，建議側(cè)股加寬到15mm 更有利于車輪通過[5]，減少側(cè)向過岔時車輪與軌道的側(cè)磨，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，延長軌道使用壽命。

6 結(jié)語

目前國內(nèi)50kg/m7 號小號碼道岔，全路站場及地鐵維修段用量大概5000 組，道岔因全長短、占地少，具有很高的性價比，現(xiàn)場使用道岔狀態(tài)穩(wěn)定，養(yǎng)護(hù)維修工作量少，狀況良好，深受設(shè)計(jì)院和用戶青睞。50kg/m 鋼軌7號道岔大量用于城市軌道交通車輛維修站段及國鐵特殊位置，道岔平面線形滿足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[6]中關(guān)于道岔平面線形的參數(shù)要求，但是側(cè)股加寬10mm[7]，需要利用輪軸的橫向移動滿足車輛通過曲線強(qiáng)制內(nèi)接條件，增大了車輪與軌道的磨耗，曲股易加寬到15mm。