鐵路道岔結構優化與性能提升研究

崔 帆

（國能集團鐵路裝備公司神維分公司府谷工務機械段，陜西 神木 719313）

鐵路運輸是我國旅客運輸和貨物運輸的最重要方式，在國民經濟的發展中扮演了極為重要的角色[1]。近年來，我國鐵路運輸網絡體系全面建成，鐵路運輸速度、運輸效率、載重量方面都獲得了長足進步。隨著鐵路運輸網絡的持續高速運轉，鐵軌本身及相關關鍵部件也都面臨著高疲勞強度、高磨損率等影響，各種病害多發或并發[2]。因此，一方面要及時監控鐵路病害的發生，另一方面要努力改型設計、提高鐵軌及關鍵部件的使用壽命。在鐵軌總體構成結構中，道岔是關鍵構成之一，并且使用頻率較高，也因此成為病害多發的薄弱環節[3]。因此，在鐵路軌道的日常維護過程中，道岔一直是重點監控、檢查、維修的對象。在本文中，通過對鐵路道岔的常見病害進行分析，有針對性地提出改進和優化設計方案，進而進行性能提升的驗證性實驗對比，以期得到質量更高的鐵路道岔。

1 鐵路道岔的常見問題分析

道岔是鐵路整體結構中的重要組成部分，其使用頻率較高也導致了其可能出現各種問題，主要包括：幾何尺寸問題、導曲部分問題、轉轍部分問題和轍叉部分問題。其中，道岔幾何尺寸問題、道岔導曲部分問題如圖1 所示。

圖1 道岔幾何尺寸問題和道岔導曲部分問題

由圖1 可知，道岔幾何尺寸問題又可以細分為4 類，分別是道岔軌距超限類的問題、道岔高低超限類的問題、道岔軌向不良類的問題和道岔水平超限類的問題。道岔軌距超限，最主要的原因是鋪設過程中，沒有達到正常的標準，比如沒有采用卡尺等工具精準控制軌距。此外，由于操作不當、設備使用不合理，從而導致軌距出現偏移。道岔高低超限的原因也很多，可能是軌基或道床發生沉降，軌道制備材料平面度不達標等。道岔軌向不良一般是維修工作間接導致，維修期間只考慮了發生問題的局部位置，維修后導致局部軌向發生變化，與整體軌向不一致。道岔水平超限類主要是相關構件的損耗程度不一致，并且沒有及時發現和維護所致。

道岔導曲部分問題又可以細分為2 類，分別是道岔導曲線側磨損的問題與道岔導曲線不圓潤的問題。道岔導曲線側磨損，大多數情況是列車多次通過導曲線，車輪離心力導致的載荷沖擊所致。道岔導曲線不圓潤，主要是支撐距離點位的實際值和理論值不符所導致。

道岔轉轍部分的常見問題如圖2 所示。

圖2 道岔轉轍部分的常見問題

由圖2 可知，道岔轉轍部分問題又可以細分為6 類：尖軌與基本軌貼合不緊密的問題、道岔尖軌側面磨損的問題、道岔尖軌出現跳動的問題、道岔尖軌扳動不靈活的問題、道岔尖軌拱腰變形的問題和道岔尖軌出現爬行的問題。尖軌與基本軌貼合不緊密的主要原因是施工時沒有嚴格執行相關標準、頂鐵磨損程度嚴重、基本軌彎折點不準確等。道岔尖軌側面磨損主要是因為尖軌頂鐵的尺寸沒有達到標準，要么過長、要么過短。道岔尖軌出現跳動主要是因為尖軌的末端軌縫大小不理想，存在較大縫隙。道岔尖軌扳動不靈活，主要是由于扳動作業的拉桿構件或者連接桿構件的安裝位置不正確。道岔尖軌拱腰變形與尖軌制作過程中鎖定溫度沒有達標有關。道岔尖軌出現爬行問題，主要是由于固定尖軌位置的螺栓脫落或螺紋失效。

道岔轍叉部分的常見問題如圖3 所示。

圖3 道岔轍叉部分的常見問題

由圖3 可知，道岔轍叉部分問題又可以細分為5 類：道岔轍叉垂直磨損的問題、道岔轍叉偏向磨損的問題、道岔轍叉偏向傾斜的問題、道岔心翼軌側向磨損問題和道岔護軌扭曲變形的問題。道岔轍叉垂直磨損主要是因為道岔軌枕反復受到列車行駛過程中的沖擊，進而出現空吊現象所致。道岔轍叉偏向磨損問題，主要是由于列車雙向行駛的頻率不均衡所致。道岔轍叉偏向傾斜問題，主要是軌間距離調整塊構件不合理所致。道岔心翼軌側向磨損問題，是間隔到護背距離不合理所致。道岔護軌扭曲變形問題，主要是護輪軌出現變形所致。

2 鐵路道岔的改進優化設計

鑒于鐵路道岔常見的幾大類問題，需要對道岔進行改進優化設計，使之發生常見問題的幾率減小。本文對鐵路道岔的改進優化設計主要思路：總結歸納道岔常見問題及數據，將其納入遺傳算法進行學習和訓練，從而通過適應度函數確定出道岔最合理的數據。這里的適應度函數如下

式中：J 表示道岔幾何尺寸參數，Q 表示道岔導曲部分尺寸參數，Z 表示道岔轉轍部分尺寸參數，C 表示道岔轍叉部分尺寸參數，Fit（J，Q，Z，C）表示綜合考慮四大類常見問題的適應度函數，fJ表示道岔幾何尺寸問題的適應度函數，fQ表示道岔導曲部分問題的適應度函數，fZ表示道岔轉轍部分問題的適應度函數，fC表示道岔轍叉部分問題的適應度函數。

下一步，給出道岔幾何尺寸問題的適應度函數fJ的具體形式如下

式中：fJ（1）表示道岔軌距超限類問題的適應度函數，fJ（2）表示道岔高低超限類問題的適應度函數，fJ（3）表示道岔軌向不良類問題的適應度函數，fJ（4）表示道岔水平超限類問題的適應度函數。

進一步，給出道岔導曲部分問題的適應度函數fQ（2）的具體形式如下

式中：fQ（1）表示道岔導曲線線側磨損問題的適應度函數，fQ（2）表示道岔導曲線線側不圓潤問題的適應度函數。

進一步，給出道岔轉轍部分問題的適應度函數fZ的具體形式如下

式中：fZ（1）表示尖軌與基本軌貼合不緊密的適應度函數，fZ（2）表示道岔尖軌側面磨損問題的適應度函數，fZ（3）表示道岔尖軌出現跳動問題的適應度函數，fZ（4）表示道岔尖軌扳動不靈活問題的適應度函數，fZ（5）表示道岔尖軌拱腰變形問題的適應度函數，fZ（6）表示道岔尖軌出現爬行問題的適應度函數。

最后，給出道岔轍叉部分問題的適應度函數fC的具體形式如下

式中：fC（1）表示道岔轍叉垂直磨損問題的適應度函數，fC（2）表示道岔轍叉偏向磨損問題的適應度函數，fC（3）表示道岔轍叉偏向傾斜問題的適應度函數，fC（4）表示道岔心翼側向磨損問題的適應度函數，fC（5）表示道岔護軌扭曲變形問題的適應度函數。

3 鐵路道岔的性能提升實驗

在前面的研究工作中，針對鐵路道岔經常出現的問題進行了歸類分析，進而依托遺傳算法進行了鐵路道岔的適應度函數設計，包括總體適應度函數和各分類問題的適應度函數，從而得到了鐵路道岔的模型優化方法。

在這一部分的工作中，將通過實驗驗證本文獲得的鐵路道岔優化結果。此處，主要通過使用時間、過重總量2項指標，對優化前后的道岔性能進行比較，結果見表1。

表1 鐵路道岔優化前后的性能對比

從表1 中的第二列和第三列，可以看出10 個實驗道岔在優化前后使用時間的對比情況，為了進一步直觀地展示這種對比結果，將其繪制成柱狀圖的形式，如圖4 所示。

圖4 實驗道岔優化前后使用時間的對比

圖4 中，橫坐標代表了實驗道岔的標號，從1 號到10 號；縱坐標代表了使用時間，單位為d。鐵路道岔的使用時間，與道岔質量和通過的載重總量都有關系。從圖4中的對比情況可以明顯看出，經過本文的優化設計和調整以后，優化后道岔的使用時間比優化前道岔的使用時間有了明顯增加。其中，增加幅度最為明顯的是5 號實驗道岔、10 號實驗道岔、7 號實驗道岔和3 號實驗道岔，即便是增加幅度最小的1 號實驗道岔，優化后也增加了26 d的使用時間。綜合上述比較結果可以充分證明，經過本文優化設計的道岔使用時間獲得了明顯增加。

從表1 中的第四列和第五列，可以看出10 個實驗道岔在優化前后過重總量的對比情況，為了進一步直觀地展示這種對比結果，將其繪制成曲線圖的形式，如圖5 所示。

圖5 實驗道岔優化前后過重總量的對比

圖5 中，橫坐標代表了實驗道岔的標號，從1 號到10 號；縱坐標代表了過重總量，單位為億t。鐵路道岔的過重總量，與道岔質量和使用時間都有關系，當然道岔質量是決定性因素。從圖5 中的對比情況可以明顯看出，經過本文的優化設計和調整以后，優化后道岔的過重總量比優化前道岔的過重總量有了明顯增加。其中，增加幅度最為明顯的是4 號實驗道岔、5 號實驗道岔、6 號實驗道岔和1 號實驗道岔，即便是增加幅度最小的9 號實驗道岔，優化后也增加了0.24 億t 的重量。綜合上述比較結果可以充分證明，經過本文優化設計的道岔過重總量獲得了明顯增加。

4 結論

鐵路是我國交通運輸系統的重要組成部分，對于貨物運輸發揮著至關重要的作用。為了確保鐵路的安全運營，必須要提升鐵路道岔質量，從而確保鐵路線路的穩定工作。本文從多個方面對鐵路道岔可能出現的安全問題進行了系統的歸納、分析、總結和分類，進而建立了基于適應度函數的鐵路道岔承載能力提升方法。以多組道岔為研究對象進行驗證性實驗，結果顯示：通過基于適應度函數的優化設計，鐵路道岔的承載能力有了明顯的增加，有利于鐵路線路穩定的運營。