基于平面參數法的道岔線型設計研究

曹洋，王平，趙衛華

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

基于平面參數法的道岔線型設計研究

曹洋，王平，趙衛華

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

隨著高速鐵路的發展，新建客運專線最高運行速度已達到350 km/h，道岔平面線型是影響列車過岔速度的關鍵因素之一。針對不同的過岔速度選擇合適的道岔線型，計算后得到設計參數，對指導道岔選型和設計是十分必要的。利用平面參數法推導各種平面線型的計算公式，提出道岔線型設計流程，并通過實際算例比較了各種線型的應用范圍及優劣性。研究表明，列車低速過岔時宜采用小號碼單圓或復圓曲線道岔，高速情況下則宜采用含有緩和曲線的道岔線型;緩和曲線的加入，可以在減小圓曲線半徑的基礎上提高列車的側向過岔速度，并滿足平穩性要求。

平面參數法 道岔線型 設計流程 應用范圍 緩和曲線

道岔是機車車輛從一股軌道轉入或越過另一股軌道時必不可少的線路設備，是鐵路軌道的一個重要組成部分。由于道岔具有數量多、構造復雜、使用壽命短、行車安全性低、養護維修投入大等特點，因此成為軌道結構的最薄弱環節，是限制列車行車速度的關鍵設備［1］。

隨著高速鐵路的發展，新建客運專線行車速度已超過200 km/h，最高速度可達350 km/h［2-3］，列車直向和側向過岔尤其是通過高速大號碼道岔時，其安全性、平穩性均要滿足規定限值。道岔的平面線型是限制列車容許通過速度的重要因素，側向高速道岔大多采用緩和曲線作導曲線［3-4］，因此高速大號碼道岔的線型設計非常重要。本文利用平面參數法推導出各種線型道岔的計算公式，并通過平穩性分析提出不同側向過岔速度下應選用的道岔號碼及線型。

1 道岔線型設計

根據設計基本參數不同，道岔側股曲線形式有單圓型、復圓型、圓緩型和緩圓緩型四種［5-7］。由于單圓型及復圓型道岔應用較為普遍，在此不再詳述，而重點介紹帶有緩和曲線的道岔平面線型的設計方法。

1.1 圓緩型道岔

圓緩型道岔單側線型示意圖如圖1所示。

圖1 圓緩型道岔單側線型示意

其中θ為道岔轍叉角，即HZ點處切線與直股的夾角，φ為YH點處切線與直股夾角，R0為圓曲線半徑，也即緩和曲線終點半徑，整體坐標系下ZY點坐標為(Y0，0)，則YH點坐標為

若緩和曲線長度為l0，在以HZ點為局部坐標系原點，切線方向為x軸，垂直x軸向下為y軸的局部坐標系中，對于YH點有

由式(1)、式(2)可得整體坐標系下HZ點坐標為

1.2 緩圓緩型道岔

緩圓緩型道岔單側線型示意圖如圖2所示。

其中θ為道岔轍叉角，即HZ點處切線與直股的夾角，φ為YH點處切線與直股夾角，γ為HY點處切線與直股夾角，R0為圓曲線半徑，也即兩緩和曲線終點半徑，R1為前緩和曲線起點半徑。

圖2 緩圓緩型道岔單側線型示意

若從前緩和曲線理論起點至實際起點長為lx，實際起點至HY點的長度為l4，則lx=l4R0/(R1－R0)，且兩點間轉角φ1=lx/(2R1)。以理論起點為局部坐標系原點，切線方向為x軸，垂直x軸向下為y軸，則局部坐標系下對于實際起點坐標(xQ，yQ)有

同樣，對于HY點坐標有

整體坐標系下前緩和曲線起點坐標為(Y0，0)，由式(4)、式(5)式得HY點坐標為

在以YH點為坐標原點，切線方向為x軸，垂直x軸向下為y軸的局部坐標系下，HY點坐標為

由式(6)、式(7)可得整體坐標系下YH點坐標為

若后緩和曲線長度為l0，在以HZ點為局部坐標系原點，切線方向為x軸，垂直x軸向下為y軸的局部坐標系中，對于YH點坐標有

由式(8)、式(9)可得整體坐標系下HZ點坐標為

1.3 行車平穩性要求

為保證行車平穩性，曲線形式要滿足未被平衡加速度及其時變率限值的要求，可根據列車位于道岔曲線不同部位分別計算［5-6］;同時要滿足曲線長度大于列車振動周期內行進距離的要求，一般為列車開行0.8～1.0 s的距離;當兩組道岔組成單渡線時，若為兩圓曲線相接，為避免車輛通過曲線起終點產生的沖擊振動與車輛的自振頻率相吻合而發生振動迭加，需在兩圓曲線間插入一定長度的夾直線［8］，其長度一般不小于車輛長度，且要大于(0.42～0.65)V(V為列車側向過岔速度)。

2 線型設計流程

在道岔平面線型設計中，可根據道岔號碼N是否已知進行具體研究。當N已知時，根據列車側向過岔速度V，曲線半徑R0等設計條件，在滿足約束的情況下求出各曲線的特性值，從而繪制出平面線型圖;若N未知，可通過假設曲線長度L，結合列車側向過岔速度V，曲線半徑R0等條件，得到道岔號碼N，在選擇合適的號碼后，即可反推曲線長度，反復計算，直到滿足設計要求為止。

3 算例分析

道岔平面線型設計主要影響列車側向過岔的舒適性，以及由于曲尖軌的側磨程度而影響其使用壽命的長短。列車側向過岔速度分為三等，低速情況如80 km/h側向進站，中速如160 km/h列車行駛于區間渡線道岔，側向高速換線則為220 km/h。

當側向過岔速度較低時，道岔線型一般采用單圓型曲線，有時為提高舒適性及減少尖軌側磨，可采用道岔前端曲線半徑較大的復圓型曲線。以24號道岔為例，不同工況下單圓型及復圓型道岔線型計算結果如表1所示。

表1 圓曲線型道岔計算結果比較

由表1可知，列車以110 km/h側向通過2 000 m半徑的24號單圓型道岔時，車體未被平衡加速度及其時變率最大值分別為0.467 m/s2和0.792 m/s3，均小于客運專線道岔的設計限值0.5 m/s2和0.55～1.00 m/s3［9-10］;當側向過岔速度為120 km/h時，車體未被平衡加速度及其時變率最大值分別為0.556 m/s2和1.029 m/s3，均超出設計限值;圓曲線半徑減小為1 800 m時，雖然曲線長度有所減少，但車體未被平衡加速度達到0.519 m/s2，超出設計限值，此時若改為前端圓曲線半徑為2 000 m的復圓型道岔，則尖軌處車體未被平衡加速度為0.467 m/s2，未超出限值，且曲線總長度比半徑為2 000 m的單圓型曲線長度短。

當側向過岔速度較高時，一般采用帶有緩和曲線的道岔線型。以線間距4.6 m的38號道岔為例，緩圓緩線型的前緩和曲線起點半徑取為10 000 m。不同工況下圓緩型及緩圓緩型道岔線型計算結果如表2所示。

表2 緩和曲線型道岔計算結果比較

由表2可知，列車以160 km/h側向通過38號圓緩型道岔，圓曲線半徑取4 500 m時，尖軌處加速度時變率為1.084 m/s3，超出限值;當曲線半徑為5 000 m時，圓曲線未被平衡加速度及尖軌處加速度時變率最大值分別為0.395 m/s2和0.975 m/s3，均未超限;若速度提高至170 km/h，則尖軌處加速度時變率為1.170 m/s3，超出限值，若速度繼續提高，圓曲線未被平衡加速度也將超限，此時需加大圓曲線半徑。

若采用緩圓緩型道岔，圓曲線半徑為4 000 m，列車以160 km/h側向通過時，圓曲線未被平衡加速度及尖軌處加速度時變率最大值分別為0.493 m/s2和0.981 m/s3，均未超限，但前緩和曲線長度較小，不易滿足曲線最小長度的要求;增加圓曲線半徑至4 500 m，當列車以170 km/h側向通過時，圓曲線未被平衡加速度及尖軌處加速度時變率最大值分別為0.496 m/s2和0.815 m/s3，均未超限。

4 結論

1)列車低速側向過岔時，采用小號碼單圓曲線道岔即可滿足要求;當速度提高，為防止尖軌過度磨耗，可加大道岔前端曲線半徑，采用復圓型曲線;列車中速或高速過岔時，要采用大號碼圓緩或緩圓緩型道岔，并選用適當的曲線半徑和線間距等參數，以滿足平穩性要求。

2)在道岔前端直線與圓曲線間增加了一段緩和曲線，使得緩圓緩型道岔可以在減小圓曲線半徑的情況下，提高列車的側向過岔速度，滿足平穩性要求，并且尖軌處的未被平衡加速度時變率明顯小于圓緩型道岔。因此，對于高速道岔采用緩圓緩線型，旅客乘坐的舒適性將較圓緩型更好，但其曲線整體長度大于圓緩型道岔。

3)在分析列車側向過岔的未被平衡加速度及其時變率時，需采用考慮車輛長度影響的方法，以便得到列車通過曲線變化點處車體離心加速度的漸變過程，要比把車體簡化為集中質點的方法更為合理。

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U213.6

A

1003-1995(2011)02-0101-03

2010-08-03;

2010-11-18

西南交通大學創新團隊培養計劃資助項目(2007IRT06);鐵道部科技開發計劃項目(2008G002-b)

曹洋(1985—)，男，河南商丘人，博士研究生。

(責任審編 白敏華)