高速鐵路道岔系統理論與工程實踐研究綜述

王 平, 陳 嶸, 徐井芒, 馬曉川, 王 健

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031)

高速鐵路道岔系統理論與工程實踐研究綜述

王 平, 陳 嶸, 徐井芒, 馬曉川, 王 健

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031)

為了促進高速道岔行業的發展，系統梳理了各國高速鐵路道岔領域(包括部件選型與結構設計理念、高速列車/道岔耦合動力分析理論、不同線下基礎道岔無縫化設計方法、合理剛度及均勻化設計方法、長大軌件轉換計算理論、關鍵聯結部件動靜力強度分析、動力學性能測試技術、道岔側股平面線型與結構設計、制造與鋪設、維護與管理等)的學術研究現狀、存在問題、具體對策及發展趨勢.要適應未來軌道交通技術的發展，高速道岔仍面臨著嚴峻的技術挑戰，例如，更高速度的下一代高速道岔在復雜環境下的適應性、全壽命周期設計、輪軌匹配與車/岔動態性能優化、新材料和結構的研發與應用、狀態實時獲取與性能評估、健康管理及故障預測、能效保持等問題，需要深度融合先進材料與制造、智能與自動化、大數據與云計算、精密測控與效能提升等前沿技術，著力提升我國高速鐵路道岔技術領域的原始創新能力.通過現狀剖析、問題導向，以期為鐵道工程學科的學術研究與技術創新提供新的視角和基礎資料.

高速鐵路道岔;設計理論;平面線型;結構部件;制造與鋪設;維護與管理

道岔是鐵路線路的交叉點及薄弱環節,因其結構與輪軌界面的關系復雜,是影響行車平穩性與安全性的關鍵基礎設施.道岔同時集成了軌道系統中各類結構部件與技術特征,被公認為是反映鐵道工程行業技術水平的重要標志.隨著高速鐵路的發展,具有高精密度的機電一體化系統——高速鐵路(高鐵)道岔在設計理論、關鍵結構、制造工藝、維護技術等方面均取得了顯著的進步[1].截止2015年底,中國開通運營近1.9萬km高鐵鋪設的5千多組正線高速道岔總體狀態良好,滿足了高速鐵路建設與運營的需要,為我國高鐵事業的發展做出了重要貢獻.然而,迄今為止學術界還缺乏對高速鐵路道岔設計理論與工程實踐研究的系統總結與梳理.本文圍繞高速道岔選型與設計理念、設計理論與試驗技術、線型與結構設計、制造鋪設與維護技術等主題,論述了該領域的學術研究現狀、熱點和存在的問題、具體對策與發展趨勢,以期為鐵道工程學科的進一步發展提供參考和借鑒.

1 高速道岔選型與設計理念

1.1 選型原則

可靠性.高速道岔系統需滿足高速列車過岔與區間等速運行時的安全性、平穩性及可靠性要求.

安全性.用平穩性來保證安全性,高速道岔系統應較區間軌道具有更高的部件精度、平順性和列車過岔舒適度控制標準.為有效應對各種復雜的運營環境,還需根據需要配備防雪、防冰擊、工電集成狀態監測平臺等安全保障設施設備.

可維護性.為了減少維護工作量,應盡量減少道岔型號,運行條件相同的道岔零部件宜通用;各型高速道岔軌型應相同;道岔直向允許通過速度相同的道岔零部件宜通用;并為預防性維修和修復性維修(如道岔打磨等)預留空間或接口.

高可用性.高速道岔應滿足跨區間無縫線路和軌道電路的要求,并適應有砟或無砟下部結構和橋隧、路基等不同類型基礎結構,且與區間軌道相匹配以降低過渡段的影響;側向容許通過速度根據站場道岔、渡線道岔和聯絡線道岔的不同功能需求確定;具有15～20年以上的使用壽命,并盡可能地少更換零部件.

1.2 設計理念

高速道岔設計以安全性作為第一要求,以乘坐舒適度作為首要控制指標[1-2].

系統匹配.在高速道岔設計中,將運動學與動力學相結合,視機車車輛系統與道岔系統(工電集成)為一個相互作用、相互耦合的總體大系統,道岔各組件之間需合理匹配.

安全可靠.對高速道岔的設計最高容許通過速度,在直向增加10%、側向增加10 km/h的安全裕量,并進行相應實車試驗考核;采用適應無縫道岔的轉換鎖閉、密貼檢查設備,選取穩定可靠的結構形式保證可動軌件的強度儲備,并配備監測系統.

高平順性.平順性決定乘坐舒適度.在高速道岔設計、制造、運輸、鋪設、養護等環節中,要特別注重平順性優化和保持,嚴格控制各部件的制造公差與裝配誤差.

實踐考證.確定高速道岔的線型和結構等參數,評估部件強度和整體性能,均需通過大量室內外試驗和運營實踐的考核和驗證.

1.3 主要問題與發展趨勢

(1) 面向LCC(life cycle cost)和RAMS(reliability availability maintainability safety)的高速道岔全壽命周期設計

將LCC和RAMS相關指標分解到高速道岔全壽命過程中,形成相應的需求約束.考慮高速道岔運營成本、維修成本、裝拆成本、工藝成本、設計成本以及報廢成本等的DFC設計,以及考慮各階段安全性和可靠性指標分配和約束的可靠性設計,建立各階段的成本模型和可靠性模型,獲得合理的成本分配、可靠的設計參數裕度等,然后,建立全壽命周期成本和可靠性模型,以此進行優化設計和成本控制,獲得滿意的全壽命周期設計結果.

(2) 復雜運營環境下高速道岔的適應性

面向一帶一路、海洋強國、西部大開發和高鐵走出去等一系列國家重大戰略需求,軌道交通基礎設施正加速覆蓋全球范圍自然環境更復雜的地區.高速道岔系統因其運營環境的復雜性、結構材料的多樣性、結構分布的空間效應、服役過程的時間效應以及多因素交變耦合效應等,其動態性能的時空演變機制與規律十分復雜.要求高精度的高速道岔及其下部結構(有砟或無砟軌道、橋梁、隧道及過渡段)面對嚴寒、風沙、雨雪、凍融、沖刷、腐蝕等惡劣自然環境與復雜地質條件的挑戰時，均應表現出良好的適應性,故針對高速道岔系統在極端氣候或惡劣地質條件下動態性能的時空演變機制與規律的研究已成為前沿熱點.

(3) 更高速道岔的基礎科學問題

當移動裝備以400 km/h及以上速度過岔時,輪軌高速相互作用過程中的高頻動態或瞬態現象表現突出(振動主頻率達2 000 Hz以上),振動波長與接觸斑直徑接近同一數量級,容易誘發輪軌耦合系統部件的顫振或共振,從而影響旅客乘坐舒適性,加速車輛-軌道系統部件的損傷,并嚴重影響高速列車運行安全性和可靠性.因此,建立考慮系統部件材料非線性與幾何非線性、接觸不平順與界面熱效應、時間步長極小(應當小到足以捕捉到兩個接觸表面之間的動量傳遞而不發生明顯的能量損失)的三彈性體或彈塑性體的瞬態滾動接觸模型,探明高速道岔與列車系統的高頻相互作用規律及界面接觸行為,是下一代更高速度高速道岔研制中亟待解決的關鍵基礎科學問題.

(4) 下一代高速道岔結構選型

下一代高速鐵路對道岔的安全、智能、耐久、環保等方面提出了更高的要求.基于結構動力學、空氣動力學和聲學等理論的發展,推進高速道岔在新材料、新構造、新工藝、新方法等方面的創新.關鍵技術主要包括:研究適用于下一代高速道岔的新型支撐結構,拓展纖維增強復合材料、智能自適應材料、高性能鋼及混凝土等新材料及其應用,構建基于可靠度理論、全壽命周期和可持續工程的高速道岔設計技術體系,提升高速道岔制造與施工的工廠化、智能化、裝配化和精細化技術,開發基于結構損傷度的高速道岔損傷評估方法及病害智能修復技術,構建減振及噪聲控制技術和綠色環保評價體系,發展基于大數據的高速道岔風險管理、信息管理及維護決策技術等.

2 高速道岔設計理論與試驗技術

高速道岔系統集成了幾乎所有先進鐵路軌道技術,是高速鐵路建設與運營維護的核心裝備之一.在高速道岔的研制過程中,需建立其動力學分析理論,解決輪軌關系、軌道剛度、部件強度及車岔耦合振動等動力學問題;提出無縫道岔計算方法,解決跨區間無縫線路、橋上無縫道岔的設計與鋪設等適應性問題;建立道岔轉換計算理論,優化牽引點布置,提出減摩措施,解決轉換卡阻、不可靠鎖閉等可靠性問題.為驗證高速道岔系列設計理論的正確性及其工程應用的有效性,還需通過室內及現場實車試驗進行驗證和評估,進而用于指導高速道岔的設計、制造、運輸、鋪設與維護.

圖1 高速道岔設計總體技術路線Fig.1 Overall technical route of high-speed turnout design

2.1 高速列車/道岔耦合動力分析理論

高速列車-道岔系統動力分析理論的基本思想是,將機車車輛系統和道岔系統視為相互作用、相互耦合的總體大系統,考慮岔區輪軌之間復雜的多點接觸關系,綜合研究列車過岔時的動態運行行為及對道岔區軌道結構的動力作用.

王平等基于輪軌系統動力學,結合道岔區軌道結構自身特點,研究了道岔區多點輪軌接觸關系,率先建立了列車-道岔空間耦合動力學分析理論[3-4]. Schupp等研究了道岔區輪軌多點接觸在多體動力學仿真中的實現方法[5]; Kassa等基于多體動力學軟件GENSYS建立了列車/道岔動力學模型,研究關鍵參數隨機輸入情況下系統的動態響應[6]; Alfi等提出能夠計算列車/道岔中頻動態響應的數學模型,模型中考慮變截面鋼軌及彈性軌道,并且通過現場試驗實測數據驗證了模型的正確性[7];陳嶸建立了完整的車輛-道岔-橋梁耦合振動模型,計算分析了列車通過橋上道岔時系統的振動響應,并進行了試驗驗證[8];全順喜分析了隨機不平順及實測不平順對岔區輪軌耦合振動的影響,提出了岔區幾何不平順的控制限值和調整方法[9]; Pletz等利用有限元方法建立單輪滾動通過轍叉時的動態模型[10]; Sebes等運用多點赫茲接觸理論建立道岔區的輪軌接觸模型,結合多體動力學理論,分析列車通過可動心軌道岔時的接觸斑位置、接觸應力及等效應力等動態響應[11].

列車/道岔耦合動力學分析理論已在岔區輪軌關系優化、可動軌件轉換分析、岔區幾何不平順控制、平面線型布置及軌道合理剛度匹配等設計中成功應用.然而,目前對高速車輛與道岔動態相互作用的分析僅限低頻時域范圍,尚未見到同時考慮岔區局部輪軌強沖擊、鋼軌件垂向、橫向和扭轉振動以及隨機不平順對接觸幾何關系影響的道岔高頻振動時域和頻域分析.而且,現有輪軌滾動接觸理論還不能考慮單輪與多軌滾動接觸行為,無法精確描述輪對通過道岔這種兩側非對稱結構時的輪載過渡或轉移行為.此外,隨著列車運行速度的進一步提高,致振因素和響應形式均會發生根本性地改變,道岔區輪軌關系、軌軌關系、輪軌異常磨耗、輪軌表面接觸疲勞、塑性流動和脫軌等機理及其影響也受到了越來越多的關注.

2.2 高速道岔無縫化設計方法

世界各國200 km/h以上的所有線路均采用跨區間無縫線路,而道岔結構無縫化設計是跨區間無縫線路設計中的一項重要內容.相比于普通無縫線路,無縫道岔內涉及多根鋼軌,且各鋼軌線形和約束條件不同,各軌條之間存在更復雜的承力、傳力和位移關系.

王平等建立了可動心軌無縫道岔鋼軌溫度力與位移的分析模型和計算方法,分析了不同阻力參數的影響[12],此外,通過建立無縫道岔群計算模型,結合道岔區軌道結構的特點,分析了不同線路阻力值、線路阻力退化等對無縫道岔受力變形的影響[13].楊榮山等進行了橋上無縫道岔縱向力試驗驗證研究,對道床阻力、基本軌伸縮力及尖軌伸縮位移等進行了系統測試[14];文獻[15]建立了橋上無縫道岔1∶3縮尺模型,研究了多種橋梁結構形式與無縫道岔的相互作用關系;文獻[16]等通過道岔縱向力試驗,用導軌與基本軌位移差值表達兩者之間傳力約束,提出了無縫道岔溫度力與位移的計算模型和計算方法.文獻[17]運用“兩軌相互作用原理”,根據實測線路阻力給出了阻力-位移表達式,并提出了無縫道岔縱向力計算方法.文獻[18-19] 基于力圖疊加原理,提出了可考慮非線性的無縫道岔當量阻力系數計算方法.文獻[20] 考慮了道床阻力隨岔枕長度的變化及基本軌與導軌之間的相互作用,提出了無縫道岔多軌相互作用計算方法.文獻[21-22]將廣義變分原理應用于無縫道岔的計算分析,將岔枕視為有限長Winkler彈性地基梁,提出了一種計算無縫道岔鋼軌附加溫度力與位移的方法.

但是,目前在無縫道岔伸縮變形仿真計算或試驗研究中,均僅考慮了年或日的最高軌溫或最低軌溫時無縫道岔的受力變形特點,未考慮軌溫變化過程中的累積效應,同時尚未見能夠準確描述循環彈塑性變形特性的線路阻力模型.高速道岔無縫化設計方法的深入發展將主要著眼于復雜環境條件(極端氣候下列車荷載與溫度荷載的疊加效應,以及扣件、散粒體道床、限位器、間隔鐵的非線性與塑性阻力特性)下路基/橋梁上無縫道岔狀態演變機制與規律,研究考慮軌溫循環變化的無縫道岔多軌累積受力與變形的求解方法,建立起無縫道岔性能演變預測模型,并基于路基/橋梁上無縫道岔狀態對行車安全性和平穩性的影響規律,提出其各項性能劣化指標的評判標準及允許限值.

2.3 高速道岔合理剛度及均勻化設計方法

剛度是鐵路軌道結構的基本性能參數之一,而高速道岔結構復雜、零部件多,存在多根鋼軌通過共用長墊板、間隔鐵等部件的聯結,致使軌道整體支承剛度沿線路方向差異顯著.在高速道岔設計過程中,軌道剛度合理值的確定及在各部件之間的合理分配是開展道岔區輪軌系統動力分析與評價的前提,同時為減緩岔區動態不平順的影響,還需考慮通過各部位扣件系統剛度的調整,使其整體剛度沿線路縱向分布均勻.

Andersson等利用數值模型研究了車輪滾動通過轍叉時的沖擊作用,分析了軌道剛度及質量分布變化對輪軌沖擊力的影響[23]; Zarembski通過理論分析及現場試驗,研究得到采取合理的剛度過渡措施能夠消除轍叉部位的輪軌沖擊力[24]; 文獻[25]研究了高速道岔尖軌下支承剛度變化的影響,指出尖軌下彈性支承能夠有效地改善列車過岔時的輪軌動態相互作用; 文獻[26]通過改變枕下膠墊的剛度來平滑道岔縱向的剛度分布,并利用數值仿真研究了枕下膠墊對輪軌接觸力的影響;文獻[27]發展了道岔區鋼軌磨耗、滾動疲勞及塑性變形等傷損的數值計算方法,并在此基礎上進行了道岔區幾何尺寸及剛度的優化.

國內學者主要著重于對道岔軌道剛度分布規律研究,并提出了相應的剛度均勻化措施.文獻[3]對固定和可動心軌轍叉有砟道岔區軌道剛度分布進行了分析,指出了岔區剛度分布不均;文獻[28]通過對多種墊板組裝后的剛度進行測試,提出了有砟道岔扣件剛度均勻化建議.陳小平等研究了高速道岔剛度合理取值及部件剛度合理匹配關系,提出了高速道岔軌道剛度縱向變化率的控制范圍[29],并進行了無砟道岔的軌道剛度分布規律分析及均勻化設計優化[30].

值得注意的是,目前國內外學者對軌道剛度內涵的研究尚顯不足,尚未開展對扣件系統橡膠材料頻變、幅變及溫變特性對岔區軌道剛度影響的研究,關于橫向剛度沿岔區的分布及其影響規律的研究也未得到重視.試驗研究中剛度檢測的技術路線不一、精度不高、效率偏低且數據分析處理不夠.就高速道岔而言,岔區合理剛度及其分布優化研究主要針對豎向剛度,岔區橫向剛度分布及其對高速行車的影響規律尚不明確.此外,一般均將道岔剛度視為常量即靜剛度,而動剛度、沿線路縱向分布不均的線剛度、非對稱結構的面剛度及其變化影響的檢測與評估等問題尚待進一步研究和解決.

2.4 高速道岔轉換計算理論

高速道岔的轉換鎖閉結構應具有轉換、鎖閉、表示3項基本功能.道岔轉換是為了引導機車車輛由一條線路進入另一條線路,需要借助轉換設備扳動可動尖軌或心軌,實現道岔開向的改變.道岔鎖閉是在道岔轉換后,借助轉換設備鎖閉道岔,保證尖軌或心軌與基本軌或翼軌穩固密貼的功能.道岔狀態顯示是為了確保行車安全,在道岔轉換后,轉換設備具有顯示道岔定位(直尖軌貼靠曲基本軌)或反位(曲尖軌貼靠直基本軌)的功能.

日本高速道岔設計中,考慮轉轍連桿至固定端距離、可動部件長度及轉換動程等參數,采用解析方法進行轉換力的簡化計算;文獻[31]考慮心軌的變截面特性,建立了可動心軌轉換計算有限元模型,進行了多點牽引的單肢及雙肢彈性可彎心軌轉換計算;文獻[32]應用有限元法進行了尖軌和可動心軌的轉換設計計算分析;文獻[33]將可動軌件劃分成若干段等截面梁,基于復合梁彎曲理論建立了轉換計算模型,計算了不同摩擦系數條件下的板動力及不足位移,用于指導牽引點布置及動程設計優化;文獻[34]基于變分形式的最小勢能原理,提出了單肢和雙肢彈性可彎心軌扳動力及不足位移計算方法;文獻[35]建立了高速道岔尖軌及心軌牽引轉換計算模型,對尖軌及心軌牽引點板動力及不足位移進行了分析.

轉換計算理論的研究成果已在高速道岔的設計優化中得到成功應用,但多種運營條件下轉換卡阻、不足位移的問題在高速道岔中仍時有出現.其原因是既有道岔轉換計算分析主要面向設計,未綜合考慮制造、組裝、運輸、鋪設及復雜運營條件下的道岔實際狀態與設計圖紙之間的差異.

2.5 高速道岔部件動靜力強度分析

在完成高速道岔平面線型、結構選型、牽引轉換等總圖設計工作,以及輪軌關系、軌道剛度、無縫化等基本型式的設計工作后,還要基于工電一體化設計理念開展鋼軌件、轉換設備、扣件系統、軌下基礎、聯結零件等部件的強度分析設計.

文獻[36]應用輪軌系統動力學建立了鋼岔枕模型,分析了鋼岔枕軌道病害產生的原因并提出了改進措施;文獻[37]建立了高速道岔新型護軌墊板結構實體有限元分析模型,通過計算分析優化了墊板結構尺寸;文獻[38]針對心軌、翼軌及鎖鉤等部件提出了多種優化方案,并進行了準靜態荷載作用下外鎖閉機構強度分析和可動心軌動扭轉分析; 文獻[39]提出了尖軌廓型的優化設計方法,以接觸應力和能量耗散為優化目標,應用遺傳算法求解得到Pareto最優解,并且用車輛-道岔動態相互作用分析來評價尖軌廓型;文獻[40]根據車輛-道岔動態相互作用分析得到輪軌力和蠕滑率大小,同時考慮材料棘輪效應求解出在循環荷載作用下尖軌廓型的累計塑性變形,為道岔幾何尺寸優化提供了理論依據;文獻[41]分析了轉轍器部分扣件系統的受力情況,研究了扣件剛度匹配情況對車輛過岔安全性的影響,給出了較優的扣件剛度取值及匹配;文獻[42-44]基于車輛-道岔耦合系統動力學,研究了不足位移、頂鐵離縫及過岔速度等對尖軌和心軌轉換鎖閉結構受力的影響,并建立了道岔區輪軌接觸彈塑性有限元模型,分析了軌底坡及軌距角半徑對輪軌接觸應力的影響,并給出較優的軌底坡及軌距角半徑取值;文獻[45]根據多重疊合梁模型,運用有限元方法對無砟道岔軌下基礎受力和變形特性進行了分析,為無砟道岔道床的設計提供了參考.

由于道岔結構材料的多樣性、結構分布的空間效應、服役過程的長時效應、多場多因素的耦合效應、結構損傷的多尺度效應,導致道岔各類損傷出現頻繁,應基于岔區動態輪軌關系和道岔區輪軌接觸疲勞與磨損的關系,探索道岔結構損傷與性能劣化的規律.道岔區輪軌劇烈橫向沖擊的仿真分析及試驗驗證技術急待提升.應加強現場試驗與理論分析的結合,獲取可動心軌道岔疲勞載荷譜,建立道岔疲勞累積損傷模型,開展服役壽命評估方法的研究.此外,基于服役過程中道岔結構疲勞關鍵部位的動態損傷與安全服役監控參數指標,開展高速行車條件下道岔動態損傷與安全服役性能監控系統研究亦是當前的研究熱點之一.

2.6 高速道岔動力學性能測試技術

高速道岔設計中的各種計算理論,都是以一定的力學模型及給定的荷載參數和道岔區軌道參數為前提,其計算結果只能反映一定的道岔結構在給定運營條件下各種效應值的大致水平和量級.大量室內和現場實車試驗結果才能驗證理論結果的正確性,并不斷優化理論參數,提高其適用性,從而實現對高速道岔設計、制造、鋪設與維護的科學指導,保障高速列車過岔的安全性和舒適性.

文獻[46]開發了道岔區輪對橫移測試系統,在合寧線對引進的法國技術道岔進行了岔區輪對橫移測試,驗證了道岔動力學理論的正確性;文獻[47]通過對膠濟線18號道岔進行試鋪和動測試驗,包括CRH動車組、提速客車及貨車直向和側向過岔的動力測試,驗證了道岔具有較高的安全性和列車運行平穩性;文獻[48]針對岔區軌道剛度合理取值及均勻化技術、尖軌降低值優化技術、轉轍器運動學軌距優化技術、側線線型設計技術對動車組高速直、側向過岔平穩性的影響進行了試驗研究;文獻[49]利用測力輪對測試了車輛直/側、順/逆向通過道岔時的橫向和垂向輪軌力,研究了過岔速度、過岔方向等對輪軌力最大值及位置的影響,驗證了車輛-道岔動態相互作用計算模型的正確性.

高速道岔一般體量大,部件多,且有許多隱蔽部分,既有的檢測方法存在應用條件限制和工作效率相對較低的缺點.目前,高效模塊化、數字化的結構動力響應量測技術已為高速道岔動力學性能測試提供了堅實有效的技術支持.依據高速道岔結構的模態參數(如自振頻率和振型)和物理參數(如剛度和阻尼)來定性和定量地判別結構狀態的改變是當前本領域的前沿熱點之一,而道岔區輪軌接觸行為的試驗研究仍較為少見.

3 高速道岔平面線型與結構設計

道岔具體設計工作包括平面線型設計和結構設計,平面線型設計的內容包括基本線型的選取,道岔尖軌切削方式的選擇,轍叉區的設計以及岔枕的布置等;結構設計的內容包括各零部件的結構選型、布置方式及尺寸等.

3.1 道岔平面線型設計

3.1.1 高速道岔平面線型設計參數

高速道岔平面線型設計控制參數包括未被平衡的離心加速度a和未被平衡的離心加速度時變率Ψ兩個參數[50-51].此外,文獻[50-53]認為在分析列車側向過岔的未被平衡加速度及其時變率時,考慮車輛長度影響可得到列車通過曲率變化點處車體離心加速度的漸變過程.各國車輛的動力學性能不同,因此,離心加速度、離心加速度時變率的控制限值也略有差異[54],見表1.

3.1.2 道岔整體線型

道岔側股曲線型式包括單圓型、復圓型、圓緩型和緩圓緩型4種.側向通過速度超過160 km/h的各國大號碼高速道岔采取的線型并不一致,日本和德國分別采用復圓線型和圓緩圓線型,中國和法國均采用圓緩線型;而側向通過速度為80～100 km/h的高速道岔,各國均采用單圓曲線型[50-51,55-56].文獻[57-58]通過對秦沈客運專線38號高速道岔平面線型的分析,指出大號碼道岔采用三次拋物線線型已成為一種發展趨勢.文獻[52-53]基于平面參數法及車輛-道岔耦合動力學模型,對不同側向過岔速度條件下高速道岔的線型選取方式進行了研究,認為采用緩圓緩線型的旅客乘坐舒適性較圓緩線型更好.文獻[59-60]采用安全性、平穩性等動力學評價指標,對我國18號及42號高速道岔進行了仿真計算,指出我國高速道岔平面線型的設計是合理的.

表1 各國高速道岔平面線型設計參數對比Tab.1 Comparison of the plane layout geometry design parameters of high-speed turnouts in various countries

3.1.3 尖軌平面線型

道岔尖軌平面線型分為直線型和曲線型兩種，曲線型尖軌主要有割線型、半割線型、切線型、半切線型等.國外高速道岔較多采用的是切線型尖軌,我國高速道岔則主要采用半切線型和半割線型尖軌.為研究不同運營條件下各種線型尖軌的受力特性及適用條件,文獻[61]建立了列車/道岔尖軌仿真分析模型,對轉轍器部分的輪軌受力特性進行了分析,例如,尖軌斷面的變化、結構不平順的大小、尖軌與基本軌之間的傳力特點、車輪輪踏面接觸點在兩鋼軌上的過渡規律、輪緣接觸點的變化規律及坐標體系的變換等.文獻[52-53]通過動力學計算及輪軌間磨耗性能的分析,認為18號道岔應采用相離半切線型尖軌, 42號道岔則宜采用切線型和半切線型尖軌.

3.2 高速道岔結構設計

3.2.1 轉轍器結構

中國和法國的道岔基本軌均采用中國的60 kg/m鋼軌,客貨共線線路上為U75V鋼軌(抗拉強度980 MPa),時速350 km客運專線上采用的是U71MnK(抗拉強度880 MPa)鋼軌,設計軌底坡為 1∶40.尖軌采用60D40鋼軌,材質與基本軌相同,頂面加工 1∶40 軌頂坡,跟端扭轉 1∶40 斜.德國基本軌與尖軌則采用的是60E1A1(即Zu1-60)鋼軌,鋼軌材質為R350HT硬頭軌,抗拉強度為1 175 MPa.基本軌設 1∶40 軌底坡,尖軌頂面通長加工成 1∶40 軌頂坡,跟端不扭轉.

道岔尖軌一般采用AT軌(即矮型特種斷面鋼軌)加工制造.我國提速道岔及秦沈客運專線道岔采用CHN60AT鋼軌,國外高速鐵路道岔采用的AT軌類型主要有法國的UIC60A、UIC60D,德國的Zul-60及日本的80S.文獻[62]通過對以上幾種AT軌類型進行對比分析,建議為適應我國高速道岔1∶40的軌底坡宜采用UIC60D40斷面的鋼軌制造尖軌.我國及其他國家高速道岔均采用尖軌藏尖結構.由于車輪在尖軌與基本軌之間過渡導致的結構不平順的影響,尖軌與基本軌密貼段范圍內的輪軌關系是影響動車組過岔平穩性的主要因素.為此,德國高速道岔采用了FAKOP動態軌距加寬技術,使輪對通過轉轍器時左右兩車輪的滾動半徑趨于相同,減緩了蛇形運動提高了車輛過岔的平穩性[54],文獻[4,63-64]對轉轍器部分輪載過渡規律進行了研究,提出了采用縮短輪載過渡范圍的方式來提高動車組過岔平穩性的轉轍器設計方法,并指出用縮短輪載過渡范圍的方式可明顯提升過岔平穩性[50-51].此外,根據不同鋪設地區的全年軌道溫差,可考慮在轉轍器跟端設置間隔鐵、限位器等縱向傳力結構.

法國道岔采用輪對通過轉轍器時的傾角不超過4/1 000 rad作為尖軌頂面降低值的設計標準,其直曲尖軌采用相同的頂面降低值.中國道岔以提高行車舒適性和確保尖軌強度作為尖軌頂降低值的設計依據,直尖軌降低值采用了縮短并前移輪載過渡范圍的方式來提高行車舒適性.德國道岔尖軌降低值以保證鋼軌強度及輪載平穩過渡為設計依據.

中、德、法三國高速道岔均實現了轉轍器部分基本軌的彈性扣壓及輥輪轉換結構,可保證基本軌的橫向穩定性及尖軌轉換阻力的降低.中國道岔滑床臺內設置了施維格幾形彈性夾,每隔3～5根岔枕設置一對施維格輥輪;法國道岔滑床臺內設置了科吉富幾形彈性夾,每隔4根岔枕設置一對科吉富輥輪;德國道岔滑床臺兩側各設置了一根BWG彈性扣壓條,每隔4根岔枕設置一對BWG輥輪.各國高速道岔均可將尖軌轉換不足位移控制在2 mm以內.

為進一步改善高速道岔區輪軌關系、降低動力作用,可考慮采用列車進岔的預導向技術,通過設置軌距加寬和優化尖軌結構,使列車通過轉轍器區域時,輪對提前導向,以適應轉轍區內快速變化的線型,從而有效減小輪對的橫移量和車體橫向加速度.直曲組合線型與尖軌、心軌加寬可有效延長曲尖軌壽命.

3.2.2 轍叉結構

為降低列車經過轍叉時的輪軌沖擊,提高過岔舒適性,高速道岔一般采用可動心軌式轍叉[50-51],可消除有害空間保持轍叉軌線連續.

法國道岔心軌采用與尖軌材質相同的60D40鋼軌通過哈克螺栓聯結而成;翼軌為高錳鋼整鑄“搖籃式”結構,其前后兩端分別焊接普通鋼軌和A74鋼軌,外側用豎向軌撐扣壓.轍叉跟端采用安裝空心銷的彈性間隔鐵將翼軌與心軌聯結,兩心軌之間也采用長大間隔鐵進行聯結.與尖軌頂面降低值的設計原則一樣,在心軌頂面降低值設計中,法國道岔仍然遵循輪載轉移過程中輪對傾角小于4/1 000 rad(對于速度250 km/h的道岔小于8/1 000 rad)和頂寬22 mm斷面之后、心軌與翼軌密貼段內完成輪載過渡的設計原則.為進一步降低列車通過轍叉時的橫向不平順,采用了心軌水平藏尖式結構, 18號和41號道岔水平藏尖量分別為5.0 和5.7 mm.

德國道岔心軌前端采用鋼坯經機加工而成的整體結構,后端拼焊2根叉跟軌;翼軌采用普通鋼軌刨切成型,外側采用彈條扣壓.德國18號道岔轍叉跟端為高強螺栓聯結的間隔鐵結構; 39.113號道岔轍叉下部為通長整體大墊板,心軌-心軌、翼軌-心軌之間的長大間隔鐵通過螺栓與大墊板聯結,同時還有橫向螺栓聯結,能夠滿足抵御區間無縫線路溫度力的要求和防止轉換桿件與翼軌軌腰孔碰卡.心軌頂面降低值的設計采用輪廓以心軌頂面中心線對稱設置和頂面圓弧平順過渡的設計原則,并未采用水平藏尖式結構設計.

中國道岔心軌采用60D40鋼軌栓結而成;翼軌為TY軌(即軋制特種斷面翼軌).轍叉跟端采用兩個雙孔間隔鐵將翼軌與心軌膠結的結構,轍叉后端兩心軌之間也采用長大間隔鐵進行聯結,可較好地傳遞岔后區間無縫線路的溫度力、保持轍叉的橫向穩定性和防止心軌卡阻.心軌頂面降低值設計亦遵循縮短輪載過渡段長度和采用水平藏尖結構減小橫向不平順的設計原則, 18、42號道岔水平藏尖量為9 mm.針對側向高速道岔(大號碼),除日本外各國均采用雙肢彈性可彎心軌結構,我國還通過優化牽引點位置及轉換動程,實現了這種復雜結構的同步平穩轉換,并通過預設反拱減緩了心軌跟端附近的轉換不足位移,該結構消除了側股跟端處的斜接頭,確保了列車以160 km/h速度側向過岔時的安全性與平穩性,而側向通過速度較低的18、30號道岔仍采用單肢彈性可彎心軌結構.

3.2.3 扣件系統

中國高速道岔區軌道采用帶鐵墊板的彈性分開式扣件,彈性鐵墊板上部結構考慮無螺栓扣件系統和有螺栓扣件系統兩種方案;擋肩與鋼軌底邊之間設軌距塊用于保持或調整軌距.客貨共線運行的設計時速250 km有砟、無砟道岔扣件系統靜剛度設計值為50±5 kN/mm,動靜剛度比≤1.8;無貨運的設計時速250、350 km無砟道岔扣件系統靜剛度設計值為25±2.5 kN/mm,動靜剛度比≤1.5.通過對板下橡膠墊的開槽設計實現岔區內不同部位扣件系統剛度的調整,并在岔區前后各設0.5 s列車走行距離的剛度過渡段.

法國有砟道岔采用VOSSLOH公司的skl12窄型彈條,軌下設置9 mm橡膠墊層,板下設置4 mm橡塑墊板;滑床臺部分軌下不設彈性墊層,板下設9 mm橡膠墊層;跟端固定區軌下及板下各設置4.5 mm橡膠墊層.鐵墊板與岔枕的聯結采用雙排Φ24高強螺栓結構,板下可設調高墊層,實現0～10 mm的調高量.不設軌距塊,軌距調整依靠鐵墊板端部的月牙擋塊實現,可實現-4～+2 mm的調距量.無砟道岔采用VOSSLOH公司W300扣件系統,采用skl15彈條,軌下設6 mm橡膠墊層,板下設12 mm彈性墊層.鑄鐵擋肩與岔枕上設V型槽與鑄鐵擋肩相配合,降低錨固螺栓受力點.板下通過調高墊層可實現-4～+26 mm的調高量,絕緣軌距塊與調整墊片相配合實現-4～+8 mm的調距量.采用了與區間線路相同的扣件系統剛度設計值,有砟道岔扣件系統靜剛度設計值為65±10 kN/mm,動靜剛度比≤2.0;無砟道岔扣件系統靜剛度設計值為26±2 kN/mm,動靜剛度比≤1.5.岔區不同部位處墊層剛度采用開孔設置進行微調,以保證道岔整體剛度最大值不超過區間線路的1.3倍.岔區與區間軌道之間未設剛度過渡段.

德國無砟道岔采用VOSSLOH公司的skl12窄型彈條,軌下設置6 mm橡塑墊片,采用平墊板或1∶40斜型墊板實現不同部位軌底坡要求;鐵墊板與彈性墊層硫化成一體形成彈性基板結構;鐵墊板與岔枕的聯結采用Φ30高強螺栓及帶緩沖偏心套的結構.板下通過調高墊層可實現-4～+26 mm調高量.彈條座與軌底之間不設置軌距塊,依靠偏心錐套可實現-12～+12 mm的調距量.在岔區剛度設計中,以鋼軌底部應力≤75 MPa 為前提,在23 t軸重作用下,道岔扣件系統豎向靜剛度設計值為17.5±1.5 kN/mm,動靜剛度比≤1.5.轍叉部位采用更低的剛度設計,對岔區其他部位各種尺寸的彈性基板,可通過調整板中肋條的數量、位置等使其扣件系統靜剛度均近似相等,設計中未考慮聯結鋼軌的“幫軌作用”.在道岔前后25根岔枕范圍內設置剛度過渡段.

3.2.4 軌下基礎

高速道岔軌下基礎分為有砟和無砟兩種形式,有砟道岔軌下基礎主要采用混凝土岔枕,無砟道岔軌下基礎有混凝土支撐塊、混凝土長枕埋入、混凝土道岔板、高分子合成枕等多種形式.法國道岔主要采用有砟道床和整體式預應力混凝土軌枕;德國重點發展整體式道床基礎,當采用碎石道床、整體混凝土岔枕基礎形式時,為解決整組道岔運輸及列車高速運行時長岔枕一端翹起和拍打道床引起的道砟粉化問題, 3.2 m以上的長岔枕用柔性鉸連接[50-51,65].我國高速有砟道岔主要采用整體式混凝土長岔枕結構,沿用提速Ⅲ型岔枕斷面,無砟道岔主要采用混凝土長枕埋入式和道岔板式兩種,岔枕采用垂直于直股的布置方式,岔枕間距按600 mm布置,岔枕長度按轉轍器部分100 mm、連接部分與轍叉部分150 mm進級.

3.2.5 轉換設備

道岔轉換設備是實現主、側向(定、反位)之間轉換的控制設備.法國高速道岔轉換設備采用一機多點牽引方式,在第一牽引點設置外鎖閉裝置,尖軌聯動,其他牽引點通過直角拐和導管由轉轍機間接鎖閉.德國則采用多機多點轉換方式,尖軌分動,由控制電路實現同步.我國亦采用多機多點牽引方式,各牽引點均采用分動鉤型外鎖閉方式,針對大號碼道岔,采用了不同動程的轉轍機和控制各牽引點啟動順序的辦法解決了長大尖軌同步平穩轉換的難題[35,50-51].

4 高速道岔的制造與鋪設

高速道岔精品化理念由系統化設計、精細化加工制造、逐組組裝、駐廠監造、集成供貨、精密鋪設等核心環節共同構成.高速道岔的高技術性能依賴于制造和組裝過程中的精細化程度,而高精密的鋪設施工則是確保道岔具有高平順性、可靠性從而實現高舒適度的關鍵.

4.1 生產工藝

為保證道岔制造的精度及平順性,我國高速道岔制造廠家均進行了裝備升級,引進了國際領先水平的大型設備,如數控龍門銑床、高精度的數控鋸鉆、大型鋼軌焊機和高噸位壓力機等.文獻[66-69]詳細介紹了高速道岔的生產過程,包括關鍵零部件的加工工藝、道岔廠內組裝試鋪設等過程.

為滿足高速道岔的高平順性、高舒適度和高可靠性的要求,文獻[70]對道岔制造過程中限位器、水平螺栓、間隔鐵等零件的優化設計進行了深入分析.文獻[71]采用有限單元法進行尖軌矯直研究,分析了加載支距、加載方式和加載量對尖軌矯直塑性變形、應力及尖軌線形的影響.文獻[72]研究了鋼軌矯直過程中殘余應力的控制方法.文獻[73]研究了高速道岔尖軌跟端的鍛造及淬火工藝,并提出了尖軌銑削時的合理切削參數.文獻[74]研究了鋼軌熱處理對提高鋼軌強度的影響,文獻[75]研究了鋼軌鍛造工藝對其強度的影響.

高速道岔作為擁有高精密度的機電一體化設備,應力爭在超長鋼軌變形控制、軌頂面通長加工、軌頭輪廓高精度控制、綜合防腐技術、零部件精細化制造等方面取得突破和創新.道岔中非對稱的鋼軌件在刨切加工后殘余應力會發生較大變化,在列車荷載作用下會導致尖軌、心軌發生扭轉變形,應開展鋼軌殘余應力仿真、測試及控制技術研究.此外,高速道岔組裝完成后各部件的相對位置及尺寸配合精度要求較高,需要開展加工誤差匹配、相消設計及部件選配研究,進一步完善質量管理體系.

4.2 運輸與吊裝

高速道岔的運輸方式主要有3種,第一種是散件運輸,這種運輸方式無需大型設備運輸及吊裝,但現場重新組裝時工作量較大,中國目前采用的是散件運輸;第二種是分塊運輸方式,德國的高速道岔主要采取這種方式;最后一種是整組運輸方式,這種運輸方式效率較低,歐洲高速鐵路道岔曾采用過這種方式.

高速鐵路道岔的鋼軌件為細長結構,在運輸、存放和運輸中極易發生不能恢復的塑性變形,而變形會影響道岔的精度和鋪設質量,因此,道岔的吊裝需要使用滿足要求的起重機械,且吊具應按標記位置起吊道岔組件[76-77].

文獻[78]提出了42號板式無砟道岔運輸采用汽車運輸短配軌、扣件系統,提前組裝,火車運輸長配軌、轍叉至現場,采用兩臺履帶吊,雙吊梁多點柔性起吊、移動一次就位的設計方案;文獻[79]研究制訂了普通平板車裝運42號道岔的運輸方案,探索出一種大號碼高速道岔的鐵路運輸方案.

4.3 鋪設技術

高速道岔的現場鋪設方法包括原位鋪設和移動鋪設兩種方法,原位鋪設需封鎖線路,一般適用于新建線路;而運營線路中道岔更換多采用移位法鋪設.

文獻[80]針對大號碼高速道岔的鋪設精度及運營穩定性要求,對道岔的鋪設工序進行了深入研究和實踐探索;文獻[81]簡要介紹了德國引進技術建造的高速道岔在現場鋪設時的主要施工工藝和流程;文獻[82]根據18號高速道岔在武漢鐵路局線上的鋪設和使用情況,提出了高速道岔鋪設的方法和質量控制.文獻[83]開發出客運專線無砟道岔精調系統,并應用于德國BWG公司生產的18號無砟道岔現場精調作業指導.

應加快研制高速道岔專用運輸車輛和鋪設機具,實現各型號高速道岔的分塊式運輸與鋪設.

5 高速道岔維護與管理

高速道岔的維修也應遵循與區間線路一致的“預防為主、防治結合、嚴檢慎修”基本原則,根據道岔狀態的變化規律,合理安排養護與維修,做到精確檢測、全面分析、精細修理,目標是有效預防和整治病害.同時,由于高速道岔結構的特殊性及其在鐵路運營安全中的重要地位,其養護維修標準更高.

5.1 檢測技術

高速鐵路道岔的檢測內容,主要包括道岔狀態及幾何尺寸檢查、道岔鋼軌檢查兩大部分.道岔狀態及幾何尺寸檢查遵循“動態檢查為主,動、靜態檢查相結合,結構檢查與幾何尺寸檢查并重”的原則.動態檢測設備主要有軌道檢測系統[84]、高速綜合檢測列車等.軌道靜態檢測設備一般包括道尺、弦繩、軌道相對幾何尺寸檢查小車、軌道絕對幾何尺寸測量車、軌道傷損多功能檢測小車、激光長弦軌道檢測小車、GPS慣性導航測量小車、鋼軌輪廓測量儀、鋼軌焊頭平直度測量儀、鋼軌波磨測量儀等.

道岔鋼軌的檢查主要包括鋼軌探傷和外觀及表面傷損檢查.鋼軌探傷采用以探傷車為主、探傷儀為輔的方式,對正線及道岔鋼軌進行周期性探傷,探傷車檢查發現的傷損采用探傷儀進行復核;對鋼軌外觀及表面傷損主要采用巡檢設備與人工巡視相結合的方式進行檢查.中國高速鐵路的鋼軌探傷設備主要有大型鋼軌探傷車和小型多通道探傷儀兩種,利用超聲波在鋼軌中傳播特性的優點,目前國內外的探傷車都采用了超聲波探傷技術.

為了更全面地掌握高速道岔的使用情況,文獻[85]基于嵌入式ARM微處理器以及嵌入式Linux操作系統開發平臺,設計了高速道岔檢測儀,能夠實時獲取列車通過道岔區間時的道岔軌距、尖軌密貼以及道床振動加速度的量值;文獻[86]使用數字化檢測和立體顯示技術相結合的方法,對道岔的磨損情況進行了研究和展示.

5.2 監測系統

高速道岔是軌道結構的薄弱環節,其尖軌及心軌因無扣件扣壓,一旦出現斷裂而未能發現,極易引發脫軌事故;同時道岔中各種零部件的干擾及對鋼軌軌底的遮蔽,上述探傷車及探傷儀均不易發現尖軌、心軌上出現的裂紋,即使這些鋼軌發生了折斷，由于其鐵墊板不絕緣將導致不能通過軌道電路及時發現.因此,高速道岔鋼軌折斷是一個重大的安全風險源.國內外均將監測系統作為高速道岔系統的標配,德國和法國高速道岔監測系統的主要工作是監控電務轉換設備的工作狀態.文獻[87]介紹了國外道岔狀態實時綜合監測系統的技術特點和系統構成;文獻[88]設計了一種具有故障診斷功能的道岔監測系統,解決了監測系統的非實時性和狀態信息量少等問題.已研制出基于壓電能量法的道岔鋼軌裂紋監測等裝置,形成了新一代高速道岔工電集成的監測平臺,填補了國內外高速道岔安全監測的空白[89].

5.3 道岔傷損

高速道岔部件傷損與岔區復雜的輪軌關系密切相關,而且道岔傷損還會增大輪軌動力作用或誘發轉換設備故障,因輪軌關系的改變導致晃車,嚴重時會引起列車脫軌事故[90].

道岔部件傷損包含了區間線路軌道所有的傷損形式且具有特殊的傷損特點.與區間軌道一樣,道岔鋼軌件的典型傷損形式有磨損、鋼軌壓潰、塑性流變等塑性累計變形,以及鋼軌裂紋、剝離、掉塊等滾動接觸疲勞等傷損形式[40,91],其特殊性是由道岔的結構型式引起的,如尖軌或心軌薄弱處開裂、曲尖軌側磨嚴重磨耗、尖軌掉塊及魚鱗傷等[92-93].

5.4 平順性管理

由于高速道岔的應用數量較多,受不同生產商制造水平、不同施工隊伍鋪設水平的限制,以及不同類型動車組、不同基礎類型等運營條件的影響,復雜環境中的高速道岔性能和狀態差異顯著.在設計、制造、鋪設和養護過程中,需要根據具體工況對高速道岔的平順性進行系統的控制和協調.目前,高速道岔不平順性主要有3類,第1類是輪軌關系不良引起的結構不平順,例如,尖軌降低值過大會導致車體橫向振動加速度超限[94];第2類是道岔幾何不平順,例如,道岔長波不平順導致車體橫向振動加速度超限,鋼軌扎制周期性不平順導致輪重減載率超限等;第3類是道岔狀態不平順,例如,滑床臺離縫對輪軌系統的豎向動力響應影響較大,鋼軌之間的離縫對輪軌系統的橫向動力響應影響較大,轉換不足位移對輪軌橫向動力相互作用的影響較大,岔枕空吊對道岔轉轍器部分的軌道框架保持十分不利等.因此可考慮通過優化輪軌接觸關系或軌道剛度均勻化來控制道岔固有結構不平順，通過提高制造、組裝和鋪設精度來控制道岔各部件間的離縫等動態不平順，通過道岔精調和嚴格的動態驗收標準來控制道岔的幾何不平順.

5.5 道岔區鋼軌打磨

世界范圍內鋼軌打磨的研究已經有超過50年的歷史,鋼軌打磨的主要思路有兩種,一種是通過鋼軌打磨來消除鋼軌走行表面的疲勞破壞層,該方法的主要目的是減緩滾動疲勞接觸帶來的鋼軌傷損;另一種是通過鋼軌打磨改善輪軌接觸關系,從而降低輪軌相互動力作用.這兩種思路的最終目的都是延長鋼軌的使用壽命[95-96].鋼軌打磨可分為預打磨、預防性打磨和修理性打磨三類.鋼軌預打磨應在軌道精調完成后進行,主要目的是去除低碳表皮、調整目標鋼軌斷面、消除施工車輛對鋼軌的損傷;鋼軌預防性打磨周期按通過總重和鋼軌運用狀態確定,原則上每30～50 Mt通過總重打磨一次,最長不宜超過2年;當鋼軌出現波磨、魚鱗裂紋等傷損時,應及時進行修理性打磨[97-98].

道岔中鋼軌損壞的主要原因是車輪走行對鋼軌形成的磨耗和疲勞破壞.輕度磨耗能增大車輪與軌道鋼軌的共形程度[99],而深度磨耗則會造成輪軌接觸幾何關系的進一步惡化,最終導致道岔鋼軌損壞.高速道岔鋼軌斷面多變,車輪與鋼軌的接觸關系較為復雜,研究道岔鋼軌打磨能夠有效減緩和優化輪軌相互作用,對延長道岔使用壽命及提高行車平穩性有重大意義.應根據不同的運營條件進行有針對性地研究高速道岔鋼軌打磨,例如,當高速道岔直向通過車輛占很大比例時,研究通過鋼軌打磨的方式提升高速道岔直向平順性就具有重要意義.

5.6 發展趨勢

(1) 高效快速的高速道岔檢測技術

針對影響高速道岔長期安全服役的關鍵檢測內容,開展幾何不平順高效檢測、道岔結構及部件傷損檢測、軌道剛度移動檢測的理論與方法研究,探索構建面向工務維護及實時反饋的檢測評估體系.

(2) 高速道岔狀態實時獲取技術

建立高速道岔狀態實時感知、性能參數實時辨識的動態數字化平臺,重點研究高效實時精準的設備及運營狀態傳感機理;多源異構海量信息時空同步及融合機制;信號系統大數據分析理論及實時在線預測預警模型等,實現高速道岔安全狀態、參數的實時監控.

(3) 高速道岔運營安全評估技術

建立基于線路狀態和自然環境的高速道岔安全仿真評估模型庫等.有效結合仿真和試驗實現高速道岔及其運營環境各種狀態識別、故障診斷和安全評估，逐步實現高速道岔的自我認知、自我狀態評估和智能決策支持等功能.

(4) 基于大數據的高速道岔健康管理及故障預測系統(prognostics and health management, PHM)

針對高速道岔的設計、制造、施工和管養信息長期分割零散、共享應用困難,導致其全壽命周期信息不一致的問題.圍繞高速道岔全生命周期發展預測與健康管理技術(PHM),采用云計算、故障診斷、人工智能等技術手段對高速道岔長期狀態數據進行建模、分析和挖掘,提取高速道岔先驗故障特征,掌握高速道岔各項性能指標全生命周期過程的演變規律,探索各結構部件在不同生命階段的真實耦合模型,實現道岔各部件全生命周期的安全度量.

(5) 高速道岔安全保障技術

針對高速道岔動態性能演變及服役安全基礎問題,研究環境與動荷載耦合作用下工程材料與結構動態性能演化規律,研究高速道岔基礎結構累積變形與軌面幾何形態的空間映射關系,揭示高速列車/道岔的動態相互作用演化機制,提出確保高速道岔性能演變與狀態控制的準則與方法.最終為高速道岔的運營安全與維護保障提供理論與數據支撐,大力提升高速道岔主動安全能力.

(6) 高速道岔養修技術

為長期保持高速道岔的高技術性能,應結合高速道岔自身特點,研發道岔專用養修機具,并積累經驗探索出一套針對高速道岔的養修模式,形成高速道岔全生命周期能效保持技術體系.

6 結束語

軌道結構是高速列車安全平穩運行的走行基礎,要求具有高平順性與高穩定性,而道岔集成了軌道結構的所有薄弱環節與技術特征,涉及鐵道工程、土木工程、機械工程、電氣工程、控制工程、信息工程、材料、力學及檢測等學科領域,是高速鐵路發展建設中的核心技術之一.高速鐵路道岔系統理論的形成和工程應用的成功標志著我國高速鐵路軌道行業整體技術已達到了世界先進水平.

根據一帶一路、高鐵走出去、中國制造2025先進軌道交通裝備,以及未來軌道交通技術發展等國家和行業戰略需求,高速道岔技術仍面臨著嚴峻的技術挑戰,需要進一步解決設計、制造與鋪設、服役狀態診控和性能維護等全壽命周期中的重大基礎科學和前沿技術問題,深度融合先進材料與制造、大數據與云計算、精密測控與效能提升、智能與自動化等先進技術,開展前瞻性、綜合性的基礎研究與技術創新,提升我國高速鐵路軌道結構技術的創新能力,服務于軌道交通國家戰略和行業科技進步,為實現由感知、匯聚、記憶、認知、評估五大平臺構成的智慧化高速鐵路奠定堅實的基礎.

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王平(1969-),教授,博士,博士生導師,1994年起至今任職于西南交通大學土木工程學院，現任道路與鐵道工程系主任和高速鐵路線路工程教育部重點實驗室主任.研究方向為高速重載軌道結構及軌道動力學、鐵路軌道不平順及動力學、重載鐵路鋼軌波形磨耗、提速改造線路軌道結構強化、提速線路維護技術、跨區間無縫線路設計理論與方法、城市軌道交通減振降噪，以及高速鐵路道岔設計理論、方法與評估技術.承擔國家自然科學基金項目、“863”計劃項目、中國鐵路總公司科技開發計劃項目、四川省科技支撐計劃項目和企業委托課題50余項;獲得省部級科技進步一等獎以上獎勵7項,其中主持3項;獲國家授權發明專利16項,出版“十一五、十二五”國家重點圖書4部.國家杰出青年科學基金獲得者,先后兼任過國務院高速鐵路安全大檢查專家組副組長、中國高速鐵路道岔國產化研發理論組組長、科技部“十三五”國家科技計劃重大專項咨詢專家、國家自然科學基金委員會工程與材料組評審組成員、中國國家鐵路局技術標準委員會委員、中國鐵道學會工程分會委員.

E-mail: wping@home.swjtu.edu.cn

陳嶸(1981—),副教授,博士,博士生導師, 2009年起至今任職于西南交通大學土木工程學院,研究方向為高速與重載鐵路軌道結構與軌道動力學、城市軌道交通軌道新結構及減振降噪技術.承擔國家自然科學基金項目、中國鐵路總公司科技開發計劃項目、四川省科技支撐計劃項目和企業委托課題10余項;獲得省部級科技進步一等獎以上獎勵7項;獲國家授權發明專利11項,出版學術專著1部、譯著1部.2014年入選西南交通大學高層次師資隊伍建設“竢實之星”培養計劃.現為國家自然科學基金項目評審專家、《鐵道學報》等多個期刊特邀審稿人、美國機械工程師協會 (ASME)會員,高速鐵路軌道四川省創新團隊骨干成員.

E-mail: chenrong@home.swjtu.edu.cn

(中文編輯:秦萍玲 英文編輯:蘭俊思)

Theories and Engineering Practices of High-Speed Railway Turnout System: Survey and Review

WANGPing,CHENRong,XUJingmang,MAXiaochuan,WANGJian

(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to promote the development of the high-speed railway turnout industry, the academic research situation, problems, concrete countermeasures and development trend in the field of the international high-speed railway turnout were reviewed systematically, including the components selection and structures design idea, the high-speed train/turnout coupling dynamic analysis, the design method of jointless turnout on different track foundation, the reasonable stiffness and homogenization design, the switching analysis of long moveable rails, the dynamic and static strength analysis of key joint components, the dynamic performance test technology, the turnout plane alignment and structure design in diverging lines, turnout manufacturing and laying, turnout maintenance and management, etc. However, in order to adapt to the development of the future rail transit technology, the high-speed railway turnout industry is still facing severe technical challenges. For example, the next generation of the high-speed railway turnout has problems such as the adaptability in the complex environment, the whole life cycle of design, the wheel/rail matching and the optimization of the train-turnout dynamic performance, the R&D and application of new materials and structures, the real-time acquisition and assessment of turnout condition parameters, the health management and fault prediction, the maintenance of capacity and effectiveness. In order to solve these problems, some cutting-edge technologies in advanced materials and manufacturing, intelligent and automation, big data and cloud computing, precision measurement and control, efficiency improvement, etc., need to be deeply integrated into the high-speed turnout system to enhance the original innovation ability of China in this field. Through the current situation and problem analysis, this review is expected to provide new perspectives and basic data for the academic research and technological innovation of the railway engineering disciplines.

high-speed railway turnout; design theory; plane alignment; structural components; manufacturing and laying; maintenance and management

2015-11-18

國家自然科學基金資助項目(51425804,51378439); 高速鐵路基礎研究聯合基金資助項目(U1334203,U1234201)

王平,陳嶸,徐井芒,等. 高速鐵路道岔系統理論與工程實踐研究綜述[J]. 西南交通大學學報,2016,51(2): 357-372.

0258-2724(2016)02-0357-16

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.015

U213.6

A