鐵路道岔設計的要求及原則

董 彥 錄

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

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鐵路道岔設計的要求及原則

董 彥 錄

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

結合我國道岔技術發展現狀，從車輛運行安全性、線路適應性、行車舒適性、養護維修及經濟環保等方面，對鐵路道岔結構設計時應遵循的要求及原則等進行介紹，對提升道岔結構設計的安全性、適用性及經濟性等具有一定的參考價值。

鐵路軌道,道岔,結構設計

0 引言

道岔是鐵路軌道的重要組成部分，是實現機車車輛轉線或跨線過軌的基本設備，也是線路的薄弱環節以及影響行車平穩性與安全性的關鍵設備。

自1996年鐵路既有線首次提速以來，經過六次大面積提速和高速鐵路道岔的建設，我國鐵路道岔的研究與設計技術取得了較快的發展，已達到國外先進水平。

道岔結構復雜，零件較多，其結構穩定直接影響行車安全。因此，在道岔設計時，要保證列車以規定的容許速度安全、平穩地通過道岔，并且有足夠的安全性和穩定性，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定性的直接體現者。道岔用鋼軌選型時，應與線路上的鋼軌采用同一類型或強度不低于線路鋼軌。另外，為了延長鋼軌件使用壽命，減小養護維修工作量，在鋼軌選用上，應結合原鐵道部運輸局編寫的《鋼軌使用指導意見》進行合理選用。

1.2間隔設計

道岔區存在著車輪與多根鋼軌接觸以及輪載過渡情形，其輪軌關系遠比區間線路復雜，是影響行車安全與限制運行速度的薄弱點。因此，道岔設計時，必須結合機車車輛的輪對尺寸、固定軸距等走行部分的輪對尺寸，對各部輪緣槽寬度、咽喉寬度、查照間隔、護背距離等間隔尺寸進行計算，保證尖軌、心軌開口量等間隔在容許限度內，不發生車輪撞擊軌件等事故。

1.3線型及結構設計

為保證道岔安全使用，首先，要合理設計道岔平面線型，控制尖軌、護軌及翼軌緩沖段沖擊角大小，使車輪撞擊的動能損失不超過容許值。其次，道岔構件應具有足夠的強度和剛度，設計時，一般根據機車車輛軸重、牽引類型、列車通過道岔時的速度及年貨運通過總重等進行計算，以保證各零件在機車車輛的載荷沖擊下，由于彎曲和扭曲產生的應力、岔枕的承壓應力，以及道岔的軌下基礎等，均不超過容許限度。

1.4安全性指標

為保證行車安全、穩定，要求機車以設計速度直、側向通過道岔時，其減載率、脫軌系數、輪軸橫向力等安全性指標與區間線路相同。

1.5電務轉換設備

電務轉換設備除在道岔轉換過程中，保證動程在允許范圍內外，還須保證轉換后鎖閉牢固，不得因異物落入尖軌與基本軌、心軌與翼軌密貼區段或因異物撞彎轉換桿件而導致車輪掉道，不因尖軌、心軌的伸縮超過鎖閉機構的容許位移而出現轉換卡阻現象。必要時，也可設置監測系統，以便及時發現異常轉換、密貼超限、鋼軌折斷等危及行車安全的故障與隱患。對于我國北方等寒冷地區，應考慮安裝融雪裝置，以確保雨雪天氣情況下不出現積雪、積冰而影響正常轉換。

2 適應性要求

2.1通過速度

道岔要求直向容許通過速度與區間線路相同，不能成為鐵路線路的限速設備，為確保道岔安全性，一般情況下，直向設計速度需預留10%安全余量，側向通過速度需預留10 km/h的安全余量。在道岔結構設計方面，需按照《鐵路技術管理規程》的相關規定，合理選用可動心軌或固定型轍叉道岔。

2.2線路運營要求

道岔作為線路運行中必不可少的軌道設備，設計時，要緊密圍繞線路運營要求進行設計，須考慮：運營模式(客運、貨運、客貨混運等)、道岔鋪設的位置(正線、到發線、車輛段)、道岔主要平面參數(全長、前后長等)、機車軸重、機車參數(輪對內側距及偏差、輪緣厚度及偏差、轉向架軸距等)、相關氣溫資料(用于確定無縫道岔軌溫變化幅度)等設計，滿足運營要求。

2.3使用壽命

國內外研究表明，軌道的失效程度與軌道荷載指數、機車車輛性能、運量、速度成正比關系。道岔設計以運營速度、機車軸重、運量等為主要指標。根據現行的《鐵路線路修理規則》《高速鐵路有砟軌道線路維修規則》《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》的相關要求及鐵路道岔產品相關技術規范，目前各類道岔的使用壽命可參考表1～表3內容。

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(無砟)尖軌、心軌、叉跟尖軌出現不良狀態或傷損時，應依據《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》(鐵運[2012]83號)的相關規定進行修理或更換。

3 舒適性要求

道岔區由于機車轉向的需要，車輪在基本和尖軌、翼軌與心軌上存在轉移過渡。在逆向、順向進岔時，過渡是否平順，主要與尖軌相對基本軌、心軌相對翼軌的降低值設計、軌道岔剛度取值及均勻化等技術相關，同時與車體橫向和垂向加速度有關。

3.1降低值

降低值對輪軌垂直力在尖軌、基本軌以及心軌與翼軌間的過渡有重要影響，也關系列車過岔的平穩性。不設降低值，會導致尖軌或心軌尖端小斷面直接受力而壓潰；合理設計降低值，能調整輪軌垂直力，從而提高道岔的平順性和列車過岔的平穩性。降低值過小，輪載的轉移區段過短，會降低尖軌使用壽命，且在結構上不易實現，而降低值過大，則會導致輪載的轉移必須要在較長的距離內完成，會造成較大的橫向和垂向不平順。通過線路調研及相關試驗，在目前技術情況下，降低值為零處，尖軌軌頭寬度不應小于半個軌頭寬度，不應大于55 mm。

3.2舒適性

列車逆、順向通過道岔時，保證機車車輛安全。平穩地運行，旅客感受的動力逐漸增加，為保證旅行舒適，目前，道岔設計主要通過控制：車輛通過道岔時，其車輪輪緣對道岔部件沖擊產生的動能損失ω、車輛通過道岔側線產生的未被平衡的離心加速度α及車輛通過道岔側線，在單位時間內未被平衡的離心加速度增量φ這三個參數來控制類車運行在道岔側線上所產生的橫向力影響。目前，一般道岔設計時，上述3個基本參數的容許值一般采用：ω0=0.65 km2/h2,α0=(0.5～0.65) m/s2,φ0=0.5 m/s3。

3.3剛度均勻化

剛度是影響軌道結構荷載、輪軌相互作用和結構振動的重要因素。在道岔區范圍內，由于鋼軌類型不一、岔枕、鐵墊板長度差異，再加之存在滑床板、護軌墊板、間隔鐵、限位器等復雜零件，使得岔區整體剛度分布不均勻，影響過岔平穩性、平順性、舒適性。

道岔區軌道剛度的合理設置主要研究扣件系統垂向剛度的合理設置，同時考慮扣件系統垂向剛度對軌距擴大的影響。一般認為，扣件系統低剛度的目標值以20 kN/mm為限。道岔的均勻化設置一般是將道岔區分為轉轍器、導曲線及轍叉三個單元，利用有限元和仿真分析的方法進行剛度設計，通過改變軌下、板下墊層幾何尺寸和溝槽形狀的方式，調整不同部位墊層的剛度，使道岔區的剛度與岔區線路基本一致，從而達到剛度均勻化的目的。

3.4無縫化

無縫線路是與重載高速相適應的軌道結構，由于最大限度的減少了鋼軌接頭，線路的平順性和整體強度顯著提高。在無縫線路用道岔設計中，要考慮我國南北地區溫差較大，道岔要能適應不同軌溫差地區跨區間無縫線路的鋪設，另外，還需考慮：岔區零部件(比如轍叉)與線路鋼軌的焊接；岔區傳力結構設計(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度，減緩伸縮位移)；各部位螺紋聯結副緊固扭矩檢算(扣件系統聯結螺栓、長翼軌末端間隔鐵、尖軌跟端間隔鐵聯結螺栓、可動心軌聯結螺栓、合金鋼組合轍叉聯結螺栓、頂鐵或防跳卡鐵聯結螺栓等)；道岔轉換、鎖閉、監測結構適應尖軌心軌伸縮；在車站無縫道岔群設計時，應考慮兩道岔間夾直線長度的影響。

4 養護維修

由于道岔維修只能在很短的封鎖點內進行，因此，在道岔設計中，要求零部件盡可能少和養護維修工作量小，這就要求：首先，各零件設計強度儲備高，更換便捷，在高速行車及溫度等荷載作用下，在期望的適用壽命周期內不產生疲勞傷損和顯著的殘余變形。另外，更換方便省時，在天窗時間內方便、快捷的更換，保證線路開通；其次，零件設計結構穩定。比如：鋼軌材質潔凈，與線路鋼軌強韌性匹配、殘余應力低、可焊性好；扣件系統保持軌距能力強、鋼軌及鐵件防腐性能好、橡膠及尼龍件損傷、老化速率低；螺栓連接副在列車振動下不易松弛等；最后，隨著網絡技術的發展，可采用遠程監控的方式，開發道岔零部件使用狀態監測(比如軌件密貼狀態、磨耗、傷損情況等監控)，做到有序可控，科學養護，以適應軌道設備邊運營、邊傷損、邊維修的工作特點。

5 經濟性

為提高道岔產品經濟性，降低制造成本，道岔各部位同類型零件應盡量做到統一尺寸，簡化品種，便于互換和通用。單一零件設計時，應簡化結構型式，具有良好的工藝性，零件制造材料的選擇應經濟合理。

6 綠色環保要求

隨著綠色、智能、制造步伐的加快，對道岔的生產制造也提出了很高的環境要求。在道岔制造全過程中，須考慮不增加或減少對環境的污染。比如：避免采用電鍍、涂油等對環境存在污染的制造工藝。另外，由于道岔中的各個部件處于振動環境中，振動形成的噪聲污染也須考慮，一方面通過提高道岔的平順性來降低輪軌系統振動，另一方面在進行部件設計時，選用具有良好減振性能的扣件系統，減小動力不平順性。

7 結語

道岔是由眾多零部件組合而成，集中了鋼軌、扣件、軌枕等軌道結構技術，同時，又涉及車輛輪軌關系、電務轉換、監測、機械化鋪設與養護等專業接口技術，系統復雜，技術難度大，是一項系統工程，設計過程中，除按照上述基本要求和原則做好道岔安全等設計工作外，應積極吸收國內外先進技術，采用動力強度及可靠性設計方法，使道岔各部件強度、使用壽命相互匹配，減小養護維修工作量，同時，要向智能化方向發展，進行預防性維修，降低維修成本，保證行車安全。

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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，高級工程師

U213.6

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