摘要：高速铁路道岔是实现列车线路灵活转换的关键部件，但它们也是导致动态不平顺的主要来源，尤其是在列车分流进入侧线时，可能导致列车严重晃动。本文深入探讨了造成这一现象的多方面原因，重点关注设计、制造、安装和维护等方面。文章探讨了轨道几何形状、车辆动力学和列车速度之间错综复杂的相互作用，并提出了潜在的改进和进一步研究领域，以提高高速铁路网络的乘坐舒适性和运营安全性。
1. 引言
高速铁路（HSR）系统的设计旨在以高速提供最佳的乘坐舒适性和安全性。然而，乘客和铁路运营方都会遇到的一个持续挑战是，列车在通过道岔时，特别是转向侧线时，会产生明显甚至严重的晃动。这种现象不仅影响乘客的舒适度，还可能加速轨道部件和机车车辆的磨损，从而可能随着时间的推移影响运营安全。鉴于高级工程师在铁路基础设施维护方面的丰富经验，理解这些根本原因对于制定有效的缓解策略至关重要。
2. 高速道岔的理解
道岔是一种机械装置，用于引导列车从一条轨道转向另一条轨道。高速道岔是复杂的结构，比传统道岔更长、更坚固，其特点是具有特殊部件，如可动心轨（摆动心轨）和更长的尖轨，以适应更高的速度并最大限度地减少动态冲击。其设计旨在提供平稳的过渡，但轨道几何形状固有的不连续性，特别是曲率和轨距的变化，给保持车辆稳定动力学带来了根本性挑战。
3. 导致严重晃动的关键因素
列车在道岔侧线上的严重晃动是几个相互关联因素共同作用的结果：
3.1 轨道几何不规则性
轨道几何形状可以说是最关键的因素。即使制造和安装精确，偏差也无可避免。
扭曲和弯曲：指轨道超高（坎特）沿线的变化。当列车进入道岔，特别是曲线侧线时，超高的快速变化会引起显著的横向滚动运动。如果超高变化率过大，或者存在局部凹陷或凸起，可能导致轮轨接触力突然变化，引起晃动。
轨距不规则性：轨距（钢轨之间的距离）的变化会导致轮对横向摆动。在道岔上，为便于车轮通过，轨距在某些点故意加宽。然而，制造公差或磨损可能导致轨距偏离设计值，特别是在尖轨区和辙叉区，从而导致动态不稳定。
线路平顺性和高低偏差：道岔结构内部的纵向平顺性（水平曲线）和高低（坡度和竖曲线）不规则性会产生俯仰和弹跳运动，这些运动随后可能与横向滚动运动耦合，放大晃动效应。
缓和曲线设计：引入和引出道岔主曲线的缓和曲线设计至关重要。设计或施工不当的缓和曲线会因列车试图适应变化的曲率而引入急促的运动。
3.2 车辆动态响应
机车车辆的动态特性在列车对轨道不规则性的响应方式中起着重要作用。
悬挂系统特性：铁路车辆的一系和二系悬挂系统旨在吸收振动并保持乘坐舒适性。然而，如果这些悬挂系统的固有频率与道岔几何形状引起的激励频率（例如，以特定速度通过某个不连续点）重合，就可能发生共振，显著放大晃动运动。阻尼特性也至关重要；阻尼不足可能导致长时间振荡。
轮轨相互作用：车轮轮廓与钢轨踏面之间的接触非常复杂。在道岔上，由于曲率和轨距的变化，轮轨接触点动态变化。非最佳的车轮轮廓或车轮或钢轨的过度磨损可能导致不良的接触条件，增加滑动和摩擦，并产生不稳定的横向力，从而导致晃动。具体问题包括：
“蛇行”失稳：在某些速度下，轮对可能表现出自激振荡，即蛇行，这会因轨道不规则性而加剧，尤其是在道岔中发现的不规则性。
轮缘接触：车轮轮缘与钢轨过度或突然接触，特别是在心轨区或急曲线中，会产生显著的横向冲击，并导致严重晃动。
3.3 速度和列车参数
横向加速度：当列车通过曲线时，会经历横向加速度。在道岔的曲线侧线上，这种加速度通过超高得到补偿。然而，如果列车速度与该曲线的平衡速度显著偏离（例如，高于为坎特设计的速度），或者坎特不足，它将经历未补偿的横向加速度，导致被向外推的感觉，并引起倾斜或晃动。
非簧载质量和轴重：较高的非簧载质量（不受悬挂系统支撑的部件，如车轮和车轴）可以将更多的直接冲击从轨道不规则性传递到车体，从而导致晃动。同样，较高的轴重可以放大通过悬挂系统传递的力，可能导致更大的动态响应。
3.4 制造、安装和维护缺陷
即使设计理论上完美，实际执行和持续的维护也至关重要。
制造公差：尽管高速道岔按照严格的规范制造，但允许公差范围内的微小偏差可能累积，导致局部不规则性，从而引发动态响应。
安装精度：道岔安装的精度直接影响其性能。安装过程中捣固、道砟压实或钢轨对齐的缺陷可能产生“软点”或错位，从而加剧晃动。
维护质量：
及时准确的捣固：在动态载荷作用下，道砟退化和沉降会导致轨道几何形状恶化。定期和精确的捣固对于恢复轨道高低和方向至关重要。捣固不足或不均匀会加剧扭曲和高低不规则性。
钢轨打磨和磨耗管理：钢轨磨耗，特别是波磨和廓形退化，会显著恶化轮轨相互作用。适当的钢轨打磨对于保持最佳廓形和减少动态力至关重要。同样，道岔部件（例如，尖轨、辙叉）的磨损可能产生间隙或台阶，导致冲击。
部件状况：磨损或损坏的道岔部件，如磨损的轨枕、松动的扣件或退化的轨下垫板，会损害轨道结构的刚度和稳定性，导致动态响应增加。
检查频率和质量：不足的检查制度可能无法及时发现正在形成的几何缺陷或部件磨损，使其升级并导致严重晃动。
4. 缓解策略和未来方向
解决严重晃动需要采取全面的方法：
改进道岔设计：进一步优化缓和曲线、超高坡道和部件刚度。探索先进材料和设计，最大限度地减少不连续性。
提高制造精度：利用先进的制造技术，实现更严格的公差。
先进安装技术：采用具有高精度GPS和激光制导系统的自动化铺轨和捣固机械，以确保从一开始就获得最佳几何形状。
主动和预测性维护：
持续轨道几何监测：实施实时或频繁的高速轨道几何测量系统，以在缺陷变得关键之前发现其发展。
高级诊断工具：利用无损检测（NDT）技术，早期发现道岔部件的材料疲劳或隐藏缺陷。
优化打磨方案：根据磨损模式和动态响应，制定数据驱动的钢轨打磨计划。
智能道岔：集成传感器，持续监测部件健康、温度和动态响应，实现预测性维护。
车辆-轨道相互作用优化：研究机车车辆的主动悬挂系统，该系统可以动态适应轨道不规则性并减轻晃动。
速度管理：根据实时轨道状况或已知存在严重晃动的特定道岔特性，实施动态速度限制。
5. 结论
列车在通过高速铁路道岔，特别是侧线时，出现的严重晃动是一个复杂的问题，它源于轨道几何不规则性、车辆固有动态响应以及制造、安装和维护精度等多方面因素的共同作用。作为一名在铁路基础设施方面拥有丰富实践经验的高级工程师，关键的认识是：持续关注轨道维护，并结合设计、制造和诊断技术的进步，至关重要。通过细致地解决每一个影响因素，铁路运营方可以显著提升乘客舒适度，延长资产寿命，并维护现代高速铁路系统所应具备的高安全标准。这项持续的努力体现了铁路维护技术创新方面的承诺。
