铁路道岔设计的要求及原则

2021年7月31日00:00:40
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0 引言

道岔是铁路轨道的重要组成部分,是实现机车车辆转线或跨线过轨的基本设备,也是线路的薄弱环节以及影响行车平稳性与安全性的关键设备。

自1996 年铁路既有线首次提速以来,经过六次大面积提速和高速铁路道岔的建设,我国铁路道岔的研究与设计技术取得了较快的发展,已达到国外先进水平。

道岔结构复杂,零件较多,其结构稳定直接影响行车安全。因此,在道岔设计时,要保证列车以规定的容许速度安全、平稳地通过道岔,并且有足够的安全性和稳定性,必要的旅客舒适度。

1 安全性要求

1.1 钢轨选型

钢轨是轨道不平顺的直接载体和轨道稳定性的直接体现者。道岔用钢轨选型时,应与线路上的钢轨采用同一类型或强度不低于线路钢轨。另外,为了延长钢轨件使用寿命,减小养护维修工作量,在钢轨选用上,应结合原铁道部运输局编写的《钢轨使用指导意见》进行合理选用。

1.2 间隔设计

道岔区存在着车轮与多根钢轨接触以及轮载过渡情形,其轮轨关系远比区间线路复杂,是影响行车安全与限制运行速度的薄弱点。因此,道岔设计时,必须结合机车车辆的轮对尺寸、固定轴距等走行部分的轮对尺寸,对各部轮缘槽宽度、咽喉宽度、查照间隔、护背距离等间隔尺寸进行计算,保证尖轨、心轨开口量等间隔在容许限度内,不发生车轮撞击轨件等事故。

1.3 线型及结构设计

为保证道岔安全使用,首先,要合理设计道岔平面线型,控制尖轨、护轨及翼轨缓冲段冲击角大小,使车轮撞击的动能损失不超过容许值。其次,道岔构件应具有足够的强度和刚度,设计时,一般根据机车车辆轴重、牵引类型、列车通过道岔时的速度及年货运通过总重等进行计算,以保证各零件在机车车辆的载荷冲击下,由于弯曲和扭曲产生的应力、岔枕的承压应力,以及道岔的轨下基础等,均不超过容许限度。

1.4 安全性指标

为保证行车安全、稳定,要求机车以设计速度直、侧向通过道岔时,其减载率、脱轨系数、轮轴横向力等安全性指标与区间线路相同。

1.5 电务转换设备

电务转换设备除在道岔转换过程中,保证动程在允许范围内外,还须保证转换后锁闭牢固,不得因异物落入尖轨与基本轨、心轨与翼轨密贴区段或因异物撞弯转换杆件而导致车轮掉道,不因尖轨、心轨的伸缩超过锁闭机构的容许位移而出现转换卡阻现象。必要时,也可设置监测系统,以便及时发现异常转换、密贴超限、钢轨折断等危及行车安全的故障与隐患。对于我国北方等寒冷地区,应考虑安装融雪装置,以确保雨雪天气情况下不出现积雪、积冰而影响正常转换。

2 适应性要求

2.1 通过速度

道岔要求直向容许通过速度与区间线路相同,不能成为铁路线路的限速设备,为确保道岔安全性,一般情况下,直向设计速度需预留10%安全余量,侧向通过速度需预留10 km/h 的安全余量。在道岔结构设计方面,需按照《铁路技术管理规程》的相关规定,合理选用可动心轨或固定型辙叉道岔。

2.2 线路运营要求

道岔作为线路运行中必不可少的轨道设备,设计时,要紧密围绕线路运营要求进行设计,须考虑: 运营模式( 客运、货运、客货混运等) 、道岔铺设的位置( 正线、到发线、车辆段) 、道岔主要平面参数( 全长、前后长等) 、机车轴重、机车参数( 轮对内侧距及偏差、轮缘厚度及偏差、转向架轴距等) 、相关气温资料( 用于确定无缝道岔轨温变化幅度) 等设计,满足运营要求。

2.3 使用寿命

国内外研究表明,轨道的失效程度与轨道荷载指数、机车车辆性能、运量、速度成正比关系。道岔设计以运营速度、机车轴重、运量等为主要指标。根据现行的《铁路线路修理规则》《高速铁路有砟轨道线路维修规则》《高速铁路无砟轨道线路维修规则》的相关要求及铁路道岔产品相关技术规范,目前各类道岔的使用寿命可参考表1 ~ 表3 内容。

表1 普速、提速道岔使用寿命

道岔部件 使用寿命 参考的标准或技术条件
尖轨 ≥300Mt 《60kg/m钢轨提速道岔技术条件》-铁工务函[1996]313号
可动心轨辙叉 ≥300Mt 《60kg/m钢轨提速道岔技术条件》-铁工务函[1996]313号
高锰钢辙叉 ≥100Mt 《高锰钢辙叉技术条件》TB/T447—2004
合金钢辙叉 ≥200Mt 《合金钢心轨组合辙叉技术条件(暂行)》
运基线路2005]230号
注:其他未注部件按《铁路线路修理规则》(铁运[2006]146号)3.9.7~3.9.10项要求及本说明表4要求执行

表2  27 t 轴重重载道岔使用寿命

道岔部件 使用寿命 参考的技术条件
直尖轨 直向通过总重≥400Mt 《27吨轴重重载道岔暂行技术条件》—(铁路总公司TJ/GW137—2015)
曲尖轨 侧向通过总重≥100Mt
固定型辙叉 心轨不加宽 直、侧向通过总重≥300Mt
心轨加宽 直、侧向通过总重≥450Mt
橡胶垫板 通过总重≥700Mt或10年
预埋件 ≥30年
岔枕 ≥60年

表3 30 t 轴重重载道岔使用寿命

道岔部件 使用寿命 参考的技术条件
高锰钢组合式辙叉 ≥250Mt 《30吨轴重高锰钢组合辙叉技术条件(暂行)》—(铁路总公司TJ/GW109—2013)
合金钢辙叉 ≥250Mt 《30吨轴重合金钢组合辙叉技术条件(暂行)》—(铁路总公司TJ/GW108—2013)

高速道岔( 无砟) 尖轨、心轨、叉跟尖轨出现不良状态或伤损时,应依据《高速铁路无砟轨道线路维修规则》( 铁运[2012]83号) 的相关规定进行修理或更换。

3 舒适性要求

道岔区由于机车转向的需要,车轮在基本和尖轨、翼轨与心轨上存在转移过渡。在逆向、顺向进岔时,过渡是否平顺,主要与尖轨相对基本轨、心轨相对翼轨的降低值设计、轨道岔刚度取值及均匀化等技术相关,同时与车体横向和垂向加速度有关。

3.1 降低值

降低值对轮轨垂直力在尖轨、基本轨以及心轨与翼轨间的过渡有重要影响,也关系列车过岔的平稳性。不设降低值,会导致尖轨或心轨尖端小断面直接受力而压溃; 合理设计降低值,能调整轮轨垂直力,从而提高道岔的平顺性和列车过岔的平稳性。降低值过小,轮载的转移区段过短,会降低尖轨使用寿命,且在结构上不易实现,而降低值过大,则会导致轮载的转移必须要在较长的距离内完成,会造成较大的横向和垂向不平顺。通过线路调研及相关试验,在目前技术情况下,降低值为零处,尖轨轨头宽度不应小于半个轨头宽度,不应大于55 mm。

3.2 舒适性

列车逆、顺向通过道岔时,保证机车车辆安全。平稳地运行,旅客感受的动力逐渐增加,为保证旅行舒适,目前,道岔设计主要通过控制: 车辆通过道岔时,其车轮轮缘对道岔部件冲击产生的动能损失ω、车辆通过道岔侧线产生的未被平衡的离心加速度α及车辆通过道岔侧线,在单位时间内未被平衡的离心加速度增量φ 这三个参数来控制类车运行在道岔侧线上所产生的横向力影响。目前,一般道岔设计时,上述3 个基本参数的容许值一般采用: ω0=0.65km²/h²,α0= ( 0.5~ 0.65) m/s²,φ0= 0.5 m/s³。

3.3 刚度均匀化

刚度是影响轨道结构荷载、轮轨相互作用和结构振动的重要因素。在道岔区范围内,由于钢轨类型不一、岔枕、铁垫板长度差异,再加之存在滑床板、护轨垫板、间隔铁、限位器等复杂零件,使得岔区整体刚度分布不均匀,影响过岔平稳性、平顺性、舒适性。

道岔区轨道刚度的合理设置主要研究扣件系统垂向刚度的合理设置,同时考虑扣件系统垂向刚度对轨距扩大的影响。一般认为,扣件系统低刚度的目标值以20 kN/mm 为限。道岔的均匀化设置一般是将道岔区分为转辙器、导曲线及辙叉三个单元,利用有限元和仿真分析的方法进行刚度设计,通过改变轨下、板下垫层几何尺寸和沟槽形状的方式,调整不同部位垫层的刚度,使道岔区的刚度与岔区线路基本一致,从而达到刚度均匀化的目的。

3.4 无缝化

无缝线路是与重载高速相适应的轨道结构,由于最大限度的减少了钢轨接头,线路的平顺性和整体强度显著提高。在无缝线路用道岔设计中,要考虑我国南北地区温差较大,道岔要能适应不同轨温差地区跨区间无缝线路的铺设,另外,还需考虑: 岔区零部件( 比如辙叉) 与线路钢轨的焊接; 岔区传力结构设计( 比如,增加辙叉与尖轨跟端间隔铁、限位器传递纵向力的作用,尽可能地缩减尖轨和心轨自由段长度,减缓伸缩位移) ; 各部位螺纹联结副紧固扭矩检算( 扣件系统联结螺栓、长翼轨末端间隔铁、尖轨跟端间隔铁联结螺栓、可动心轨联结螺栓、合金钢组合辙叉联结螺栓、顶铁或防跳卡铁联结螺栓等) ; 道岔转换、锁闭、监测结构适应尖轨心轨伸缩; 在车站无缝道岔群设计时,应考虑两道岔间夹直线长度的影响。

4 养护维修

由于道岔维修只能在很短的封锁点内进行,因此,在道岔设计中,要求零部件尽可能少和养护维修工作量小,这就要求: 首先,各零件设计强度储备高,更换便捷,在高速行车及温度等荷载作用下,在期望的适用寿命周期内不产生疲劳伤损和显著的残余变形。另外,更换方便省时,在天窗时间内方便、快捷的更换,保证线路开通; 其次,零件设计结构稳定。比如: 钢轨材质洁净,与线路钢轨强韧性匹配、残余应力低、可焊性好; 扣件系统保持轨距能力强、钢轨及铁件防腐性能好、橡胶及尼龙件损伤、老化速率低; 螺栓连接副在列车振动下不易松弛等; 最后,随着网络技术的发展,可采用远程监控的方式,开发道岔零部件使用状态监测( 比如轨件密贴状态、磨耗、伤损情况等监控) ,做到有序可控,科学养护,以适应轨道设备边运营、边伤损、边维修的工作特点。

5 经济性

为提高道岔产品经济性,降低制造成本,道岔各部位同类型零件应尽量做到统一尺寸,简化品种,便于互换和通用。单一零件设计时,应简化结构型式,具有良好的工艺性,零件制造材料的选择应经济合理。

6 绿色环保要求

随着绿色、智能、制造步伐的加快,对道岔的生产制造也提出了很高的环境要求。在道岔制造全过程中,须考虑不增加或减少对环境的污染。比如: 避免采用电镀、涂油等对环境存在污染的制造工艺。另外,由于道岔中的各个部件处于振动环境中,振动形成的噪声污染也须考虑,一方面通过提高道岔的平顺性来降低轮轨系统振动,另一方面在进行部件设计时,选用具有良好减振性能的扣件系统,减小动力不平顺性。

7 结语

道岔是由众多零部件组合而成,集中了钢轨、扣件、轨枕等轨道结构技术,同时,又涉及车辆轮轨关系、电务转换、监测、机械化铺设与养护等专业接口技术,系统复杂,技术难度大,是一项系统工程,设计过程中,除按照上述基本要求和原则做好道岔安全等设计工作外,应积极吸收国内外先进技术,采用动力强度及可靠性设计方法,使道岔各部件强度、使用寿命相互匹配,减小养护维修工作量,同时,要向智能化方向发展,进行预防性维修,降低维修成本,保证行车安全。

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