道岔平面线型设计及绘制系统的研究与应用

曹 洋,王 平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道时必不可少的线路设备,是铁路轨道的一个重要组成部分。随着高速铁路的发展,新建客运专线行车速度已达到200 km/h以上,最高速度可达350 km/h[1～4],而列车以不同速度直向和侧向过岔尤其是通过高速大号码道岔时,其安全性、稳定性均要满足限值要求,因此道岔平面线型的设计成为限制容许通过速度的关键因素[5]。然而只通过设计人员的经验进行平面线型的计算和绘图,效率和精度都比较低,特别是针对带有缓和曲线的大号码道岔来说更是如此,所以开发道岔平面线型设计及图形的自动绘制系统,方便快速地完成平面线型设计工作,对提高设计质量、节省工作时间都是十分必要的。

1 关键技术分析

1.1 道岔平面线型设计内容

道岔平面线型设计的内容包括基本线型的选取,依据不同条件对线型参数的计算,道岔尖轨切削方式的选择和计算,辙叉区的设计以及岔枕的布置,同时还要进行道岔平面参数线型图和道岔曲线上未被平衡加速度及未被平衡加速度时变率图的绘制[6～8],并通过多次比较达到最优化目的,为后续细部设计和绘图做好前提工作。

1.2 平面线型选择

高速铁路用道岔侧向容许通过速度等级及适用范围可分为3类[3],如表1所示。

表1 道岔侧向容许通过速度等级及适用范围

侧向通过速度较低的小号码道岔一般选用单圆型线型[9],部分采用复圆型,即可满足列车通过时的安全性与舒适性要求。而缓和曲线与圆曲线相比,随着曲率半径增大,降低了未被平衡的离心加速度及其时变率,并且当车辆从直线进入曲线,或者相反从曲线进入直线时,离心力以及竖向和横向冲击力不会突然出现和消失,从而可以避免行车不稳,减少振动发生,有利于提高行车舒适性。因此对于侧向通过速度达到160 km/h以上的大号码道岔,由于其导程长,为设置缓和曲线提供了可能性,则建议采用圆缓型或缓圆缓型道岔[1～4]。

1.3 平面线型设计方案分析

在道岔平面线型设计中,可以根据道岔号码N已知或者未知分为两种情况,结合道岔铺设位置及列车侧向过岔速度V大致选定平面线型,在设定曲线半径后,配合尖轨和心轨的布置方法以及其他设计要求,运用最优化原则进行具体研究,最终得出设计方案和平面线型图,并进行安全性、稳定性评估[6～8]。

(1)当N已知时,根据列车侧向过岔速度V,曲线半径R0等设计条件,在满足约束要求的情况下,利用平面参数法即可求出各曲线的特性值,然后通过调整曲线半径、尖轨切削方式、辙叉布置及轨枕排布等条件,多次计算并对设计方案进行验证,从而得到最优值,且绘制出平面线型图。设计流程如图1所示。

图1 N已知,平面线型设计流程

(2)若N未知,可通过假设曲线长度L,结合列车侧向过岔速度V,曲线半径R0等条件,反推出道岔号码N1。在号码取整或选择合适的号码后,即可计算出对应的实际曲线长度,然后对曲线长度进行调整,配合列车侧向过岔速度,再次选定的曲线半径等条件,重新计算道岔号码,如此反复,直到满足设计要求及方案验证,最后绘制平面线型图。设计流程如图2所示。

图2 N未知,平面线型设计流程

1.4 道岔平面线型图自动绘制

依据计算结果绘制的道岔平面线型图包括道岔基本曲线关系图、岔枕排布图、未被平衡加速度及其时变率图[2,8]。计算过程中根据不同的道岔平面形式特点,分别导出线型参数、岔枕参数和稳定性评估参数,编制绘图模块利用autoCAD绘图软件绘制。

设计计算中,针对不同的曲线形式要有对应的图形数据文件输出方式：若为单圆型或复圆型道岔,只需提供圆曲线半径、转角、弧长以及尖轨和心轨的绘图参数,同时依据设计要求输出岔枕绘图文件；对于圆缓型和缓圆缓型道岔,由于缓和曲线的曲线半径递增,需逐步绘制,为达到精度要求,绘图文件中针对缓和曲线上的点,每隔一定距离则提供1组点坐标当做曲线连接的关键点,同时输出心轨、尖轨和岔枕的绘图参数[10]。

稳定性评估参数即给出未被平衡加速度及其时变率图的绘制依据,用于评定列车按设计速度侧向过岔时稳定性系数是否超限。对具体的道岔线型要考虑到计算部位的不同,而圆曲线和缓和曲线的计算方法也有所差别,当道岔铺设于单渡线上时,需检验圆曲线间夹直线的长度[8],同时未被平衡加速度及其时变率图也应对称布置。

2 系统结构与功能

2.1 线型设计及绘制系统结构

道岔平面线型设计及绘制系统由计算模块和图形绘制模块组成,是针对不同线型和设计要求下道岔平面参数的计算及平面线型图的快速绘制而开发的,通过计算模块得出设计参数,并利用图形绘制模块提取结果文件,调用AutoCAD绘图软件进行快速绘图。

此系统以道岔号码是否已知为前提,对单圆型、复圆型、圆缓型和缓圆缓型道岔进行设计计算。用户端需提供如道岔线型、道岔号码或部分曲线长度、圆曲线半径,列车侧向过岔速度、轨枕排布及尖轨和心轨的选取要求等条件,系统根据原始参数不同,并结合线路具体情况(轨距、轨底坡、钢轨型号、是否处于单渡线区域等)分别处理,包括道岔直曲股线型参数的计算和检验、尖轨切削方式及其曲线加宽设计[11]、列表显示尖轨处不同位置粗壮度、轨枕排布设计、道岔平面线型图的绘制,需多次计算得到最优值。其中尖轨切削方式包括半切线型、切线型、半割线型、割线型和相离半切线型5种情况[6～7]。这些均为设计人员快速、高效地设计各种线型和号码的道岔以及道岔线型出图提供了有利的条件和较高的精确度,以便于后续的道岔细部设计。系统结构运行流程如图3所示。

图3 系统结构运行流程

2.2 线型设计及绘制系统功能

道岔平面线型设计及绘制系统主界面由菜单栏和主窗体组成,根据用户选择的道岔计算类别不同,主窗体中将显示不同的子窗体,用于原始数据输入及计算结果的显示。共有4种类别的子窗体可供选择,且可以同时显示于主窗体中。菜单栏项目包括文件、线路属性、平面线型计算、图形绘制和帮助5类,具体功能模块如图4所示。

图4 系统功能模块

系统具体功能分为3个部分。

(1)系统基本功能。如文件菜单中所列,能够打开原始参数文件,保存或另存输入参数和结果文件,关闭活动的子窗体以及退出系统。

(2)平面参数计算模块。系统通过线路属性和平面线型计算菜单提供给用户原始参数输入窗口。用户需点击线路属性菜单输入包括轨距、轨底坡、钢轨型号在内的所设计道岔线路特征值,并判断道岔是否铺设在单渡线上；在平面线型计算菜单中,用户首先选择要计算的道岔类型,然后在弹出的子窗体中输入道岔号码或部分曲线长度、圆曲线半径,列车侧向过岔速度、单渡线情况下的线间距、未被平衡加速度及其时变率限值、尖轨切削方式及切点轨顶宽、心轨的选取和岔枕排布要求等条件,或直接通过文件菜单读取已有的输入文件“*.dxj”,此时可自动打开输入文件对应的子窗体。

数据输入结束后,直接点击子窗体上的计算按钮,系统首先判断输入值的完整性和可行性,然后进行计算,并将计算结果显示于界面上,同时提醒用户选择参数结果文件和绘图文件存储路径,便于文件的存储和提取。输出值功能包括以下几点：显示基本线型参数信息,包括所设计道岔各部分直曲线长度,判断要求速度下列车侧向过岔时的稳定性,并提出调整意见,提供尖轨切削长度和侧股轨距加宽情况,单渡线情况下还将给出夹直线长度；产生尖轨粗壮度表格,计算过程中提取从尖轨尖端开始,每隔100 mm处尖轨的轨面顶宽值,一直达到所选择轨型的正常顶宽,用户根据需求从中取值；存储绘图文件,依据所计算道岔线型不同,按照一定顺序记录道岔各个部位特征值,供绘图模块调用；存储岔枕排布文件,按照要求进行岔枕排布设计,记录排布点,可根据需求利用绘图模块绘制；列出沿道岔方向曲股未被平衡加速度及其时变率变化值,同时可在绘图模块下画出相应图形。

(3)图形绘制模块。系统以autoCAD为平台,调用平面参数计算模块中产生的绘图文件,将快速绘制道岔直侧股线型图,同时包含尖轨切削后形状、轨距加宽处曲股变化以及心轨基本布置,并对关键尺寸进行标注。若需要显示布枕状况,可以提取岔枕排布文件,此时系统即在已有的平面线型对应位置按照计算时的要求进行布枕,用来提供排布效果和岔枕数目等信息。对于列车过岔稳定性的评估,在平面参数计算模块中已有道岔关键部位最大值用来判别,若通过绘图模块调用未被平衡加速度及其时变率数值文件,则可在图形中显示整组道岔曲线上相应值的变化趋势,便于寻找薄弱点,有利于优化设计方案。

3 工程实例

道岔平面线型设计及绘制系统已经参与了多次道岔设计工作,尤其是为包含缓和曲线的大号码道岔设计提供了极大的方便,并显示了其应用优势。现以线间距4.6 m单渡线上38号道岔为例进行设计,其侧向通过速度最低为160 km/h。

由于38号道岔号码较大,且最低侧向速度达到160 km/h,因此选用圆缓线型计算,圆曲线半径取4 500 m和5 000 m两种情况,计算结果如表2所示。

表2 38号圆缓型道岔计算参数值

由表2可知,列车以160 km/h侧向通过38号圆缓型道岔,圆曲线半径取4 500 m时,曲线总长较短,但尖轨处加速度时变率为1.084 m/s3,超出限值,通过调整圆曲线半径至5 000 m时即可达到要求,但当过岔速度继续提高,又将影响稳定性,需考虑实际情况改变圆曲线半径或线间距重新设计。

以工况二为例,利用图形绘制模块得到未被平衡加速度及其时变率沿道岔长度方向变化示意图,如图5所示。

图5 未被平衡加速度及其时变率(单位：mm)

若3种工况均采用半切线型尖轨,在轨顶宽25 mm处切削,尖轨尖端实际宽度为1.6 mm,则不同圆曲线半径下取尖轨上关键点的粗壮度如表3所示。

表3 不同圆曲线半径下尖轨粗壮度

由表3可知,当其他条件相同的情况下,尖轨处圆曲线半径较小时,可以获得较好的粗壮度。因此对道岔设计进行修改时,要综合考虑各方面因素。

4 结语

道岔平面线型设计及绘制系统从用户端得到平面设计原始参数,结合线路基本属性作为输入文件,能够快速计算出道岔平面线型各部分设计值,并绘出平面线型图,达到了高效率、高精度的设计要求。系统界面清晰,可用性好,所涵盖道岔平面线型设计内容丰富,尤其是自动绘图功能,为设计者节省了大量时间,提高了工作效率,同时提供了多种工况设计比较的条件。通过多次应用表明,道岔平面线型设计及绘制系统对于道岔设计,特别是对包含缓和曲线大号码道岔的设计和绘图有着十分重要的应用价值和实际意义,有助于在道岔设计领域的广泛应用。

[1]孙加林,姜卫利.秦沈客运专线大号码道岔线型的分析[J].铁道建筑,2004(5):51-52．

[2]何华武.中国铁路高速道岔技术研究[J].中国工程科学,2009(5):23-30．

[3]王 平,陈 嵘,陈小平.高速铁路道岔设计关键技术[J].西南交通大学学报,2010,45(1):28-33．

[4]刘建新,蔡成标.客运专线道岔平面设计参数的动力学研究[J].铁道建筑,2007(5):86-89．

[5]李成辉.轨道[M].成都：西南交通大学出版社,2005:121-156．

[6]铁道部第三设计院.道岔设计手册[M].北京：人民铁道出版社,1975:34-138．

[7]沈阳铁路局工务处.道岔[M].北京：中国铁道出版社,1987:8-59,248-249．

[8]史玉杰.秦沈客运专线道岔平面设计参数的研究[J].铁道学报,2001,23(4):94-97．

[9]张东风.浅谈城市轨道交通小号码道岔设计[J].铁道标准设计,2004(12):15-17．

[10]中铁宝桥集团有限公司.铁路道岔参数手册[M].北京：中国铁道出版社,2009:112-242．

[11]王 军,李 悦.铁路道岔轨距加宽与构造加宽研究[J].铁道工程学报,2009(3):20-32．