高速铁路道岔系统理论与工程实践研究综述
2016-04-06徐井芒马晓川
王 平, 陈 嵘, 徐井芒, 马晓川, 王 健
(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031)
高速铁路道岔系统理论与工程实践研究综述
王 平, 陈 嵘, 徐井芒, 马晓川, 王 健
(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室, 四川 成都 610031)
为了促进高速道岔行业的发展，系统梳理了各国高速铁路道岔领域(包括部件选型与结构设计理念、高速列车/道岔耦合动力分析理论、不同线下基础道岔无缝化设计方法、合理刚度及均匀化设计方法、长大轨件转换计算理论、关键联结部件动静力强度分析、动力学性能测试技术、道岔侧股平面线型与结构设计、制造与铺设、维护与管理等)的学术研究现状、存在问题、具体对策及发展趋势.要适应未来轨道交通技术的发展，高速道岔仍面临着严峻的技术挑战，例如，更高速度的下一代高速道岔在复杂环境下的适应性、全寿命周期设计、轮轨匹配与车/岔动态性能优化、新材料和结构的研发与应用、状态实时获取与性能评估、健康管理及故障预测、能效保持等问题，需要深度融合先进材料与制造、智能与自动化、大数据与云计算、精密测控与效能提升等前沿技术，着力提升我国高速铁路道岔技术领域的原始创新能力.通过现状剖析、问题导向，以期为铁道工程学科的学术研究与技术创新提供新的视角和基础资料.
高速铁路道岔;设计理论;平面线型;结构部件;制造与铺设;维护与管理
道岔是铁路线路的交叉点及薄弱环节,因其结构与轮轨界面的关系复杂,是影响行车平稳性与安全性的关键基础设施.道岔同时集成了轨道系统中各类结构部件与技术特征,被公认为是反映铁道工程行业技术水平的重要标志.随着高速铁路的发展,具有高精密度的机电一体化系统——高速铁路(高铁)道岔在设计理论、关键结构、制造工艺、维护技术等方面均取得了显著的进步[1].截止2015年底,中国开通运营近1.9万km高铁铺设的5千多组正线高速道岔总体状态良好,满足了高速铁路建设与运营的需要,为我国高铁事业的发展做出了重要贡献.然而,迄今为止学术界还缺乏对高速铁路道岔设计理论与工程实践研究的系统总结与梳理.本文围绕高速道岔选型与设计理念、设计理论与试验技术、线型与结构设计、制造铺设与维护技术等主题,论述了该领域的学术研究现状、热点和存在的问题、具体对策与发展趋势,以期为铁道工程学科的进一步发展提供参考和借鉴.
1 高速道岔选型与设计理念
1.1 选型原则
可靠性.高速道岔系统需满足高速列车过岔与区间等速运行时的安全性、平稳性及可靠性要求.
安全性.用平稳性来保证安全性,高速道岔系统应较区间轨道具有更高的部件精度、平顺性和列车过岔舒适度控制标准.为有效应对各种复杂的运营环境,还需根据需要配备防雪、防冰击、工电集成状态监测平台等安全保障设施设备.
可维护性.为了减少维护工作量,应尽量减少道岔型号,运行条件相同的道岔零部件宜通用;各型高速道岔轨型应相同;道岔直向允许通过速度相同的道岔零部件宜通用;并为预防性维修和修复性维修(如道岔打磨等)预留空间或接口.
高可用性.高速道岔应满足跨区间无缝线路和轨道电路的要求,并适应有砟或无砟下部结构和桥隧、路基等不同类型基础结构,且与区间轨道相匹配以降低过渡段的影响;侧向容许通过速度根据站场道岔、渡线道岔和联络线道岔的不同功能需求确定;具有15～20年以上的使用寿命,并尽可能地少更换零部件.
1.2 设计理念
高速道岔设计以安全性作为第一要求,以乘坐舒适度作为首要控制指标[1-2].
系统匹配.在高速道岔设计中,将运动学与动力学相结合,视机车车辆系统与道岔系统(工电集成)为一个相互作用、相互耦合的总体大系统,道岔各组件之间需合理匹配.
安全可靠.对高速道岔的设计最高容许通过速度,在直向增加10%、侧向增加10 km/h的安全裕量,并进行相应实车试验考核;采用适应无缝道岔的转换锁闭、密贴检查设备,选取稳定可靠的结构形式保证可动轨件的强度储备,并配备监测系统.
高平顺性.平顺性决定乘坐舒适度.在高速道岔设计、制造、运输、铺设、养护等环节中,要特别注重平顺性优化和保持,严格控制各部件的制造公差与装配误差.
实践考证.确定高速道岔的线型和结构等参数,评估部件强度和整体性能,均需通过大量室内外试验和运营实践的考核和验证.
1.3 主要问题与发展趋势
(1) 面向LCC(life cycle cost)和RAMS(reliability availability maintainability safety)的高速道岔全寿命周期设计
将LCC和RAMS相关指标分解到高速道岔全寿命过程中,形成相应的需求约束.考虑高速道岔运营成本、维修成本、装拆成本、工艺成本、设计成本以及报废成本等的DFC设计,以及考虑各阶段安全性和可靠性指标分配和约束的可靠性设计,建立各阶段的成本模型和可靠性模型,获得合理的成本分配、可靠的设计参数裕度等,然后,建立全寿命周期成本和可靠性模型,以此进行优化设计和成本控制,获得满意的全寿命周期设计结果.
(2) 复杂运营环境下高速道岔的适应性
面向一带一路、海洋强国、西部大开发和高铁走出去等一系列国家重大战略需求,轨道交通基础设施正加速覆盖全球范围自然环境更复杂的地区.高速道岔系统因其运营环境的复杂性、结构材料的多样性、结构分布的空间效应、服役过程的时间效应以及多因素交变耦合效应等,其动态性能的时空演变机制与规律十分复杂.要求高精度的高速道岔及其下部结构(有砟或无砟轨道、桥梁、隧道及过渡段)面对严寒、风沙、雨雪、冻融、冲刷、腐蚀等恶劣自然环境与复杂地质条件的挑战时，均应表现出良好的适应性,故针对高速道岔系统在极端气候或恶劣地质条件下动态性能的时空演变机制与规律的研究已成为前沿热点.
(3) 更高速道岔的基础科学问题
当移动装备以400 km/h及以上速度过岔时,轮轨高速相互作用过程中的高频动态或瞬态现象表现突出(振动主频率达2 000 Hz以上),振动波长与接触斑直径接近同一数量级,容易诱发轮轨耦合系统部件的颤振或共振,从而影响旅客乘坐舒适性,加速车辆-轨道系统部件的损伤,并严重影响高速列车运行安全性和可靠性.因此,建立考虑系统部件材料非线性与几何非线性、接触不平顺与界面热效应、时间步长极小(应当小到足以捕捉到两个接触表面之间的动量传递而不发生明显的能量损失)的三弹性体或弹塑性体的瞬态滚动接触模型,探明高速道岔与列车系统的高频相互作用规律及界面接触行为,是下一代更高速度高速道岔研制中亟待解决的关键基础科学问题.
(4) 下一代高速道岔结构选型
下一代高速铁路对道岔的安全、智能、耐久、环保等方面提出了更高的要求.基于结构动力学、空气动力学和声学等理论的发展,推进高速道岔在新材料、新构造、新工艺、新方法等方面的创新.关键技术主要包括:研究适用于下一代高速道岔的新型支撑结构,拓展纤维增强复合材料、智能自适应材料、高性能钢及混凝土等新材料及其应用,构建基于可靠度理论、全寿命周期和可持续工程的高速道岔设计技术体系,提升高速道岔制造与施工的工厂化、智能化、装配化和精细化技术,开发基于结构损伤度的高速道岔损伤评估方法及病害智能修复技术,构建减振及噪声控制技术和绿色环保评价体系,发展基于大数据的高速道岔风险管理、信息管理及维护决策技术等.
2 高速道岔设计理论与试验技术
高速道岔系统集成了几乎所有先进铁路轨道技术,是高速铁路建设与运营维护的核心装备之一.在高速道岔的研制过程中,需建立其动力学分析理论,解决轮轨关系、轨道刚度、部件强度及车岔耦合振动等动力学问题;提出无缝道岔计算方法,解决跨区间无缝线路、桥上无缝道岔的设计与铺设等适应性问题;建立道岔转换计算理论,优化牵引点布置,提出减摩措施,解决转换卡阻、不可靠锁闭等可靠性问题.为验证高速道岔系列设计理论的正确性及其工程应用的有效性,还需通过室内及现场实车试验进行验证和评估,进而用于指导高速道岔的设计、制造、运输、铺设与维护.
图1 高速道岔设计总体技术路线Fig.1 Overall technical route of high-speed turnout design
2.1 高速列车/道岔耦合动力分析理论
高速列车-道岔系统动力分析理论的基本思想是,将机车车辆系统和道岔系统视为相互作用、相互耦合的总体大系统,考虑岔区轮轨之间复杂的多点接触关系,综合研究列车过岔时的动态运行行为及对道岔区轨道结构的动力作用.
王平等基于轮轨系统动力学,结合道岔区轨道结构自身特点,研究了道岔区多点轮轨接触关系,率先建立了列车-道岔空间耦合动力学分析理论[3-4]. Schupp等研究了道岔区轮轨多点接触在多体动力学仿真中的实现方法[5]; Kassa等基于多体动力学软件GENSYS建立了列车/道岔动力学模型,研究关键参数随机输入情况下系统的动态响应[6]; Alfi等提出能够计算列车/道岔中频动态响应的数学模型,模型中考虑变截面钢轨及弹性轨道,并且通过现场试验实测数据验证了模型的正确性[7];陈嵘建立了完整的车辆-道岔-桥梁耦合振动模型,计算分析了列车通过桥上道岔时系统的振动响应,并进行了试验验证[8];全顺喜分析了随机不平顺及实测不平顺对岔区轮轨耦合振动的影响,提出了岔区几何不平顺的控制限值和调整方法[9]; Pletz等利用有限元方法建立单轮滚动通过辙叉时的动态模型[10]; Sebes等运用多点赫兹接触理论建立道岔区的轮轨接触模型,结合多体动力学理论,分析列车通过可动心轨道岔时的接触斑位置、接触应力及等效应力等动态响应[11].
列车/道岔耦合动力学分析理论已在岔区轮轨关系优化、可动轨件转换分析、岔区几何不平顺控制、平面线型布置及轨道合理刚度匹配等设计中成功应用.然而,目前对高速车辆与道岔动态相互作用的分析仅限低频时域范围,尚未见到同时考虑岔区局部轮轨强冲击、钢轨件垂向、横向和扭转振动以及随机不平顺对接触几何关系影响的道岔高频振动时域和频域分析.而且,现有轮轨滚动接触理论还不能考虑单轮与多轨滚动接触行为,无法精确描述轮对通过道岔这种两侧非对称结构时的轮载过渡或转移行为.此外,随着列车运行速度的进一步提高,致振因素和响应形式均会发生根本性地改变,道岔区轮轨关系、轨轨关系、轮轨异常磨耗、轮轨表面接触疲劳、塑性流动和脱轨等机理及其影响也受到了越来越多的关注.
2.2 高速道岔无缝化设计方法
世界各国200 km/h以上的所有线路均采用跨区间无缝线路,而道岔结构无缝化设计是跨区间无缝线路设计中的一项重要内容.相比于普通无缝线路,无缝道岔内涉及多根钢轨,且各钢轨线形和约束条件不同,各轨条之间存在更复杂的承力、传力和位移关系.
王平等建立了可动心轨无缝道岔钢轨温度力与位移的分析模型和计算方法,分析了不同阻力参数的影响[12],此外,通过建立无缝道岔群计算模型,结合道岔区轨道结构的特点,分析了不同线路阻力值、线路阻力退化等对无缝道岔受力变形的影响[13].杨荣山等进行了桥上无缝道岔纵向力试验验证研究,对道床阻力、基本轨伸缩力及尖轨伸缩位移等进行了系统测试[14];文献[15]建立了桥上无缝道岔1∶3缩尺模型,研究了多种桥梁结构形式与无缝道岔的相互作用关系;文献[16]等通过道岔纵向力试验,用导轨与基本轨位移差值表达两者之间传力约束,提出了无缝道岔温度力与位移的计算模型和计算方法.文献[17]运用“两轨相互作用原理”,根据实测线路阻力给出了阻力-位移表达式,并提出了无缝道岔纵向力计算方法.文献[18-19] 基于力图叠加原理,提出了可考虑非线性的无缝道岔当量阻力系数计算方法.文献[20] 考虑了道床阻力随岔枕长度的变化及基本轨与导轨之间的相互作用,提出了无缝道岔多轨相互作用计算方法.文献[21-22]将广义变分原理应用于无缝道岔的计算分析,将岔枕视为有限长Winkler弹性地基梁,提出了一种计算无缝道岔钢轨附加温度力与位移的方法.
但是,目前在无缝道岔伸缩变形仿真计算或试验研究中,均仅考虑了年或日的最高轨温或最低轨温时无缝道岔的受力变形特点,未考虑轨温变化过程中的累积效应,同时尚未见能够准确描述循环弹塑性变形特性的线路阻力模型.高速道岔无缝化设计方法的深入发展将主要着眼于复杂环境条件(极端气候下列车荷载与温度荷载的叠加效应,以及扣件、散粒体道床、限位器、间隔铁的非线性与塑性阻力特性)下路基/桥梁上无缝道岔状态演变机制与规律,研究考虑轨温循环变化的无缝道岔多轨累积受力与变形的求解方法,建立起无缝道岔性能演变预测模型,并基于路基/桥梁上无缝道岔状态对行车安全性和平稳性的影响规律,提出其各项性能劣化指标的评判标准及允许限值.
2.3 高速道岔合理刚度及均匀化设计方法
刚度是铁路轨道结构的基本性能参数之一,而高速道岔结构复杂、零部件多,存在多根钢轨通过共用长垫板、间隔铁等部件的联结,致使轨道整体支承刚度沿线路方向差异显著.在高速道岔设计过程中,轨道刚度合理值的确定及在各部件之间的合理分配是开展道岔区轮轨系统动力分析与评价的前提,同时为减缓岔区动态不平顺的影响,还需考虑通过各部位扣件系统刚度的调整,使其整体刚度沿线路纵向分布均匀.
Andersson等利用数值模型研究了车轮滚动通过辙叉时的冲击作用,分析了轨道刚度及质量分布变化对轮轨冲击力的影响[23]; Zarembski通过理论分析及现场试验,研究得到采取合理的刚度过渡措施能够消除辙叉部位的轮轨冲击力[24]; 文献[25]研究了高速道岔尖轨下支承刚度变化的影响,指出尖轨下弹性支承能够有效地改善列车过岔时的轮轨动态相互作用; 文献[26]通过改变枕下胶垫的刚度来平滑道岔纵向的刚度分布,并利用数值仿真研究了枕下胶垫对轮轨接触力的影响;文献[27]发展了道岔区钢轨磨耗、滚动疲劳及塑性变形等伤损的数值计算方法,并在此基础上进行了道岔区几何尺寸及刚度的优化.
国内学者主要着重于对道岔轨道刚度分布规律研究,并提出了相应的刚度均匀化措施.文献[3]对固定和可动心轨辙叉有砟道岔区轨道刚度分布进行了分析,指出了岔区刚度分布不均;文献[28]通过对多种垫板组装后的刚度进行测试,提出了有砟道岔扣件刚度均匀化建议.陈小平等研究了高速道岔刚度合理取值及部件刚度合理匹配关系,提出了高速道岔轨道刚度纵向变化率的控制范围[29],并进行了无砟道岔的轨道刚度分布规律分析及均匀化设计优化[30].
值得注意的是,目前国内外学者对轨道刚度内涵的研究尚显不足,尚未开展对扣件系统橡胶材料频变、幅变及温变特性对岔区轨道刚度影响的研究,关于横向刚度沿岔区的分布及其影响规律的研究也未得到重视.试验研究中刚度检测的技术路线不一、精度不高、效率偏低且数据分析处理不够.就高速道岔而言,岔区合理刚度及其分布优化研究主要针对竖向刚度,岔区横向刚度分布及其对高速行车的影响规律尚不明确.此外,一般均将道岔刚度视为常量即静刚度,而动刚度、沿线路纵向分布不均的线刚度、非对称结构的面刚度及其变化影响的检测与评估等问题尚待进一步研究和解决.
2.4 高速道岔转换计算理论
高速道岔的转换锁闭结构应具有转换、锁闭、表示3项基本功能.道岔转换是为了引导机车车辆由一条线路进入另一条线路,需要借助转换设备扳动可动尖轨或心轨,实现道岔开向的改变.道岔锁闭是在道岔转换后,借助转换设备锁闭道岔,保证尖轨或心轨与基本轨或翼轨稳固密贴的功能.道岔状态显示是为了确保行车安全,在道岔转换后,转换设备具有显示道岔定位(直尖轨贴靠曲基本轨)或反位(曲尖轨贴靠直基本轨)的功能.
日本高速道岔设计中,考虑转辙连杆至固定端距离、可动部件长度及转换动程等参数,采用解析方法进行转换力的简化计算;文献[31]考虑心轨的变截面特性,建立了可动心轨转换计算有限元模型,进行了多点牵引的单肢及双肢弹性可弯心轨转换计算;文献[32]应用有限元法进行了尖轨和可动心轨的转换设计计算分析;文献[33]将可动轨件划分成若干段等截面梁,基于复合梁弯曲理论建立了转换计算模型,计算了不同摩擦系数条件下的板动力及不足位移,用于指导牵引点布置及动程设计优化;文献[34]基于变分形式的最小势能原理,提出了单肢和双肢弹性可弯心轨扳动力及不足位移计算方法;文献[35]建立了高速道岔尖轨及心轨牵引转换计算模型,对尖轨及心轨牵引点板动力及不足位移进行了分析.
转换计算理论的研究成果已在高速道岔的设计优化中得到成功应用,但多种运营条件下转换卡阻、不足位移的问题在高速道岔中仍时有出现.其原因是既有道岔转换计算分析主要面向设计,未综合考虑制造、组装、运输、铺设及复杂运营条件下的道岔实际状态与设计图纸之间的差异.
2.5 高速道岔部件动静力强度分析
在完成高速道岔平面线型、结构选型、牵引转换等总图设计工作,以及轮轨关系、轨道刚度、无缝化等基本型式的设计工作后,还要基于工电一体化设计理念开展钢轨件、转换设备、扣件系统、轨下基础、联结零件等部件的强度分析设计.
文献[36]应用轮轨系统动力学建立了钢岔枕模型,分析了钢岔枕轨道病害产生的原因并提出了改进措施;文献[37]建立了高速道岔新型护轨垫板结构实体有限元分析模型,通过计算分析优化了垫板结构尺寸;文献[38]针对心轨、翼轨及锁钩等部件提出了多种优化方案,并进行了准静态荷载作用下外锁闭机构强度分析和可动心轨动扭转分析; 文献[39]提出了尖轨廓型的优化设计方法,以接触应力和能量耗散为优化目标,应用遗传算法求解得到Pareto最优解,并且用车辆-道岔动态相互作用分析来评价尖轨廓型;文献[40]根据车辆-道岔动态相互作用分析得到轮轨力和蠕滑率大小,同时考虑材料棘轮效应求解出在循环荷载作用下尖轨廓型的累计塑性变形,为道岔几何尺寸优化提供了理论依据;文献[41]分析了转辙器部分扣件系统的受力情况,研究了扣件刚度匹配情况对车辆过岔安全性的影响,给出了较优的扣件刚度取值及匹配;文献[42-44]基于车辆-道岔耦合系统动力学,研究了不足位移、顶铁离缝及过岔速度等对尖轨和心轨转换锁闭结构受力的影响,并建立了道岔区轮轨接触弹塑性有限元模型,分析了轨底坡及轨距角半径对轮轨接触应力的影响,并给出较优的轨底坡及轨距角半径取值;文献[45]根据多重叠合梁模型,运用有限元方法对无砟道岔轨下基础受力和变形特性进行了分析,为无砟道岔道床的设计提供了参考.
由于道岔结构材料的多样性、结构分布的空间效应、服役过程的长时效应、多场多因素的耦合效应、结构损伤的多尺度效应,导致道岔各类损伤出现频繁,应基于岔区动态轮轨关系和道岔区轮轨接触疲劳与磨损的关系,探索道岔结构损伤与性能劣化的规律.道岔区轮轨剧烈横向冲击的仿真分析及试验验证技术急待提升.应加强现场试验与理论分析的结合,获取可动心轨道岔疲劳载荷谱,建立道岔疲劳累积损伤模型,开展服役寿命评估方法的研究.此外,基于服役过程中道岔结构疲劳关键部位的动态损伤与安全服役监控参数指标,开展高速行车条件下道岔动态损伤与安全服役性能监控系统研究亦是当前的研究热点之一.
2.6 高速道岔动力学性能测试技术
高速道岔设计中的各种计算理论,都是以一定的力学模型及给定的荷载参数和道岔区轨道参数为前提,其计算结果只能反映一定的道岔结构在给定运营条件下各种效应值的大致水平和量级.大量室内和现场实车试验结果才能验证理论结果的正确性,并不断优化理论参数,提高其适用性,从而实现对高速道岔设计、制造、铺设与维护的科学指导,保障高速列车过岔的安全性和舒适性.
文献[46]开发了道岔区轮对横移测试系统,在合宁线对引进的法国技术道岔进行了岔区轮对横移测试,验证了道岔动力学理论的正确性;文献[47]通过对胶济线18号道岔进行试铺和动测试验,包括CRH动车组、提速客车及货车直向和侧向过岔的动力测试,验证了道岔具有较高的安全性和列车运行平稳性;文献[48]针对岔区轨道刚度合理取值及均匀化技术、尖轨降低值优化技术、转辙器运动学轨距优化技术、侧线线型设计技术对动车组高速直、侧向过岔平稳性的影响进行了试验研究;文献[49]利用测力轮对测试了车辆直/侧、顺/逆向通过道岔时的横向和垂向轮轨力,研究了过岔速度、过岔方向等对轮轨力最大值及位置的影响,验证了车辆-道岔动态相互作用计算模型的正确性.
高速道岔一般体量大,部件多,且有许多隐蔽部分,既有的检测方法存在应用条件限制和工作效率相对较低的缺点.目前,高效模块化、数字化的结构动力响应量测技术已为高速道岔动力学性能测试提供了坚实有效的技术支持.依据高速道岔结构的模态参数(如自振频率和振型)和物理参数(如刚度和阻尼)来定性和定量地判别结构状态的改变是当前本领域的前沿热点之一,而道岔区轮轨接触行为的试验研究仍较为少见.
3 高速道岔平面线型与结构设计
道岔具体设计工作包括平面线型设计和结构设计,平面线型设计的内容包括基本线型的选取,道岔尖轨切削方式的选择,辙叉区的设计以及岔枕的布置等;结构设计的内容包括各零部件的结构选型、布置方式及尺寸等.
3.1 道岔平面线型设计
3.1.1 高速道岔平面线型设计参数
高速道岔平面线型设计控制参数包括未被平衡的离心加速度a和未被平衡的离心加速度时变率Ψ两个参数[50-51].此外,文献[50-53]认为在分析列车侧向过岔的未被平衡加速度及其时变率时,考虑车辆长度影响可得到列车通过曲率变化点处车体离心加速度的渐变过程.各国车辆的动力学性能不同,因此,离心加速度、离心加速度时变率的控制限值也略有差异[54],见表1.
3.1.2 道岔整体线型
道岔侧股曲线型式包括单圆型、复圆型、圆缓型和缓圆缓型4种.侧向通过速度超过160 km/h的各国大号码高速道岔采取的线型并不一致,日本和德国分别采用复圆线型和圆缓圆线型,中国和法国均采用圆缓线型;而侧向通过速度为80～100 km/h的高速道岔,各国均采用单圆曲线型[50-51,55-56].文献[57-58]通过对秦沈客运专线38号高速道岔平面线型的分析,指出大号码道岔采用三次抛物线线型已成为一种发展趋势.文献[52-53]基于平面参数法及车辆-道岔耦合动力学模型,对不同侧向过岔速度条件下高速道岔的线型选取方式进行了研究,认为采用缓圆缓线型的旅客乘坐舒适性较圆缓线型更好.文献[59-60]采用安全性、平稳性等动力学评价指标,对我国18号及42号高速道岔进行了仿真计算,指出我国高速道岔平面线型的设计是合理的.
表1 各国高速道岔平面线型设计参数对比Tab.1 Comparison of the plane layout geometry design parameters of high-speed turnouts in various countries
3.1.3 尖轨平面线型
道岔尖轨平面线型分为直线型和曲线型两种，曲线型尖轨主要有割线型、半割线型、切线型、半切线型等.国外高速道岔较多采用的是切线型尖轨,我国高速道岔则主要采用半切线型和半割线型尖轨.为研究不同运营条件下各种线型尖轨的受力特性及适用条件,文献[61]建立了列车/道岔尖轨仿真分析模型,对转辙器部分的轮轨受力特性进行了分析,例如,尖轨断面的变化、结构不平顺的大小、尖轨与基本轨之间的传力特点、车轮轮踏面接触点在两钢轨上的过渡规律、轮缘接触点的变化规律及坐标体系的变换等.文献[52-53]通过动力学计算及轮轨间磨耗性能的分析,认为18号道岔应采用相离半切线型尖轨, 42号道岔则宜采用切线型和半切线型尖轨.
3.2 高速道岔结构设计
3.2.1 转辙器结构
中国和法国的道岔基本轨均采用中国的60 kg/m钢轨,客货共线线路上为U75V钢轨(抗拉强度980 MPa),时速350 km客运专线上采用的是U71MnK(抗拉强度880 MPa)钢轨,设计轨底坡为 1∶40.尖轨采用60D40钢轨,材质与基本轨相同,顶面加工 1∶40 轨顶坡,跟端扭转 1∶40 斜.德国基本轨与尖轨则采用的是60E1A1(即Zu1-60)钢轨,钢轨材质为R350HT硬头轨,抗拉强度为1 175 MPa.基本轨设 1∶40 轨底坡,尖轨顶面通长加工成 1∶40 轨顶坡,跟端不扭转.
道岔尖轨一般采用AT轨(即矮型特种断面钢轨)加工制造.我国提速道岔及秦沈客运专线道岔采用CHN60AT钢轨,国外高速铁路道岔采用的AT轨类型主要有法国的UIC60A、UIC60D,德国的Zul-60及日本的80S.文献[62]通过对以上几种AT轨类型进行对比分析,建议为适应我国高速道岔1∶40的轨底坡宜采用UIC60D40断面的钢轨制造尖轨.我国及其他国家高速道岔均采用尖轨藏尖结构.由于车轮在尖轨与基本轨之间过渡导致的结构不平顺的影响,尖轨与基本轨密贴段范围内的轮轨关系是影响动车组过岔平稳性的主要因素.为此,德国高速道岔采用了FAKOP动态轨距加宽技术,使轮对通过转辙器时左右两车轮的滚动半径趋于相同,减缓了蛇形运动提高了车辆过岔的平稳性[54],文献[4,63-64]对转辙器部分轮载过渡规律进行了研究,提出了采用缩短轮载过渡范围的方式来提高动车组过岔平稳性的转辙器设计方法,并指出用缩短轮载过渡范围的方式可明显提升过岔平稳性[50-51].此外,根据不同铺设地区的全年轨道温差,可考虑在转辙器跟端设置间隔铁、限位器等纵向传力结构.
法国道岔采用轮对通过转辙器时的倾角不超过4/1 000 rad作为尖轨顶面降低值的设计标准,其直曲尖轨采用相同的顶面降低值.中国道岔以提高行车舒适性和确保尖轨强度作为尖轨顶降低值的设计依据,直尖轨降低值采用了缩短并前移轮载过渡范围的方式来提高行车舒适性.德国道岔尖轨降低值以保证钢轨强度及轮载平稳过渡为设计依据.
中、德、法三国高速道岔均实现了转辙器部分基本轨的弹性扣压及辊轮转换结构,可保证基本轨的横向稳定性及尖轨转换阻力的降低.中国道岔滑床台内设置了施维格几形弹性夹,每隔3～5根岔枕设置一对施维格辊轮;法国道岔滑床台内设置了科吉富几形弹性夹,每隔4根岔枕设置一对科吉富辊轮;德国道岔滑床台两侧各设置了一根BWG弹性扣压条,每隔4根岔枕设置一对BWG辊轮.各国高速道岔均可将尖轨转换不足位移控制在2 mm以内.
为进一步改善高速道岔区轮轨关系、降低动力作用,可考虑采用列车进岔的预导向技术,通过设置轨距加宽和优化尖轨结构,使列车通过转辙器区域时,轮对提前导向,以适应转辙区内快速变化的线型,从而有效减小轮对的横移量和车体横向加速度.直曲组合线型与尖轨、心轨加宽可有效延长曲尖轨寿命.
3.2.2 辙叉结构
为降低列车经过辙叉时的轮轨冲击,提高过岔舒适性,高速道岔一般采用可动心轨式辙叉[50-51],可消除有害空间保持辙叉轨线连续.
法国道岔心轨采用与尖轨材质相同的60D40钢轨通过哈克螺栓联结而成;翼轨为高锰钢整铸“摇篮式”结构,其前后两端分别焊接普通钢轨和A74钢轨,外侧用竖向轨撑扣压.辙叉跟端采用安装空心销的弹性间隔铁将翼轨与心轨联结,两心轨之间也采用长大间隔铁进行联结.与尖轨顶面降低值的设计原则一样,在心轨顶面降低值设计中,法国道岔仍然遵循轮载转移过程中轮对倾角小于4/1 000 rad(对于速度250 km/h的道岔小于8/1 000 rad)和顶宽22 mm断面之后、心轨与翼轨密贴段内完成轮载过渡的设计原则.为进一步降低列车通过辙叉时的横向不平顺,采用了心轨水平藏尖式结构, 18号和41号道岔水平藏尖量分别为5.0 和5.7 mm.
德国道岔心轨前端采用钢坯经机加工而成的整体结构,后端拼焊2根叉跟轨;翼轨采用普通钢轨刨切成型,外侧采用弹条扣压.德国18号道岔辙叉跟端为高强螺栓联结的间隔铁结构; 39.113号道岔辙叉下部为通长整体大垫板,心轨-心轨、翼轨-心轨之间的长大间隔铁通过螺栓与大垫板联结,同时还有横向螺栓联结,能够满足抵御区间无缝线路温度力的要求和防止转换杆件与翼轨轨腰孔碰卡.心轨顶面降低值的设计采用轮廓以心轨顶面中心线对称设置和顶面圆弧平顺过渡的设计原则,并未采用水平藏尖式结构设计.
中国道岔心轨采用60D40钢轨栓结而成;翼轨为TY轨(即轧制特种断面翼轨).辙叉跟端采用两个双孔间隔铁将翼轨与心轨胶结的结构,辙叉后端两心轨之间也采用长大间隔铁进行联结,可较好地传递岔后区间无缝线路的温度力、保持辙叉的横向稳定性和防止心轨卡阻.心轨顶面降低值设计亦遵循缩短轮载过渡段长度和采用水平藏尖结构减小横向不平顺的设计原则, 18、42号道岔水平藏尖量为9 mm.针对侧向高速道岔(大号码),除日本外各国均采用双肢弹性可弯心轨结构,我国还通过优化牵引点位置及转换动程,实现了这种复杂结构的同步平稳转换,并通过预设反拱减缓了心轨跟端附近的转换不足位移,该结构消除了侧股跟端处的斜接头,确保了列车以160 km/h速度侧向过岔时的安全性与平稳性,而侧向通过速度较低的18、30号道岔仍采用单肢弹性可弯心轨结构.
3.2.3 扣件系统
中国高速道岔区轨道采用带铁垫板的弹性分开式扣件,弹性铁垫板上部结构考虑无螺栓扣件系统和有螺栓扣件系统两种方案;挡肩与钢轨底边之间设轨距块用于保持或调整轨距.客货共线运行的设计时速250 km有砟、无砟道岔扣件系统静刚度设计值为50±5 kN/mm,动静刚度比≤1.8;无货运的设计时速250、350 km无砟道岔扣件系统静刚度设计值为25±2.5 kN/mm,动静刚度比≤1.5.通过对板下橡胶垫的开槽设计实现岔区内不同部位扣件系统刚度的调整,并在岔区前后各设0.5 s列车走行距离的刚度过渡段.
法国有砟道岔采用VOSSLOH公司的skl12窄型弹条,轨下设置9 mm橡胶垫层,板下设置4 mm橡塑垫板;滑床台部分轨下不设弹性垫层,板下设9 mm橡胶垫层;跟端固定区轨下及板下各设置4.5 mm橡胶垫层.铁垫板与岔枕的联结采用双排Φ24高强螺栓结构,板下可设调高垫层,实现0～10 mm的调高量.不设轨距块,轨距调整依靠铁垫板端部的月牙挡块实现,可实现-4～+2 mm的调距量.无砟道岔采用VOSSLOH公司W300扣件系统,采用skl15弹条,轨下设6 mm橡胶垫层,板下设12 mm弹性垫层.铸铁挡肩与岔枕上设V型槽与铸铁挡肩相配合,降低锚固螺栓受力点.板下通过调高垫层可实现-4～+26 mm的调高量,绝缘轨距块与调整垫片相配合实现-4～+8 mm的调距量.采用了与区间线路相同的扣件系统刚度设计值,有砟道岔扣件系统静刚度设计值为65±10 kN/mm,动静刚度比≤2.0;无砟道岔扣件系统静刚度设计值为26±2 kN/mm,动静刚度比≤1.5.岔区不同部位处垫层刚度采用开孔设置进行微调,以保证道岔整体刚度最大值不超过区间线路的1.3倍.岔区与区间轨道之间未设刚度过渡段.
德国无砟道岔采用VOSSLOH公司的skl12窄型弹条,轨下设置6 mm橡塑垫片,采用平垫板或1∶40斜型垫板实现不同部位轨底坡要求;铁垫板与弹性垫层硫化成一体形成弹性基板结构;铁垫板与岔枕的联结采用Φ30高强螺栓及带缓冲偏心套的结构.板下通过调高垫层可实现-4～+26 mm调高量.弹条座与轨底之间不设置轨距块,依靠偏心锥套可实现-12～+12 mm的调距量.在岔区刚度设计中,以钢轨底部应力≤75 MPa 为前提,在23 t轴重作用下,道岔扣件系统竖向静刚度设计值为17.5±1.5 kN/mm,动静刚度比≤1.5.辙叉部位采用更低的刚度设计,对岔区其他部位各种尺寸的弹性基板,可通过调整板中肋条的数量、位置等使其扣件系统静刚度均近似相等,设计中未考虑联结钢轨的“帮轨作用”.在道岔前后25根岔枕范围内设置刚度过渡段.
3.2.4 轨下基础
高速道岔轨下基础分为有砟和无砟两种形式,有砟道岔轨下基础主要采用混凝土岔枕,无砟道岔轨下基础有混凝土支撑块、混凝土长枕埋入、混凝土道岔板、高分子合成枕等多种形式.法国道岔主要采用有砟道床和整体式预应力混凝土轨枕;德国重点发展整体式道床基础,当采用碎石道床、整体混凝土岔枕基础形式时,为解决整组道岔运输及列车高速运行时长岔枕一端翘起和拍打道床引起的道砟粉化问题, 3.2 m以上的长岔枕用柔性铰连接[50-51,65].我国高速有砟道岔主要采用整体式混凝土长岔枕结构,沿用提速Ⅲ型岔枕断面,无砟道岔主要采用混凝土长枕埋入式和道岔板式两种,岔枕采用垂直于直股的布置方式,岔枕间距按600 mm布置,岔枕长度按转辙器部分100 mm、连接部分与辙叉部分150 mm进级.
3.2.5 转换设备
道岔转换设备是实现主、侧向(定、反位)之间转换的控制设备.法国高速道岔转换设备采用一机多点牵引方式,在第一牵引点设置外锁闭装置,尖轨联动,其他牵引点通过直角拐和导管由转辙机间接锁闭.德国则采用多机多点转换方式,尖轨分动,由控制电路实现同步.我国亦采用多机多点牵引方式,各牵引点均采用分动钩型外锁闭方式,针对大号码道岔,采用了不同动程的转辙机和控制各牵引点启动顺序的办法解决了长大尖轨同步平稳转换的难题[35,50-51].
4 高速道岔的制造与铺设
高速道岔精品化理念由系统化设计、精细化加工制造、逐组组装、驻厂监造、集成供货、精密铺设等核心环节共同构成.高速道岔的高技术性能依赖于制造和组装过程中的精细化程度,而高精密的铺设施工则是确保道岔具有高平顺性、可靠性从而实现高舒适度的关键.
4.1 生产工艺
为保证道岔制造的精度及平顺性,我国高速道岔制造厂家均进行了装备升级,引进了国际领先水平的大型设备,如数控龙门铣床、高精度的数控锯钻、大型钢轨焊机和高吨位压力机等.文献[66-69]详细介绍了高速道岔的生产过程,包括关键零部件的加工工艺、道岔厂内组装试铺设等过程.
为满足高速道岔的高平顺性、高舒适度和高可靠性的要求,文献[70]对道岔制造过程中限位器、水平螺栓、间隔铁等零件的优化设计进行了深入分析.文献[71]采用有限单元法进行尖轨矫直研究,分析了加载支距、加载方式和加载量对尖轨矫直塑性变形、应力及尖轨线形的影响.文献[72]研究了钢轨矫直过程中残余应力的控制方法.文献[73]研究了高速道岔尖轨跟端的锻造及淬火工艺,并提出了尖轨铣削时的合理切削参数.文献[74]研究了钢轨热处理对提高钢轨强度的影响,文献[75]研究了钢轨锻造工艺对其强度的影响.
高速道岔作为拥有高精密度的机电一体化设备,应力争在超长钢轨变形控制、轨顶面通长加工、轨头轮廓高精度控制、综合防腐技术、零部件精细化制造等方面取得突破和创新.道岔中非对称的钢轨件在刨切加工后残余应力会发生较大变化,在列车荷载作用下会导致尖轨、心轨发生扭转变形,应开展钢轨残余应力仿真、测试及控制技术研究.此外,高速道岔组装完成后各部件的相对位置及尺寸配合精度要求较高,需要开展加工误差匹配、相消设计及部件选配研究,进一步完善质量管理体系.
4.2 运输与吊装
高速道岔的运输方式主要有3种,第一种是散件运输,这种运输方式无需大型设备运输及吊装,但现场重新组装时工作量较大,中国目前采用的是散件运输;第二种是分块运输方式,德国的高速道岔主要采取这种方式;最后一种是整组运输方式,这种运输方式效率较低,欧洲高速铁路道岔曾采用过这种方式.
高速铁路道岔的钢轨件为细长结构,在运输、存放和运输中极易发生不能恢复的塑性变形,而变形会影响道岔的精度和铺设质量,因此,道岔的吊装需要使用满足要求的起重机械,且吊具应按标记位置起吊道岔组件[76-77].
文献[78]提出了42号板式无砟道岔运输采用汽车运输短配轨、扣件系统,提前组装,火车运输长配轨、辙叉至现场,采用两台履带吊,双吊梁多点柔性起吊、移动一次就位的设计方案;文献[79]研究制订了普通平板车装运42号道岔的运输方案,探索出一种大号码高速道岔的铁路运输方案.
4.3 铺设技术
高速道岔的现场铺设方法包括原位铺设和移动铺设两种方法,原位铺设需封锁线路,一般适用于新建线路;而运营线路中道岔更换多采用移位法铺设.
文献[80]针对大号码高速道岔的铺设精度及运营稳定性要求,对道岔的铺设工序进行了深入研究和实践探索;文献[81]简要介绍了德国引进技术建造的高速道岔在现场铺设时的主要施工工艺和流程;文献[82]根据18号高速道岔在武汉铁路局线上的铺设和使用情况,提出了高速道岔铺设的方法和质量控制.文献[83]开发出客运专线无砟道岔精调系统,并应用于德国BWG公司生产的18号无砟道岔现场精调作业指导.
应加快研制高速道岔专用运输车辆和铺设机具,实现各型号高速道岔的分块式运输与铺设.
5 高速道岔维护与管理
高速道岔的维修也应遵循与区间线路一致的“预防为主、防治结合、严检慎修”基本原则,根据道岔状态的变化规律,合理安排养护与维修,做到精确检测、全面分析、精细修理,目标是有效预防和整治病害.同时,由于高速道岔结构的特殊性及其在铁路运营安全中的重要地位,其养护维修标准更高.
5.1 检测技术
高速铁路道岔的检测内容,主要包括道岔状态及几何尺寸检查、道岔钢轨检查两大部分.道岔状态及几何尺寸检查遵循“动态检查为主,动、静态检查相结合,结构检查与几何尺寸检查并重”的原则.动态检测设备主要有轨道检测系统[84]、高速综合检测列车等.轨道静态检测设备一般包括道尺、弦绳、轨道相对几何尺寸检查小车、轨道绝对几何尺寸测量车、轨道伤损多功能检测小车、激光长弦轨道检测小车、GPS惯性导航测量小车、钢轨轮廓测量仪、钢轨焊头平直度测量仪、钢轨波磨测量仪等.
道岔钢轨的检查主要包括钢轨探伤和外观及表面伤损检查.钢轨探伤采用以探伤车为主、探伤仪为辅的方式,对正线及道岔钢轨进行周期性探伤,探伤车检查发现的伤损采用探伤仪进行复核;对钢轨外观及表面伤损主要采用巡检设备与人工巡视相结合的方式进行检查.中国高速铁路的钢轨探伤设备主要有大型钢轨探伤车和小型多通道探伤仪两种,利用超声波在钢轨中传播特性的优点,目前国内外的探伤车都采用了超声波探伤技术.
为了更全面地掌握高速道岔的使用情况,文献[85]基于嵌入式ARM微处理器以及嵌入式Linux操作系统开发平台,设计了高速道岔检测仪,能够实时获取列车通过道岔区间时的道岔轨距、尖轨密贴以及道床振动加速度的量值;文献[86]使用数字化检测和立体显示技术相结合的方法,对道岔的磨损情况进行了研究和展示.
5.2 监测系统
高速道岔是轨道结构的薄弱环节,其尖轨及心轨因无扣件扣压,一旦出现断裂而未能发现,极易引发脱轨事故;同时道岔中各种零部件的干扰及对钢轨轨底的遮蔽,上述探伤车及探伤仪均不易发现尖轨、心轨上出现的裂纹,即使这些钢轨发生了折断，由于其铁垫板不绝缘将导致不能通过轨道电路及时发现.因此,高速道岔钢轨折断是一个重大的安全风险源.国内外均将监测系统作为高速道岔系统的标配,德国和法国高速道岔监测系统的主要工作是监控电务转换设备的工作状态.文献[87]介绍了国外道岔状态实时综合监测系统的技术特点和系统构成;文献[88]设计了一种具有故障诊断功能的道岔监测系统,解决了监测系统的非实时性和状态信息量少等问题.已研制出基于压电能量法的道岔钢轨裂纹监测等装置,形成了新一代高速道岔工电集成的监测平台,填补了国内外高速道岔安全监测的空白[89].
5.3 道岔伤损
高速道岔部件伤损与岔区复杂的轮轨关系密切相关,而且道岔伤损还会增大轮轨动力作用或诱发转换设备故障,因轮轨关系的改变导致晃车,严重时会引起列车脱轨事故[90].
道岔部件伤损包含了区间线路轨道所有的伤损形式且具有特殊的伤损特点.与区间轨道一样,道岔钢轨件的典型伤损形式有磨损、钢轨压溃、塑性流变等塑性累计变形,以及钢轨裂纹、剥离、掉块等滚动接触疲劳等伤损形式[40,91],其特殊性是由道岔的结构型式引起的,如尖轨或心轨薄弱处开裂、曲尖轨侧磨严重磨耗、尖轨掉块及鱼鳞伤等[92-93].
5.4 平顺性管理
由于高速道岔的应用数量较多,受不同生产商制造水平、不同施工队伍铺设水平的限制,以及不同类型动车组、不同基础类型等运营条件的影响,复杂环境中的高速道岔性能和状态差异显著.在设计、制造、铺设和养护过程中,需要根据具体工况对高速道岔的平顺性进行系统的控制和协调.目前,高速道岔不平顺性主要有3类,第1类是轮轨关系不良引起的结构不平顺,例如,尖轨降低值过大会导致车体横向振动加速度超限[94];第2类是道岔几何不平顺,例如,道岔长波不平顺导致车体横向振动加速度超限,钢轨扎制周期性不平顺导致轮重减载率超限等;第3类是道岔状态不平顺,例如,滑床台离缝对轮轨系统的竖向动力响应影响较大,钢轨之间的离缝对轮轨系统的横向动力响应影响较大,转换不足位移对轮轨横向动力相互作用的影响较大,岔枕空吊对道岔转辙器部分的轨道框架保持十分不利等.因此可考虑通过优化轮轨接触关系或轨道刚度均匀化来控制道岔固有结构不平顺，通过提高制造、组装和铺设精度来控制道岔各部件间的离缝等动态不平顺，通过道岔精调和严格的动态验收标准来控制道岔的几何不平顺.
5.5 道岔区钢轨打磨
世界范围内钢轨打磨的研究已经有超过50年的历史,钢轨打磨的主要思路有两种,一种是通过钢轨打磨来消除钢轨走行表面的疲劳破坏层,该方法的主要目的是减缓滚动疲劳接触带来的钢轨伤损;另一种是通过钢轨打磨改善轮轨接触关系,从而降低轮轨相互动力作用.这两种思路的最终目的都是延长钢轨的使用寿命[95-96].钢轨打磨可分为预打磨、预防性打磨和修理性打磨三类.钢轨预打磨应在轨道精调完成后进行,主要目的是去除低碳表皮、调整目标钢轨断面、消除施工车辆对钢轨的损伤;钢轨预防性打磨周期按通过总重和钢轨运用状态确定,原则上每30～50 Mt通过总重打磨一次,最长不宜超过2年;当钢轨出现波磨、鱼鳞裂纹等伤损时,应及时进行修理性打磨[97-98].
道岔中钢轨损坏的主要原因是车轮走行对钢轨形成的磨耗和疲劳破坏.轻度磨耗能增大车轮与轨道钢轨的共形程度[99],而深度磨耗则会造成轮轨接触几何关系的进一步恶化,最终导致道岔钢轨损坏.高速道岔钢轨断面多变,车轮与钢轨的接触关系较为复杂,研究道岔钢轨打磨能够有效减缓和优化轮轨相互作用,对延长道岔使用寿命及提高行车平稳性有重大意义.应根据不同的运营条件进行有针对性地研究高速道岔钢轨打磨,例如,当高速道岔直向通过车辆占很大比例时,研究通过钢轨打磨的方式提升高速道岔直向平顺性就具有重要意义.
5.6 发展趋势
(1) 高效快速的高速道岔检测技术
针对影响高速道岔长期安全服役的关键检测内容,开展几何不平顺高效检测、道岔结构及部件伤损检测、轨道刚度移动检测的理论与方法研究,探索构建面向工务维护及实时反馈的检测评估体系.
(2) 高速道岔状态实时获取技术
建立高速道岔状态实时感知、性能参数实时辨识的动态数字化平台,重点研究高效实时精准的设备及运营状态传感机理;多源异构海量信息时空同步及融合机制;信号系统大数据分析理论及实时在线预测预警模型等,实现高速道岔安全状态、参数的实时监控.
(3) 高速道岔运营安全评估技术
建立基于线路状态和自然环境的高速道岔安全仿真评估模型库等.有效结合仿真和试验实现高速道岔及其运营环境各种状态识别、故障诊断和安全评估，逐步实现高速道岔的自我认知、自我状态评估和智能决策支持等功能.
(4) 基于大数据的高速道岔健康管理及故障预测系统(prognostics and health management, PHM)
针对高速道岔的设计、制造、施工和管养信息长期分割零散、共享应用困难,导致其全寿命周期信息不一致的问题.围绕高速道岔全生命周期发展预测与健康管理技术(PHM),采用云计算、故障诊断、人工智能等技术手段对高速道岔长期状态数据进行建模、分析和挖掘,提取高速道岔先验故障特征,掌握高速道岔各项性能指标全生命周期过程的演变规律,探索各结构部件在不同生命阶段的真实耦合模型,实现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术
针对高速道岔动态性能演变及服役安全基础问题,研究环境与动荷载耦合作用下工程材料与结构动态性能演化规律,研究高速道岔基础结构累积变形与轨面几何形态的空间映射关系,揭示高速列车/道岔的动态相互作用演化机制,提出确保高速道岔性能演变与状态控制的准则与方法.最终为高速道岔的运营安全与维护保障提供理论与数据支撑,大力提升高速道岔主动安全能力.
(6) 高速道岔养修技术
为长期保持高速道岔的高技术性能,应结合高速道岔自身特点,研发道岔专用养修机具,并积累经验探索出一套针对高速道岔的养修模式,形成高速道岔全生命周期能效保持技术体系.
6 结束语
轨道结构是高速列车安全平稳运行的走行基础,要求具有高平顺性与高稳定性,而道岔集成了轨道结构的所有薄弱环节与技术特征,涉及铁道工程、土木工程、机械工程、电气工程、控制工程、信息工程、材料、力学及检测等学科领域,是高速铁路发展建设中的核心技术之一.高速铁路道岔系统理论的形成和工程应用的成功标志着我国高速铁路轨道行业整体技术已达到了世界先进水平.
根据一带一路、高铁走出去、中国制造2025先进轨道交通装备,以及未来轨道交通技术发展等国家和行业战略需求,高速道岔技术仍面临着严峻的技术挑战,需要进一步解决设计、制造与铺设、服役状态诊控和性能维护等全寿命周期中的重大基础科学和前沿技术问题,深度融合先进材料与制造、大数据与云计算、精密测控与效能提升、智能与自动化等先进技术,开展前瞻性、综合性的基础研究与技术创新,提升我国高速铁路轨道结构技术的创新能力,服务于轨道交通国家战略和行业科技进步,为实现由感知、汇聚、记忆、认知、评估五大平台构成的智慧化高速铁路奠定坚实的基础.
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王平(1969-),教授,博士,博士生导师,1994年起至今任职于西南交通大学土木工程学院，现任道路与铁道工程系主任和高速铁路线路工程教育部重点实验室主任.研究方向为高速重载轨道结构及轨道动力学、铁路轨道不平顺及动力学、重载铁路钢轨波形磨耗、提速改造线路轨道结构强化、提速线路维护技术、跨区间无缝线路设计理论与方法、城市轨道交通减振降噪，以及高速铁路道岔设计理论、方法与评估技术.承担国家自然科学基金项目、“863”计划项目、中国铁路总公司科技开发计划项目、四川省科技支撑计划项目和企业委托课题50余项;获得省部级科技进步一等奖以上奖励7项,其中主持3项;获国家授权发明专利16项,出版“十一五、十二五”国家重点图书4部.国家杰出青年科学基金获得者,先后兼任过国务院高速铁路安全大检查专家组副组长、中国高速铁路道岔国产化研发理论组组长、科技部“十三五”国家科技计划重大专项咨询专家、国家自然科学基金委员会工程与材料组评审组成员、中国国家铁路局技术标准委员会委员、中国铁道学会工程分会委员.
E-mail: wping@home.swjtu.edu.cn
陈嵘(1981—),副教授,博士,博士生导师, 2009年起至今任职于西南交通大学土木工程学院,研究方向为高速与重载铁路轨道结构与轨道动力学、城市轨道交通轨道新结构及减振降噪技术.承担国家自然科学基金项目、中国铁路总公司科技开发计划项目、四川省科技支撑计划项目和企业委托课题10余项;获得省部级科技进步一等奖以上奖励7项;获国家授权发明专利11项,出版学术专著1部、译著1部.2014年入选西南交通大学高层次师资队伍建设“竢实之星”培养计划.现为国家自然科学基金项目评审专家、《铁道学报》等多个期刊特邀审稿人、美国机械工程师协会 (ASME)会员,高速铁路轨道四川省创新团队骨干成员.
E-mail: chenrong@home.swjtu.edu.cn
(中文编辑:秦萍玲 英文编辑:兰俊思)
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
国家自然科学基金资助项目(51425804,51378439); 高速铁路基础研究联合基金资助项目(U1334203,U1234201)
王平,陈嵘,徐井芒,等. 高速铁路道岔系统理论与工程实践研究综述[J]. 西南交通大学学报,2016,51(2): 357-372.
0258-2724(2016)02-0357-16
10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.015
U213.6
A
