铁路道岔设计的要求及原则

董 彦 录

(中铁宝桥集团有限公司，陕西 宝鸡 721006)

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铁路道岔设计的要求及原则

董 彦 录

(中铁宝桥集团有限公司，陕西 宝鸡 721006)

结合我国道岔技术发展现状，从车辆运行安全性、线路适应性、行车舒适性、养护维修及经济环保等方面，对铁路道岔结构设计时应遵循的要求及原则等进行介绍，对提升道岔结构设计的安全性、适用性及经济性等具有一定的参考价值。

铁路轨道,道岔,结构设计

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

表2 27 t轴重重载道岔使用寿命

表3 30 t轴重重载道岔使用寿命

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=0.65 km2/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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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

董彦录(1963- )，男，高级工程师

U213.6

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