现代有轨电车道岔合理刚度分析

王拓

和轨道其他位置不同的是，道岔有着特殊的结构，比如转辙器部分和辙叉部分，是轨道最薄弱的位置之一。道岔部分的受力较其他部分要复杂，由此也产生了一系列的问题，主要表现为：道砟易破损，道床易板结，钢轨下沉量大。转辙器部分的尖轨和基本轨，辙叉部分的心轨和翼轨共同承担着车辆行驶产生的移动荷载。因此这些位置刚度变化显著，需要进行刚度均匀化手段来消除这些不利影响。

现代有轨电车道岔轨道刚度的合理配置，会影响到列车运行的舒适度，轨道几何形位，养护维修等很多方面。因此，合理的轨道刚度对整个轨道系统来说是至关重要的，如果轨道刚度过大，会使轮轨相互作用加剧，使列车的运行平稳性降低，列车运行的舒适性和使用寿命也会大打折扣；而如果轨道刚度过小，列车通过时会使轨道变形过大，轨道几何形位难以保证，这样轨道的维修量则会大大增大，造成很大的经济费用和很长的工作时间，而且还不能使轨道设备物尽其用，造成很大的浪费。因此，合理的刚度对轨道系统的平顺性有着十分重要的意义，影响着列车通过的安全性和舒适性。

法国的许多铁路线路都为有砟轨道，因为良好的道砟可以为轨道提供更多的弹性，所以法国格外重视道砟的质量。法国铁道道砟颗粒级配范围为35～55mm，而且粒径均匀。有着这种道砟的道床可以为双块式轨枕轨道提供60kN/mm的枕下基础刚度。法国道岔有着特殊的刚度结构组合，即基本轨轨下4.5mm弹性垫层，铁垫板下为6mm的弹性垫层，辙叉下为9mm的弹性垫层。也就是说，法国是通过选用优质道砟来对轨道刚度进行优化的。

为了限制在道岔区间的钢轨的动位移过大，在有咋道床的基础上增加轨下胶垫的刚度。但是这样做就会导致道岔区整体刚度过大，增加了道岔轨道的附加力，加大了车轮和轨道之间的相互作用，增加轨下道床和基础的受力和变形，加快了道岔部件的疲劳损伤。这样也不能达到动力学最优的原则，并且加大了对道岔结构的养护和维修的工作量。

德国道岔钢轨的扣件刚度一般可以近似的认为是17.5kN/m，道岔部分的轨道的整体刚度一般小于区间线路刚度。这样有利于降低道岔轨道的附加力，减小车轮和轨道之间的相互作用，降低轨下道床和基础的受力和变形，减缓道岔部件的疲劳损伤。由于道岔区间刚度比较小，车辆动轮载的影响范围比较广，所以，岔枕上分担的支承力也较小。

（1）因为道岔的轨道刚度较小，仅仅只有17.5kN/mm，很容易出现钢轨的竖向位移过大，尤其是在动荷载条件下，导致道岔区间轨道大部分下沉较为严重。由于动态位移的增大，产生对轨道形位不利的影响，同时它也会增大转辙器部分基本轨与尖轨的相对位移，尤其是在尖轨的中部，这个部分产生的相对位移最大。虽然牵引装置的锁闭力量大，但是因为牵引的间距太长，还是会使尖轨在荷载未到达之前提前受力。另外，在车轮动态荷载的作用下，在不平顺动态系数的影响下，将会导致轨道的不平顺急剧增加。这不但会使列车振动加剧，而且还会使钢轨的应力增加。所以，在对道岔刚度的合理优化设计中，扣件刚度并不是越低越好，而是根据各种限制条件来进行合理的选择。

（2）因为轨道刚度过低引起钢轨动态位移过大，同时钢轨的应力也会增大，在比较恶劣的条件下，钢轨的应力能达到122MPa。这对于复杂的道岔区段，特别是在经过剖切后的尖轨和心轨，导致其受力过大而降低了强度安全系数。

20世纪80年代左右，我国铁路道岔扣件系统采用两种扣件，即转辙器部分和辙叉部分采用分开式扣件，而其他部分采用不分开式扣件。而经历1996年铁路系统提速后，道岔的扣件系统也有所发展，整个道岔系统均采用分开式扣件。

中国铁路道岔的发展是根据我国各种地理环境和社会需求而设计、研发和制造的道岔，并以这些道岔为基础，通过吸取国外道岔的优点和不断地自我创新和设计研究，对其缺点进行不断地改进和完善，还有进行不断地试验和实际应用发展起来的。

中国道岔的刚度配置是以线路容许通过速度和道岔区基础情况为依据来进行的，针对不同的道岔结构采用不同的部件刚度匹配。道岔区的轨下胶垫一般取值较大，这样有利于减小基本轨和尖轨、心轨与翼轨之间的刚度差距，从而可以避免产生尖轨或者心轨手里不利的现象，这样轨道的横向稳定可以得到保证；而道岔的板下胶垫采用较小的刚度，有利于使钢轨的疲劳损伤速率减缓，使轮载的动附加力得以降低，是列车振动得以减缓，使岔枕和道床的受力和变形得以减轻。

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