铁路道岔提高过岔速度的措施

一、概述   
列车通过道岔的速度包括直向通过速度和侧向通过速度。道岔的过岔速度是控制行车速度的 重要因素之一。道岔容许通过速度取决于道岔构析的强度及平面型式两个方面，这些是保证列车安全平稳运行和旅行舒适度所必不可少的条件。

二、侧向过岔速度    就一组单开道岔而言，侧向通过速度包括转辙器、导曲线、辙叉及岔后连接路这四部分的通 过速度，每一部分都影响道岔侧向的通过速度。然而，辙叉部分，无论从目前的结构型式、强度条件和平面设计来看，都不是控制侧向过岔速度的关键。岔后的接线路不属于道岔的设计范围，且一般规定，岔后连接线路的通过速度不低于道岔导曲线的容许通过速度。因此侧向通过速度主要由转辙器和导曲线这两个部位的通过速度来决定。   
（一）影响道岔侧向通过速度的因素    影响侧向过岔速度的因素很多，主要限制因素是由于导曲线一般不设超高和缓和曲线，且半 径较小，列车未被平衡的离心加速度较大。    机车车辆由直线进入道岔侧线时，在开始迫使车辆改变运行方向的瞬间，将必然发生车辆与钢轨的撞击，此时，车体中的一部动能，将转变为对钢轨的挤压和机车车辆走行部分横向弹性变形的位能，即动能损失。动能损失过大将影响旅行舒适度和道岔结构的稳定，降低其使用寿命，因此动能损失必须限制在容许范围之内。   
（二）基本参数的确定    目前道岔设计中用以下三个基本参数来表达列车运行在道岔侧线上所产生的横向力的不利 影响：动能损失、未被平衡的离心加速度、未被平衡的离心加速度增量。   1.动能损失ω     假定撞击前后车体质量为常量，并近似地把车体视为一个用用于冲击部位的质点，同时略去道岔被冲击后的弹性变形，那么车辆与钢轨撞击时的动能损失，将正比于车体运行速度损失的平方。由图4-28可见，车轮在C点与直线尖轨撞击后，运行方向被迫同，运行方向上的速度由V变成Vcosβ'（式中为β"冲击角），速度的损失为Vsinβ'，因此撞击时的动能损失为
车辆与直线尖轨和曲线尖轨撞击时，其动能损失的表达式稍有不同。   
（1）车辆逆向进入直线尖轨转辙器时，由于冲击角β'与尖轨平面辙角β'，如图4-27所示，故动能损失为
（2）车辆自直线撞击圆曲线型尖轨时，轮缘与钢轨之间的游间与曲线半径R冲击角之间的关系由图4-29可知：
为防止列车侧向过岔时，轮轨撞击的动能损失过大，ω必须限制在一个容许值之内。   2.未被平衡的离心加速度    道岔导曲线一般采用圆曲线，且导曲线一般不设超高。因此，列车在导曲线上运行时，将产生未被平衡的离心加速度a ,其计算式为 式中，列车速度按m/s计，导曲线半径R按m计。    为保证列车平稳通过道岔，并满足旅客舒适度的要求，a必须小于容许值a0。   3.未被平衡的离心加速度增量Ψ    车辆从直线进入圆曲线时，未被平衡的离心加速度是渐变的。其单位时间内的增量等于Ψ=da/dt。同样Ψ也必须控制在一个容许值Ψ0之内。未被平衡的离心加速度变化，可以近似地假定为在车辆全轴全轴距范围内完成，当导曲线不设超高时，Ψ可采用下式计算式中，l为车辆全轴距，可采用全金属客车的值，即l=18mm,列车速度v按m/s计。   综合考虑上述三个主要参数在基础上，结合现有各类道岔的结构情况，我国铁路线路维修规则规定，道岔的侧向容许通过速度见表4-5。
（三）提高道岔侧向通过速度的途径    根据以上分析，增大导曲线半径，减小车轮对道岔各部位的冲击角，是提高侧向通过速度的 主要途径。此外，加强道岔结构，也有利于提高侧向通过速度。    采用大号码道岔，以增大导曲线半径，这是提高测向通过速度有的效办法。但道岔号数增加后，道岔的长度也增加了。如我国18号道岔全长为54m ,较12号道岔长17m，较9号道岔长25m，这需要相应地增加站坪长度，因而在使用上受到限制。    采用对称道岔，在道岔号数相同时，导曲线半径约为单开道岔的一倍左右，可提高侧向通过速度。但对称道岔两股均为曲线，使原来直股的运行条件变坏，因而仅适用于两个方向上的列车通过速度或行车密度相接近的地段。    在道岔号数固定的条件下，改进平面设计，例如采用曲线尖轨、曲线辙叉，也可以达到加大导曲线半径的目的。    采用变曲率的导曲线，可以降低轮轨撞击时的动能损失和减缓未被平衡离心加速度及其变化率，但仅在大号码道岔中才有实际意义。导曲线设置超高，可以减缓未被平衡离心加速度及增量，但实际上受道岔空间的限制，超高值很小，只能起到改到改善运营条件（如防止出现反向超高）的作用，而不能显著提高侧向通过速度。    减小车轮对侧线各部位钢轨的冲击角，如防止轨距不必要的加宽，采用切线型曲线尖轨，尖轨、翼轨与护轨缓冲段选用尽可能相同的冲击角，并且使与导曲线容许通过速度相配合。
三、直向过岔速度   
（一）影响道岔直向通过速度的因素    1.道岔平面冲击角的影响    当列车逆岔直向过岔时，车轮轮缘将与辙叉上护轨缘冲段作用连碰撞，而当顺岔直向过岔时，则将与记轨另一缓冲段作用边碰撞，如图4-30所示。    同护轨一样，翼轨缓冲段上也存在冲击角，这样在道岔直向过岔速度问题上，就会产生与护轨相类似的问题，如图4-31所示。在一般辙叉设计中，直向和侧向翼轨多作成对称的形式，冲击角采用与护轨相同的数值。   当列车逆向通过辙叉，轮对一侧车轮靠近基本轨运行时，另一侧的车轮则必然发生轮缘对翼轨的冲击，其冲击角与道岔号数有关，一般常见的道岔上，其值较其它几个冲击角为大，是一个起控制直向过岔速度的重要因素。例如我国现有的标准12号固定辙叉道岔上，翼轨从辙叉咽喉至叉心尖端上的冲击角βw可采用下式计算。
2.道岔立面几何不平顺和影响    车轮通过辙叉由翼轨滚向心轨时，车轮逐渐离开翼轨，因轮踏面为一锥体，致使车轮下降，当车轮滚上心轨后，车轮又逐渐恢复至原水平面。反向运行也相同，车轮通过辙叉必须克服这种垂直几何不平顺，引起车体的振动和摇摆。    车轮由基本轨过渡到尖轨时，锥形踏面车轮也会出现会先降低随后升高的现象，使车轮犹如在轨面高低不平顺上行台，产生附加动力作用，限制着过岔速度的提高。  
（二）直向过岔速度的范围    目前虽没有简便而成熟的直向通过速度计算法，不过根据我国的运营实践并结合一定的理论分析，依据道岔的结构状况，将直向通过速度限制为同等级区间线路容许速度的80%～90%。   车辆直向通过道岔时，虽然不存在未被平衡离心加速度和加速度变化率的问题，但仍然有车轮对护轨和翼轨的撞击问题，作为辅助性的理论分析，也要控制轮轨撞击时的动能损失，限制不同条件下供比较用的动能损失不超过容许限值。由于列车直向过岔时，不存在迫使其改变运动方向的问题，因而参与撞击的列车质量较侧向过岔时小很多。    另外，要保证直向过岔时车轮不爬轨，这主要是指辙叉咽喉至叉心尖端的翼轨部分，要达到这一点，应取Vsinβ'不超过某一容许限值。这一数值在我国取为3km/h。   我国铁路线路维修规则规定的道岔直向容许过岔速度  
（三）提高直向过岔速度的途径    提高直向过岔速度的根本途径是道岔部件须用新型结构和新材料。其次，道岔的平面及构造要采用合理的型式及尺寸，以消除或减少影响直向过岔速度的因素。    转辙器部分可采用特种数据面尖轨代替普通断面钢轨，采用弹性可弯式固定型尖轨跟部结构，增强尖轨跟部的稳定性。避免道岔直线方向上不必要的轨距加宽。将尖轨及基本轨进行淬火，增强耐磨性。    采用活动心轨型辙叉代替固定辙叉，保证列车过岔时线路连续，从根本上消灭有害空间，并使道岔强度大大提高。适当加长翼轨、护轨缓冲段长度，减小冲击角，或采用不等长护轨，以满足直向高速度的要求。    为减少车辆直向过岔时车轮对护轨的冲击，可以使用弹性护轨。    加强道岔的维修保养，及时修换磨耗超限的道岔零、部件，保持道岔经常处于良好的技术状态。这些均有助于提高直向过岔速度。
四、高速道岔    道岔是限制列车运行速度的关键设备，在高速铁路中占有特殊的地位。高速道岔在功能上和 构造上与常速道岔相比，没有原则上的区别，只是对安全性和舒适度的要求更高了。近几年来，各国铁路根据高速运行时车轮与道岔的相互作用特点，对高速道岔的平纵断面、构造、制造工艺、道岔区内的轨下基础以及养护维修均进行了大量的研究，设计制造出一系列适用于不同运行条件的高速道岔。   
1．高速道岔的分类    在高速铁路上使用的道岔仍以单开道岔为主。当前高速道岔主要分为两类：一类是适用于直向高速行车的道岔，在改造客货混流的既有线以提高客车运行速度时，多半保留原有车站的平面布置以避免较大的改造成工程量，这种情况下，道岔的长度及辙叉角不宜有较大的改动，由于高速列车很少甚至不进入道岔侧线。而在直向要求从局部改善道岔的几何形状、强化结构强度、增强稳定性及延长使用寿命等方面保证列车的直向通过速度与区间线路一致。这类道岔一般为常用号码道岔。     另一类是直向和侧向都容许高速度通过的大号码道岔，适用于新建高速客车专用线，这类道岔应满足高速列车侧向通过时对运行平稳性及乘坐舒适性的要求，一般为大号码道岔，它们的侧向容许通过速度较高。   
2．高速道岔的平纵断面特征   
（1）侧向高速道岔大多采用缓和曲线作导曲线，其线型主要有三次抛物线和螺旋线两种，如法国用于渡线的UIC60轨65号道岔的导曲线采用单支三次抛物线，半径最大处位导曲线终点（曲线型辙叉跟端），侧向容许通过速度为220km/h；瑞士铁路在UIC-54EI：25道岔中采用螺旋线型导曲线。    在直向高速道岔中，由于道岔号数的限制，导曲线主要为圆曲线，侧向过岔速度无甚改弯，一般通过减小护轨和翼轨的构造冲角、缩减尖轨尖端的轨距加宽及控制轨距变化率等途径限制平面不平顺   
（2）高速道岔直股的轨距通常与区间轨道一致，并有缩减的趋势。大号码道岔中，因导曲线内接条件大为改善，侧向轨距均与区间轨道一致。   
（3）高速道岔导向侧股的尖轨均为大半径的曲线型尖轨，尖轨与基本轨的平面连接方式多为切线型，尖轨尖端不作加宽，这样可减少列车逆向进入道岔侧线时的冲击角。辙叉平面有直线型和曲线型两种，直线型辙叉铺设方便，曲线型辙叉可将导曲线延长至辙叉部分，达到增大导曲线半径的目的，在可动心轨辙叉中得到了广泛采用。   
（4）在大号码道岔中导曲线处轨设置超高。有些国家的道岔设置轨底坡或轨顶坡，以进一步改善乘坐舒适度。   
（5）大号码道岔全长大大增加，如法国用65号道岔全长为209m，原西德用42号道岔全长为154m，瑞士用28号道岔全长为100m。  
3．高速道岔的结构特征  
（1）转辙器部分    高速道岔的基本轨通常采用与区间线路钢轨材质及断面相同的类型。采用藏尖式尖轨结构，尖轨多采用专门轨制的矮型特种断面钢轨制造，尖轨跟端采用稳委可靠的弹性可弯式结构。在可动心轨辙叉中心轨与翼轨的贴靠部位同样采用这样的结构形式。  
（2）辙叉部分    可动辙叉在平面上消除了几何不平顺，在剖面及纵断面上的几何不平顺大为减少，与转辙器部分甚为接近，可显著减小轮轨间的附加作用力。可动心轨辙叉与可动翼轨辙叉相比，不存在翼轨稳定性的问题，易传递横向作用力，是各国铁路大力研制并广泛采用的结构形式。 
  在既有线的改造中也有使用固定式辙叉的实例，如俄罗斯的P651/11型高速道岔的辙叉主要是高锰钢整铸结构，由于固定式辙叉在造价、转换技术、设备及管理等方面比可动心轨具有优越性，故在客货混流的既有线上仍是一种可供选择的结构形式。国处在致力研究固具有优越性，矿在客货混流的既有线上仍是一种可供选择的结构形式，国外正在致力形容固定式辙叉与普通钢轨的焊接技术、辙叉表面的爆炸硬化处理技术等。  
（3）转换设备    转换设备的主任务是何证列车按规定的方向安全运行。转换系统必须按照给定的方向将密巾尖轨（或心轨）与基本轨（或翼轨）牢靠地紧巾在一起。同时要求斥离的尖轨与基本轨有足够的距离以保证轮缘能顺利通过。高速道岔中多采用外锁闭装置，来改善转辙机械的工作条件，确保转换安全。     大号码道岔的尖轨一般较长，为保证尖轨转换可靠及扳动到位，常使用多根转辙杆。如法国的65号道岔，尖轨长57.50m，采用6根转辙杆；德国UIC60轨1：25.6道岔，泵轨长31.74m，设置了4根转辙杆。在长尖轨下还设置了尖轨扳动时的减摩装置。  
（4）加强道岔结构    焊接道岔部位的接头形成无缝道岔，能提高高速列车过岔时的走行平稳性。    道岔区钢轨扣件均为可调型：转辙器部分设置可调式轨撑，中间扣件为扣板式，护轨部分设调整片。    道岔区内各钢轨表面均经表面全长中频感应淬火处理。    采用特种断面的弹性护轨，护轨轨面高于基本轨，这样可增加护轨与车轮的接触面，更有效地引导车轮，减小心轨磨耗。    试验道岔范围内的新型轨下基础，以便和区间线路的轨下基础类型一致。  
4.我国的提速道岔    为适应我国干线的提速，1996年研制出了新型提速道岔，可以满足旅客列车以160km/h的速度直向通过，轴重23t的货物列车以90km/h的速度直向通过，各类列车以50km/h的速度侧向通过。该道岔技术标准起点高，在道岔在结构上主要有以下一些特点：    尖轨为弹性可弯式，60AT轨制造。在理论弹性可弯段轨底不作蚀切。跟端采用热锻成型工艺过渡为标准钢轨断面，尖轨跟部成型段扭转1：40的角度保证尖轨跟端与导曲线钢轨的正常连接。基本轨设1:40轨底坡，尖轨设1：40轨顶坡，滑床板在基本轨氏部位置铣出1:40轨底坡，尖轨在顶面刨出1:40轨顶坡。尖轨尖端为藏尖式。尖轨采用二点牵引的分动转换方案，各类转换杆件均隐蔽设置在钢岔枕内。尖轨跟部设限位器。    道岔导曲线为半径350m的圆曲线，道岔各部轨距均为1435mm，尖轨局部范围对应的侧股有构造加宽。辙叉采用固定型和可动心轨型两种。    固定辙叉采用高猛钢整铸辙叉，趾，跟端为全夹板联结，翼轨级冲段冲击角较标准确性道岔减小为34。护轨用钢轨制造，采用分开式结构（H型），护轨顶面高出基本轨12mm,直向护轨缓冲段冲击角减小30分。直侧向采用不等长护轨，直向轨长6.9m，侧向护轨长4.8m。    可动心轨辙叉采用钢轨组合型，心轨用60AT轨制造，翼轨用60kg/m钢轨制造。长心轨跟部为固定端，在理论弹性可弯部分，轨底作削弱刨切，跟部设有三个双孔间隔铁，用高强度螺栓部为固定端，在理论弹性可弯部分，轨底作削弱刨切，跟部设有三个双孔间隔铁，用高强度螺栓与长翼轨相联结，区间温度力可通过间隔铁的摩托车阻力传递给长翼轨。在长心轨第一牵引点处采用热锻工艺，将AT轨轨底长肢旋转，向钢轨竖轴下部延伸，在电务转换设备联结。长心轨与短心轨之间用间隔铁联结，短心轨末端为滑动端。长、短心轨均在顶面蚀切形成1:40轨顶直通。在长心轨跟端成型段起点再扭转成1:40坡度，以便与区间钢轨连接。长翼轨上对应长心转转换凸缘部位，翼轨内侧轨底有宽度为55mm的切口，便于转换锁闭，为弥补切口对翼轨截面的削弱，而在翼轨外侧轨腰设有补强板，在下部设有桥板。翼轨与心轨密巾段以前设轨底坡，其后部分在过渡段内扭转成平坡，简化垫板结构。叉跟尖轨用普通制造，设1:40轨底坡，短心轨尾部与叉跟尖轨非工作边相互巾合，在心轨转换过程中，短心轨尾部可前后滑动。直股不设护轨，侧股护轨用50kg/m钢轨制造，为H型分开式结构，护轨高出基本轨12mm。    岔枕采用木枕和混凝土枕两种形式。岔枕均垂直直股钢轨布置，岔枕间距均匀一致，均为600mm。混凝土岔枕的承载能力大于型混凝土轨。采用型弹条分开式扣件。道岔直股全部采用焊接接头，铺于跨区间超长无缝线路区段时，道岔侧股采用焊接与否，视具体情况而定。道岔各税钢轨（除尖轨、心轨外）及垫板下均设有弹性缓冲垫层，并尽可能与区间线路弹性保持连续。整组道岔分段合理，适应在厂内整组组装、分段运输及现场机械化铺设需要。    目前我国所使用的最大号码道岔是新设计60kg/m钢轨38号可动心轨道岔，直向允许客车以250km/h的速度通过，侧向允许以140km/h的速度通过，将在秦沈客运专线上试用，其结构特点与12号可动心轨提速道岔类似。