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鐵路道岔提高過岔速度的措施

一、概述   
列車通過道岔的速度包括直向通過速度和側向通過速度。道岔的過岔速度是控制行車速度的 重要因素之一。道岔容許通過速度取決于道岔構析的強度及平面型式兩個方面,這些是保證列車安全平穩運行和旅行舒適度所必不可少的條件。

二、側向過岔速度    就一組單開道岔而言,側向通過速度包括轉轍器、導曲線、轍叉及岔后連接路這四部分的通 過速度,每一部分都影響道岔側向的通過速度。然而,轍叉部分,無論從目前的結構型式、強度條件和平面設計來看,都不是控制側向過岔速度的關鍵。岔后的接線路不屬于道岔的設計范圍,且一般規定,岔后連接線路的通過速度不低于道岔導曲線的容許通過速度。因此側向通過速度主要由轉轍器和導曲線這兩個部位的通過速度來決定。   
(一)影響道岔側向通過速度的因素    影響側向過岔速度的因素很多,主要限制因素是由于導曲線一般不設超高和緩和曲線,且半 徑較小,列車未被平衡的離心加速度較大。    機車車輛由直線進入道岔側線時,在開始迫使車輛改變運行方向的瞬間,將必然發生車輛與鋼軌的撞擊,此時,車體中的一部動能,將轉變為對鋼軌的擠壓和機車車輛走行部分橫向彈性變形的位能,即動能損失。動能損失過大將影響旅行舒適度和道岔結構的穩定,降低其使用壽命,因此動能損失必須限制在容許范圍之內。   
(二)基本參數的確定    目前道岔設計中用以下三個基本參數來表達列車運行在道岔側線上所產生的橫向力的不利 影響:動能損失、未被平衡的離心加速度、未被平衡的離心加速度增量。   1.動能損失ω     假定撞擊前后車體質量為常量,并近似地把車體視為一個用用于沖擊部位的質點,同時略去道岔被沖擊后的彈性變形,那么車輛與鋼軌撞擊時的動能損失,將正比于車體運行速度損失的平方。由圖4-28可見,車輪在C點與直線尖軌撞擊后,運行方向被迫同,運行方向上的速度由V變成Vcosβ'(式中為β"沖擊角),速度的損失為Vsinβ',因此撞擊時的動能損失為
車輛與直線尖軌和曲線尖軌撞擊時,其動能損失的表達式稍有不同。   
(1)車輛逆向進入直線尖軌轉轍器時,由于沖擊角β'與尖軌平面轍角β',如圖4-27所示,故動能損失為
(2)車輛自直線撞擊圓曲線型尖軌時,輪緣與鋼軌之間的游間與曲線半徑R沖擊角之間的關系由圖4-29可知:
為防止列車側向過岔時,輪軌撞擊的動能損失過大,ω必須限制在一個容許值之內。   2.未被平衡的離心加速度    道岔導曲線一般采用圓曲線,且導曲線一般不設超高。因此,列車在導曲線上運行時,將產生未被平衡的離心加速度a ,其計算式為 式中,列車速度按m/s計,導曲線半徑R按m計。    為保證列車平穩通過道岔,并滿足旅客舒適度的要求,a必須小于容許值a0。   3.未被平衡的離心加速度增量Ψ    車輛從直線進入圓曲線時,未被平衡的離心加速度是漸變的。其單位時間內的增量等于Ψ=da/dt。同樣Ψ也必須控制在一個容許值Ψ0之內。未被平衡的離心加速度變化,可以近似地假定為在車輛全軸全軸距范圍內完成,當導曲線不設超高時,Ψ可采用下式計算式中,l為車輛全軸距,可采用全金屬客車的值,即l=18mm,列車速度v按m/s計。   綜合考慮上述三個主要參數在基礎上,結合現有各類道岔的結構情況,我國鐵路線路維修規則規定,道岔的側向容許通過速度見表4-5。
(三)提高道岔側向通過速度的途徑    根據以上分析,增大導曲線半徑,減小車輪對道岔各部位的沖擊角,是提高側向通過速度的 主要途徑。此外,加強道岔結構,也有利于提高側向通過速度。    采用大號碼道岔,以增大導曲線半徑,這是提高測向通過速度有的效辦法。但道岔號數增加后,道岔的長度也增加了。如我國18號道岔全長為54m ,較12號道岔長17m,較9號道岔長25m,這需要相應地增加站坪長度,因而在使用上受到限制。    采用對稱道岔,在道岔號數相同時,導曲線半徑約為單開道岔的一倍左右,可提高側向通過速度。但對稱道岔兩股均為曲線,使原來直股的運行條件變壞,因而僅適用于兩個方向上的列車通過速度或行車密度相接近的地段。    在道岔號數固定的條件下,改進平面設計,例如采用曲線尖軌、曲線轍叉,也可以達到加大導曲線半徑的目的。    采用變曲率的導曲線,可以降低輪軌撞擊時的動能損失和減緩未被平衡離心加速度及其變化率,但僅在大號碼道岔中才有實際意義。導曲線設置超高,可以減緩未被平衡離心加速度及增量,但實際上受道岔空間的限制,超高值很小,只能起到改到改善運營條件(如防止出現反向超高)的作用,而不能顯著提高側向通過速度。    減小車輪對側線各部位鋼軌的沖擊角,如防止軌距不必要的加寬,采用切線型曲線尖軌,尖軌、翼軌與護軌緩沖段選用盡可能相同的沖擊角,并且使與導曲線容許通過速度相配合。
三、直向過岔速度   
(一)影響道岔直向通過速度的因素    1.道岔平面沖擊角的影響    當列車逆岔直向過岔時,車輪輪緣將與轍叉上護軌緣沖段作用連碰撞,而當順岔直向過岔時,則將與記軌另一緩沖段作用邊碰撞,如圖4-30所示。    同護軌一樣,翼軌緩沖段上也存在沖擊角,這樣在道岔直向過岔速度問題上,就會產生與護軌相類似的問題,如圖4-31所示。在一般轍叉設計中,直向和側向翼軌多作成對稱的形式,沖擊角采用與護軌相同的數值。   當列車逆向通過轍叉,輪對一側車輪靠近基本軌運行時,另一側的車輪則必然發生輪緣對翼軌的沖擊,其沖擊角與道岔號數有關,一般常見的道岔上,其值較其它幾個沖擊角為大,是一個起控制直向過岔速度的重要因素。例如我國現有的標準12號固定轍叉道岔上,翼軌從轍叉咽喉至叉心尖端上的沖擊角βw可采用下式計算。
2.道岔立面幾何不平順和影響    車輪通過轍叉由翼軌滾向心軌時,車輪逐漸離開翼軌,因輪踏面為一錐體,致使車輪下降,當車輪滾上心軌后,車輪又逐漸恢復至原水平面。反向運行也相同,車輪通過轍叉必須克服這種垂直幾何不平順,引起車體的振動和搖擺。    車輪由基本軌過渡到尖軌時,錐形踏面車輪也會出現會先降低隨后升高的現象,使車輪猶如在軌面高低不平順上行臺,產生附加動力作用,限制著過岔速度的提高。  
(二)直向過岔速度的范圍    目前雖沒有簡便而成熟的直向通過速度計算法,不過根據我國的運營實踐并結合一定的理論分析,依據道岔的結構狀況,將直向通過速度限制為同等級區間線路容許速度的80%~90%。   車輛直向通過道岔時,雖然不存在未被平衡離心加速度和加速度變化率的問題,但仍然有車輪對護軌和翼軌的撞擊問題,作為輔助性的理論分析,也要控制輪軌撞擊時的動能損失,限制不同條件下供比較用的動能損失不超過容許限值。由于列車直向過岔時,不存在迫使其改變運動方向的問題,因而參與撞擊的列車質量較側向過岔時小很多。    另外,要保證直向過岔時車輪不爬軌,這主要是指轍叉咽喉至叉心尖端的翼軌部分,要達到這一點,應取Vsinβ'不超過某一容許限值。這一數值在我國取為3km/h。   我國鐵路線路維修規則規定的道岔直向容許過岔速度  
(三)提高直向過岔速度的途徑    提高直向過岔速度的根本途徑是道岔部件須用新型結構和新材料。其次,道岔的平面及構造要采用合理的型式及尺寸,以消除或減少影響直向過岔速度的因素。    轉轍器部分可采用特種數據面尖軌代替普通斷面鋼軌,采用彈性可彎式固定型尖軌跟部結構,增強尖軌跟部的穩定性。避免道岔直線方向上不必要的軌距加寬。將尖軌及基本軌進行淬火,增強耐磨性。    采用活動心軌型轍叉代替固定轍叉,保證列車過岔時線路連續,從根本上消滅有害空間,并使道岔強度大大提高。適當加長翼軌、護軌緩沖段長度,減小沖擊角,或采用不等長護軌,以滿足直向高速度的要求。    為減少車輛直向過岔時車輪對護軌的沖擊,可以使用彈性護軌。    加強道岔的維修保養,及時修換磨耗超限的道岔零、部件,保持道岔經常處于良好的技術狀態。這些均有助于提高直向過岔速度。
四、高速道岔    道岔是限制列車運行速度的關鍵設備,在高速鐵路中占有特殊的地位。高速道岔在功能上和 構造上與常速道岔相比,沒有原則上的區別,只是對安全性和舒適度的要求更高了。近幾年來,各國鐵路根據高速運行時車輪與道岔的相互作用特點,對高速道岔的平縱斷面、構造、制造工藝、道岔區內的軌下基礎以及養護維修均進行了大量的研究,設計制造出一系列適用于不同運行條件的高速道岔。   
1.高速道岔的分類    在高速鐵路上使用的道岔仍以單開道岔為主。當前高速道岔主要分為兩類:一類是適用于直向高速行車的道岔,在改造客貨混流的既有線以提高客車運行速度時,多半保留原有車站的平面布置以避免較大的改造成工程量,這種情況下,道岔的長度及轍叉角不宜有較大的改動,由于高速列車很少甚至不進入道岔側線。而在直向要求從局部改善道岔的幾何形狀、強化結構強度、增強穩定性及延長使用壽命等方面保證列車的直向通過速度與區間線路一致。這類道岔一般為常用號碼道岔。     另一類是直向和側向都容許高速度通過的大號碼道岔,適用于新建高速客車專用線,這類道岔應滿足高速列車側向通過時對運行平穩性及乘坐舒適性的要求,一般為大號碼道岔,它們的側向容許通過速度較高。   
2.高速道岔的平縱斷面特征   
(1)側向高速道岔大多采用緩和曲線作導曲線,其線型主要有三次拋物線和螺旋線兩種,如法國用于渡線的UIC60軌65號道岔的導曲線采用單支三次拋物線,半徑最大處位導曲線終點(曲線型轍叉跟端),側向容許通過速度為220km/h;瑞士鐵路在UIC-54EI:25道岔中采用螺旋線型導曲線。    在直向高速道岔中,由于道岔號數的限制,導曲線主要為圓曲線,側向過岔速度無甚改彎,一般通過減小護軌和翼軌的構造沖角、縮減尖軌尖端的軌距加寬及控制軌距變化率等途徑限制平面不平順   
(2)高速道岔直股的軌距通常與區間軌道一致,并有縮減的趨勢。大號碼道岔中,因導曲線內接條件大為改善,側向軌距均與區間軌道一致。   
(3)高速道岔導向側股的尖軌均為大半徑的曲線型尖軌,尖軌與基本軌的平面連接方式多為切線型,尖軌尖端不作加寬,這樣可減少列車逆向進入道岔側線時的沖擊角。轍叉平面有直線型和曲線型兩種,直線型轍叉鋪設方便,曲線型轍叉可將導曲線延長至轍叉部分,達到增大導曲線半徑的目的,在可動心軌轍叉中得到了廣泛采用。   
(4)在大號碼道岔中導曲線處軌設置超高。有些國家的道岔設置軌底坡或軌頂坡,以進一步改善乘坐舒適度。   
(5)大號碼道岔全長大大增加,如法國用65號道岔全長為209m,原西德用42號道岔全長為154m,瑞士用28號道岔全長為100m。  
3.高速道岔的結構特征  
(1)轉轍器部分    高速道岔的基本軌通常采用與區間線路鋼軌材質及斷面相同的類型。采用藏尖式尖軌結構,尖軌多采用專門軌制的矮型特種斷面鋼軌制造,尖軌跟端采用穩委可靠的彈性可彎式結構。在可動心軌轍叉中心軌與翼軌的貼靠部位同樣采用這樣的結構形式。  
(2)轍叉部分    可動轍叉在平面上消除了幾何不平順,在剖面及縱斷面上的幾何不平順大為減少,與轉轍器部分甚為接近,可顯著減小輪軌間的附加作用力。可動心軌轍叉與可動翼軌轍叉相比,不存在翼軌穩定性的問題,易傳遞橫向作用力,是各國鐵路大力研制并廣泛采用的結構形式。 
  在既有線的改造中也有使用固定式轍叉的實例,如俄羅斯的P651/11型高速道岔的轍叉主要是高錳鋼整鑄結構,由于固定式轍叉在造價、轉換技術、設備及管理等方面比可動心軌具有優越性,故在客貨混流的既有線上仍是一種可供選擇的結構形式。國處在致力研究固具有優越性,礦在客貨混流的既有線上仍是一種可供選擇的結構形式,國外正在致力形容固定式轍叉與普通鋼軌的焊接技術、轍叉表面的爆炸硬化處理技術等。  
(3)轉換設備    轉換設備的主任務是何證列車按規定的方向安全運行。轉換系統必須按照給定的方向將密巾尖軌(或心軌)與基本軌(或翼軌)牢靠地緊巾在一起。同時要求斥離的尖軌與基本軌有足夠的距離以保證輪緣能順利通過。高速道岔中多采用外鎖閉裝置,來改善轉轍機械的工作條件,確保轉換安全。     大號碼道岔的尖軌一般較長,為保證尖軌轉換可靠及扳動到位,常使用多根轉轍桿。如法國的65號道岔,尖軌長57.50m,采用6根轉轍桿;德國UIC60軌1:25.6道岔,泵軌長31.74m,設置了4根轉轍桿。在長尖軌下還設置了尖軌扳動時的減摩裝置。  
(4)加強道岔結構    焊接道岔部位的接頭形成無縫道岔,能提高高速列車過岔時的走行平穩性。    道岔區鋼軌扣件均為可調型:轉轍器部分設置可調式軌撐,中間扣件為扣板式,護軌部分設調整片。    道岔區內各鋼軌表面均經表面全長中頻感應淬火處理。    采用特種斷面的彈性護軌,護軌軌面高于基本軌,這樣可增加護軌與車輪的接觸面,更有效地引導車輪,減小心軌磨耗。    試驗道岔范圍內的新型軌下基礎,以便和區間線路的軌下基礎類型一致。  
4.我國的提速道岔    為適應我國干線的提速,1996年研制出了新型提速道岔,可以滿足旅客列車以160km/h的速度直向通過,軸重23t的貨物列車以90km/h的速度直向通過,各類列車以50km/h的速度側向通過。該道岔技術標準起點高,在道岔在結構上主要有以下一些特點:    尖軌為彈性可彎式,60AT軌制造。在理論彈性可彎段軌底不作蝕切。跟端采用熱鍛成型工藝過渡為標準鋼軌斷面,尖軌跟部成型段扭轉1:40的角度保證尖軌跟端與導曲線鋼軌的正常連接。基本軌設1:40軌底坡,尖軌設1:40軌頂坡,滑床板在基本軌氏部位置銑出1:40軌底坡,尖軌在頂面刨出1:40軌頂坡。尖軌尖端為藏尖式。尖軌采用二點牽引的分動轉換方案,各類轉換桿件均隱蔽設置在鋼岔枕內。尖軌跟部設限位器。    道岔導曲線為半徑350m的圓曲線,道岔各部軌距均為1435mm,尖軌局部范圍對應的側股有構造加寬。轍叉采用固定型和可動心軌型兩種。    固定轍叉采用高猛鋼整鑄轍叉,趾,跟端為全夾板聯結,翼軌級沖段沖擊角較標準確性道岔減小為34。護軌用鋼軌制造,采用分開式結構(H型),護軌頂面高出基本軌12mm,直向護軌緩沖段沖擊角減小30分。直側向采用不等長護軌,直向軌長6.9m,側向護軌長4.8m。    可動心軌轍叉采用鋼軌組合型,心軌用60AT軌制造,翼軌用60kg/m鋼軌制造。長心軌跟部為固定端,在理論彈性可彎部分,軌底作削弱刨切,跟部設有三個雙孔間隔鐵,用高強度螺栓部為固定端,在理論彈性可彎部分,軌底作削弱刨切,跟部設有三個雙孔間隔鐵,用高強度螺栓與長翼軌相聯結,區間溫度力可通過間隔鐵的摩托車阻力傳遞給長翼軌。在長心軌第一牽引點處采用熱鍛工藝,將AT軌軌底長肢旋轉,向鋼軌豎軸下部延伸,在電務轉換設備聯結。長心軌與短心軌之間用間隔鐵聯結,短心軌末端為滑動端。長、短心軌均在頂面蝕切形成1:40軌頂直通。在長心軌跟端成型段起點再扭轉成1:40坡度,以便與區間鋼軌連接。長翼軌上對應長心轉轉換凸緣部位,翼軌內側軌底有寬度為55mm的切口,便于轉換鎖閉,為彌補切口對翼軌截面的削弱,而在翼軌外側軌腰設有補強板,在下部設有橋板。翼軌與心軌密巾段以前設軌底坡,其后部分在過渡段內扭轉成平坡,簡化墊板結構。叉跟尖軌用普通制造,設1:40軌底坡,短心軌尾部與叉跟尖軌非工作邊相互巾合,在心軌轉換過程中,短心軌尾部可前后滑動。直股不設護軌,側股護軌用50kg/m鋼軌制造,為H型分開式結構,護軌高出基本軌12mm。    岔枕采用木枕和混凝土枕兩種形式。岔枕均垂直直股鋼軌布置,岔枕間距均勻一致,均為600mm。混凝土岔枕的承載能力大于型混凝土軌。采用型彈條分開式扣件。道岔直股全部采用焊接接頭,鋪于跨區間超長無縫線路區段時,道岔側股采用焊接與否,視具體情況而定。道岔各稅鋼軌(除尖軌、心軌外)及墊板下均設有彈性緩沖墊層,并盡可能與區間線路彈性保持連續。整組道岔分段合理,適應在廠內整組組裝、分段運輸及現場機械化鋪設需要。    目前我國所使用的最大號碼道岔是新設計60kg/m鋼軌38號可動心軌道岔,直向允許客車以250km/h的速度通過,側向允許以140km/h的速度通過,將在秦沈客運專線上試用,其結構特點與12號可動心軌提速道岔類似。
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