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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。客运专线道岔技术研究-Passenger-dedicatedLine客运专线道岔技术研究王树国：铁道科学研究院铁道建筑研究所，助理研究员，北京，100081顾培雄：铁道科学研究院铁道建筑研究所，研究员，北京，1000811国外高速铁路道岔技术概况-摘要：国外高速铁路设计理念以安全性为第一要求，以提高旅行舒适度为首要设计指标。在消化吸收国外先进技术的基础上，结合我国客运专线道岔建设和运营实践，提出我国客运专线道岔技术方案，对250km/h和350km/h客运专线道岔技术特点、道岔的主要设计参数和平面线性、
2、通用性进行了分析，提出客运专线道岔结构中转辙器、辙叉、道岔区轨下基础、扣件系统、转换和锁闭设备的技术性能和要求，并根据试验结果优化道岔设计，推进道岔的升级和更新换代。关键词：客运专线道岔；技术研究；高速道岔结构特征；道岔设计1.1设计理念在国外高速铁路道岔设计中，采用多项安全保证措施，以确保高速列车运行的安全性。一是按直向设计速度增加10%、侧向设计速度增加10km/h进行高速道岔理论检算及实车试验考核，以保证列车按设计速度通过道岔时的安全性；二是有可靠的锁闭、密贴检查及监测设备；三是采用成熟、合理的无缝道岔技术；四是保证尖轨、心轨等关键部件有较高的强度储备。高速道岔设计的关键还要保证高速列车
3、通过道岔的平稳性和旅客乘坐的舒适性。在高速道岔设计、制造、运输、铺设、养护等环节中，国外将道岔的高平顺性和其部件间的精密配合视为最重要的指导思想，在平面线型和结构设计方面做了大量的理论创新和实验研究。基于轮轨关系，合理设计尖轨和心轨的降低值，同时控制尖轨和心轨的不足位移，保证道岔的高平顺性。道岔的铺设由专业化队伍使用专用机械铺设，并及时维修和定期打磨。由于采取了这些有效措施和道岔的逐代改进优化，使列车通过道岔的平稳性和旅客乘坐的舒适性接近或达到区间线路行车水平。高速道岔部件间的精密配合也是保证高平顺性和良好工作状态的关键技术之一，因此要严格控制包括岔枕在内的各部件制造工差与装配误差。德国、法国
4、在线型比选、轨距动态优化技术等方面采用了动力仿真软件，在道岔结构设计、刚度设计和转换计算方面采用有限元分析程序。部件性能和道岔整体动力性能分别在室内和现场进行大量试验，通过试验反馈和现场运营实践,不断完善和提高道岔的技术性能。高速道岔设计以提高旅行舒适度为首要设计指标，主要平面设计参数为未被平衡离心加速度和未被平衡离心加速度时变率。在侧向允许通过速度较高的大号码道岔中，道岔侧线采用三次抛物线与圆曲线的组合线型（德国为缓+圆+缓，法国为圆+缓），并控制其欠超高时变率。1.2高速道岔结构特征（1）转辙器。法国（60D）和德国（Zul-60）高速道岔的尖轨采用整根AT轨加工制造，日本的38#道岔的尖
5、轨（80S）采用中间焊接方法。法国设计高速道岔时，在轮轨动力学分析的基础上，采用1:20的轨底坡，德国和日本采用1:40的轨底坡。各国道岔尖轨尖端均采用藏尖结构，深度均为3mm。法国道岔尖轨尖端降低值为17mm，德国为16mm，日本为22mm。法国高速道岔尖轨在顶宽42mm处开始降低，以降低轨距不平顺区段的长度，减少蛇行运动的距离，提高列车运行的平稳性。德国采用FAKOP技术将轨距加宽15mm，使轮对左右两车轮的滚动半径趋于相同，避免激扰蛇形运动，同时加大尖轨厚度，提高尖轨的耐磨性。德国和法国在尖轨跟端采用了窄小的弹性扣件，扣压力为1012kN，日本采用刚性扣件。德国在尖轨跟端设置多个限位器，
6、日本采用间隔铁结构。法国认为，尖轨伸缩时，限位器处产生扭矩，易造成尖轨变形，所以不设限位器或间隔铁结构。（2）辙叉。德国、法国、英国的大号码高速道岔辙叉可动心轨采用双肢弹性可弯结构。法国辙叉心轨为长短心轨嵌入拼接式，翼轨为高锰钢铸造摇篮式。德国、英国辙叉可动心轨尖端为整体结构，后部拼焊基本轨，翼轨采用普通UIC60钢轨加工制造，可动心轨的牵引杆件穿过翼轨轨腰。日本高速道岔辙叉可动心轨采用单肢弹性可弯结构，可动心轨和翼轨为高锰钢整体铸造。（3）高速道岔扣件系统。德国、法国高速道岔采用分开式扣件。法国主要采用Nabla弹片式扣件，扣压力为1012kN，道岔区轨距不可调，并采用刚性滑床台板，滑床板对
7、基本轨的扣压件为形状，扣压力为12kN，安装简单方便。德国高速道岔弹性扣件主要采用Vossloh弹条扣件，扣压力为1012kN，低刚度的弹性基板是其特色之一，扣件与钢轨间不调距，以保证钢轨方向稳定，调距主要是通过铁垫板钉孔内的偏心块。德国的转辙器部分采用了可拆卸滑床台板，台板下设置垫片,方便基本轨的安装和拆卸。（4）岔区轨下基础。德国、法国的道岔基础可分为有碴道床混凝土岔枕基础和整体道床基础两大类。法国以有碴道床混凝土岔枕基础为主，德国有碴道床混凝土岔枕基础和整体道床基础共同发展。德国在列车运营速度220km/h的线路上重点发展整体道床基础，Rheda2000整体道床是主要发展方向。为便于运输
8、，混凝土岔枕长度超过3.2m时，采用铰接式结构。德国有一些高速道岔铺设在有碴轨道上，为便于运输和减少长岔枕对有碴道床的拍打作用，一般采用铰接式岔枕。2客运专线道岔技术特点2.1250km/h客运专线道岔技术特点（1）研究对象。直向通过速度250km/h客运专线道岔用于客货共线铁路，侧向通过速度为80km/h、160km/h。运营条件为：客车最高速度为250km/h，轴重不大于170kN。货车最高速度为120km/h，轴重为230kN。250km/h客运专线道岔研制应在200km/h提速道岔及秦沈客运专线道岔基础上进行，以有碴轨道为主。而无碴道岔，要保证钢轨件的互换性，通过更换扣件系统实现通用性
9、要求。（2）技术关键。根据秦沈18和38道岔的使用情况，250km/h客运专线道岔要解决两个技术关键。一是解决外锁闭机构对尖轨及心轨大伸缩位移的适应性。道岔结构设计应尽可能减少心轨和尖轨的伸缩位移，转换设备应针对秦沈线出现的卡阻问题对外锁闭结构进行优化设计。二是解决尖轨及心轨的不足位移。不足位移的存在会导致轨距减小，影响尖轨和心轨线型，以及尖轨与基本轨、心轨和客运专线道岔技术研究王树国等Passenger-dedicatedLiner翼轨的密贴。虽然不足位移是一种动=1态的轨距减小，在轮轨力的作用下有可能消除或减小，但在高速行车的条件下对列车运行的平稳性影响很大，应给予足够重视。1002.23
10、50km/h客运专线道岔技术特点m（1）研究对象。350km/h客运专线道岔用于客运运输，侧向通过速度为80km/h、160km/h、220km/h。运营条件为：动车组最高速度350km/h，轴重不大于170kN。350km/h客运专线道岔以无碴轨道为主。m（2）技术关键。350km/h客运专线道岔除具有250km/h客运专线道岔的技术特点，还应对以下关键技术进行研究并取得突破。一是研制双肢弹性可弯心轨，应用于侧向通过速度为160km/h、220km/h的大号码道岔。二是研制用于制造翼轨的高型特种断面钢轨（GT钢轨）。三是确定岔区刚度的合理取值，并通过合理设计扣件系统的刚度实现岔区刚度的均匀化
11、。四是研制适用于无碴轨道的可调距、调高并具有高弹性的扣件系统。五是创建350km/h道岔动力学设计理论，分析行车安全性、平稳性和舒适性，根据轮轨关系设计尖轨与基本轨、心轨与翼轨的匹配结构。另外，心轨跟端结构、道岔监测系统、道岔制造工艺及系统集成等技术难题在客运专线道岔研发中也要给予足够的重视。610483客运专线道岔总体技术方案5m。年最大轨温差100。有碴道岔枕间距为600mm，无碴道岔枕间距为625mm。平面设计参数：未被平衡的离心加速度最大容许值0.5m/s2，未被平衡的离心加速度增量最大容许值0.5m/s3。道岔区采用1:40轨底坡与区间线路一致。根据客运专线区间扣件系统刚度研究成果，
12、250km/h有碴道岔岔区钢轨支点刚度拟选取5070kN/m，250km/h无碴道岔岔区钢轨支点刚度拟选取3050kN/m，350km/h无碴道岔岔区钢轨支点刚度拟选取2030kN/m，并要对降低轨道刚度继续进行研究。1侧向通过速度80km/h的道岔号码为18#，采用单圆曲线（见图1），侧向通过速度160km/h的道岔号码为42#，侧向通过速度220km/h的道岔号码为62#，42#和62#道岔侧线采用缓和曲线与圆曲线组合型。3种型号道岔的平面参数见表1。正线与到发线的连接采用18#道岔，车站咽喉区两条正线间的渡线道岔按功能需要选用18#或42#道岔，正线与联络线连接的转线道岔按功能需要选用4
13、2#或62#道岔。3.2通用性要求尽量减少道岔型号，侧向通过速度相同的道岔号数、线型及平面主要尺寸应统一。无论有碴道床基础或无碴轨道基础、4.6m或5.0m线间距离、250km/h或350km/h运行速度，侧向通过速度相同的道岔号码、平面线型、主要尺寸、枕间距及牵引点安装位置均保持固定不变。为了保证4.6m、5m线间距的道岔具有良好的通用性，按4.6m的线间距进行设计，在线间距4.6m以上时插入相应的直线段。对不同的运行速度和运用条件，客运专线道岔的尖轨、心轨的降低值、扣件系统刚度、过渡段长度有所不同。基于上述通用性设计理念，客运专线道岔号码、平面线型和主要尺寸43543511有3种（对应于3
14、种侧向速度），道岔435表1道岔平面参数3.1主要设计参数和平面线性轨距为1435mm的线路，道岔区轨距构造加宽不应大于15mm，最高速度250km/h线路的线间距为4.6m，r最高速度350km/h线路的线间距为的枕间距及牵引点布置是不变的，可变的部分只是扣件系统的结构和刚度、轨下基础及尖轨、心轨顶面降低值（根据运营条件确定）。引进国外侧向速度80km/h的18#道岔的长度、前长、后长应与我国自主研发的道岔相同，引进国外侧向速度160km/h、220km/h的高速道岔在采用相同线型（圆+缓或缓+圆+缓）的条件下、道岔的号数、长度、前长、后长也宜相同。4客运专线道岔结构特征4.1转辙器尖轨采用
15、60D40钢轨制造，材质与区间线路钢轨相同，轨头表面不淬火。尖轨跟端锻压成GB60kg/m钢轨断面，并进行1:40的扭转，过渡段和成型段长度分别为150mm和450mm。转辙器部位采用瑞士施维格公司开发的“几”型弹性夹扣压基本轨，在部分滑床板上安装了配套的辊轮系统，降低转换阻力，减小不足位移（见图2）。尖轨尖端采用竖向藏尖结构，藏尖深度均为3mm。根据胶州北站尖轨降低值的试验结果，对250km/h道岔尖轨降低值保持原有设计不变。对350km/h道岔，拟减小尖轨降低值和缩短降低区段，完全承受轮轨垂直力作用的断面拟由50mm调整为4045mm，且不同号码的道岔宜采用不同降低值。尖轨跟端结构应根据转
16、换锁闭机构适应尖轨伸缩的能力进行设计，如果转换锁闭机构适应尖轨伸缩的能力强，尖轨跟端宜不设任何传力装置，防止在限位器处产生扭矩，造成尖轨跟端扭曲变形，影响道岔平顺性，如果转换锁闭机构适应尖轨伸缩的能力差，尖轨跟端宜设置长大间隔铁。4.2辙叉18#道岔采用单肢弹性可弯结构，42#和62#道岔采用双肢弹性可弯结构。18#道岔心轨采用60D40制造，结构为长短心轨组合式，优化了长短心轨的拼装结构，缩短了心轨长度。目前对心轨前端整体锻造并加焊基本轨方案的预可行性进行研究，争取在双肢弹性可弯心轨大号码道岔中采用。我国提速道岔采用特种断面翼轨，转辙连杆从翼轨轨底穿出与心轨转换凸缘相连，实践证明此结构较为可
17、靠，因此国产化研制暂时采用特种断面翼轨，并在现有结构基础上进一步优化，解决因心轨翻背影响心轨锁闭检查的问题。根据现场调查，发现锻制特种翼轨存在磨耗快、平顺性差、空间小等问题，要对制造翼轨的高型特种断面钢轨进行研究，替换既有的特种断面翼轨。加长心轨跟端间隔铁，采用胶接以强化心轨跟端和翼轨的连接。为使道岔同时满足半焊和全焊无缝线路要求，在岔跟尖轨跟端和长心轨跟端设置间隔铁，防止半焊条件下温度升降时心轨弯曲变形。18#道岔设侧向防磨护轨，42#和62#道岔直向和侧向不设护轨。4.3道岔区轨下基础图2道岔辊轮滑床板与弹性夹有碴道岔岔枕采用整体式混凝土长岔枕结构，沿用提速型岔枕断面，鉴于预应力偏心较大造
18、成长岔枕上拱，修改了截面配筋。无碴轨道混凝土岔枕采用带钢筋桁架的整体式结构。为便于运输和减少岔枕上拱值，对长度较大的岔枕宜采用铰接式结构。考虑到提速道岔因使用钢岔枕带来的问题，在无充分把握的情况下，暂不使用新研制的钢岔枕。安装在两岔枕间的转换设备影响道岔捣固机作业，难以保证道岔的养护维修质量，应尽早开展轨枕式转辙机的设计、试制、试铺和试验工作，道岔结构设计的指导原则应有利于道岔的养护维修。4.4扣件系统采用弹性分开式扣件，轨距的调整采用轨距块与铁垫板相结合的方式，调距量4-8mm。滑床板调距量为2-4mm（调距主要通过铁垫板钉孔内的偏心块实现），调距精度为1mm。无碴道岔扣件调高范围030mm
19、，调高精度为1mm。道岔中的通用性扣件采用铸造铁垫板硫化橡胶垫层，扣件系统具有互换性和刚度的兼容性，即运营条件变化时扣件系统总体结构不变，只是刚度变化。通过合理设置扣件系统刚度解决岔区刚度的合理化和均匀化问题。4.5转换和锁闭设备转辙机及牵引方式应满足道岔转换的技术要求，采用多机多点牵引方式。尖轨设分动外锁闭装置，心轨采用外锁闭装置。针对秦沈客运专线道岔出现的卡阻问题，对外锁闭装置进行了改进，解决了外锁闭机构对尖轨及心轨伸缩位移的适应性问题。参照国外先进的道岔检测设备，加快研制我国道岔监测装置。目前，转换牵引杆位于岔枕之间，（下转第28页）技术创新TechnologyInnovation基于G
20、NSS/GIS的平交道口智能控制程君等电子地图上，在人机界面上可以实时观测到列车当前的位置信息。5.3数据库读写模块本系统需要读取、处理、保存大量的数据，数据库读写模块用来完成前台与后台数据库的实时信息交互任务。地图数据库存储轨道的GIS数据，道口信息数据库存储铁路道口的各种数据信息，备份信息数据库用来存储备份信息。VC中的数据库编程采用ADO(ActiveXDataObject)接口，具有使用简便、速度快、内存消耗少、占用磁盘空间少的优点。数据的读写、查询采用SQL语句，保证查询效率。数据库读写模块为系统的实时高效提供保证。5.4数据处理模块几乎所有的GPS接收机均输出通用的NMEA0183
21、标准格式的数据。此格式的数据信息有十几种，例如以标识符$GPGGA、$GPRMC、$GPCSV等开头的数据信息。从中提取列车当前位置的经纬度和速度信息，提取出来的位置信息受GPS精度和误差的影响不可能正好落在线路上，需要用地图匹配融合算法，将经纬度数据与地图数据库中的轨道数据相匹配得到尽量精确的位置信息。需要注意的是，提取的经纬度属于WGS84坐标系，要实现正确的地图匹配和显示，一般需要将其进行相应的坐标转换，换算成大地坐标系。6结论本系统软件部分利用青藏铁路实测数据在PC机上进行模拟测试，软件能够实时将接收到的定位信息匹配到地图上，并且能准确地显示距离前方平交道口的距离信息，在到达道口接近区
22、段时能够及时发出报警信息。基于GNSS/GIS的平交道口智能控制系统具有以下优势：（1）通过节省轨道电路配线减少铁路运营维护成本；（2）通过优化道口关闭时间增加机动车车流量，使铁路与公路对平交道口的占用权更加合理，提高平交道口效率；（3）通过降低车辆等待时间减少废气排放；（4）提高平交道口的安全性和可靠性，减少事故发生率。参考文献1贾胜峰,宁滨.铁路道口智能控制的研究J.中国铁路,2005（7）：51-532丁正庭.区间信号自动控制M.北京:中国铁道出版社,19943张雅静，王剑，蔡伯根.基于GNSS的虚拟应答器研究J.铁道学报，2007（2）4曹瑜,胡光道.地理信息系统在国内外应用现状J.中
23、国测绘,2003（2）:32-33责任编辑陈晓云收稿日期2007-05-17（上接第24页）道岔捣固机不能连续作业，严重影响道岔养护维修。转换、锁闭、密贴检查及道岔监测设备要以有利于道岔的养护维修为原则进行优化设计，进一步推进轨枕式转辙机和密贴检查设备小型化的研究，加快转换、锁闭、密贴检查设备的优化升级。5客运专线道岔制造、铺设与试验5.1制造和组装道岔制造厂家应树立高品质、高精度的质量意识，针对客运专线道岔特点，对道岔生产系统进行技术改造，对关键工艺重点攻关，提高技术装备及工艺水平，满足客运专线道岔制造要求。道岔供应商是道岔产品的总集成单位，对道岔产品总体负责，要严格控制自制部件的质量，对所
24、采购的所有道岔部件和产品负责。道岔及转换设备逐组进行厂内组装，所有组装均须在专用组装平台上进行。5.2铺设道岔铺设是完整道岔技术中的关键组成部分，与道岔设计和制造环节并重。根据不同的铺设条件，道岔采用原位铺设法或移位铺设法。道岔应由配有相应施工机具的专业施工队伍铺设，铺设时应采用大型养路机械配合施工并加强对焊接质量的严格控制，做到铺设一次达到验收要求，禁止边维修边通行，防止给日后养护维修遗留难题。5.3实车试验和运营实践道岔设计理论是否正确，道岔制造、运输、铺设完成后能否满足动车组按设计速度通过，其安全性、平稳性、舒适性要通过实车试验和考核。在试验过程中，要合理设置试验内容，丰富试验手段，认真分析试验数据，根据试验结果优化道岔设计，推进道岔的优化升级和更新换代。道岔投入运营后，设计人员和制造厂家应加强对道岔产品的跟踪调查，及时发现使用过程中出现的问题，分析并找出解决问题的办法。责任编辑葛化一收稿日期2007-06-1828中国铁路CHINESERAILWAYS2007/8