道岔平面線型設(shè)計(jì)及繪制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

曹 洋,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

道岔是機(jī)車車輛從一股軌道轉(zhuǎn)入或越過另一股軌道時(shí)必不可少的線路設(shè)備,是鐵路軌道的一個(gè)重要組成部分。隨著高速鐵路的發(fā)展,新建客運(yùn)專線行車速度已達(dá)到200 km/h以上,最高速度可達(dá)350 km/h[1～4],而列車以不同速度直向和側(cè)向過岔尤其是通過高速大號(hào)碼道岔時(shí),其安全性、穩(wěn)定性均要滿足限值要求,因此道岔平面線型的設(shè)計(jì)成為限制容許通過速度的關(guān)鍵因素[5]。然而只通過設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行平面線型的計(jì)算和繪圖,效率和精度都比較低,特別是針對(duì)帶有緩和曲線的大號(hào)碼道岔來說更是如此,所以開發(fā)道岔平面線型設(shè)計(jì)及圖形的自動(dòng)繪制系統(tǒng),方便快速地完成平面線型設(shè)計(jì)工作,對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、節(jié)省工作時(shí)間都是十分必要的。

1 關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 道岔平面線型設(shè)計(jì)內(nèi)容

道岔平面線型設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括基本線型的選取,依據(jù)不同條件對(duì)線型參數(shù)的計(jì)算,道岔尖軌切削方式的選擇和計(jì)算,轍叉區(qū)的設(shè)計(jì)以及岔枕的布置,同時(shí)還要進(jìn)行道岔平面參數(shù)線型圖和道岔曲線上未被平衡加速度及未被平衡加速度時(shí)變率圖的繪制[6～8],并通過多次比較達(dá)到最優(yōu)化目的,為后續(xù)細(xì)部設(shè)計(jì)和繪圖做好前提工作。

1.2 平面線型選擇

高速鐵路用道岔側(cè)向容許通過速度等級(jí)及適用范圍可分為3類[3],如表1所示。

表1 道岔側(cè)向容許通過速度等級(jí)及適用范圍

側(cè)向通過速度較低的小號(hào)碼道岔一般選用單圓型線型[9],部分采用復(fù)圓型,即可滿足列車通過時(shí)的安全性與舒適性要求。而緩和曲線與圓曲線相比,隨著曲率半徑增大,降低了未被平衡的離心加速度及其時(shí)變率,并且當(dāng)車輛從直線進(jìn)入曲線,或者相反從曲線進(jìn)入直線時(shí),離心力以及豎向和橫向沖擊力不會(huì)突然出現(xiàn)和消失,從而可以避免行車不穩(wěn),減少振動(dòng)發(fā)生,有利于提高行車舒適性。因此對(duì)于側(cè)向通過速度達(dá)到160 km/h以上的大號(hào)碼道岔,由于其導(dǎo)程長,為設(shè)置緩和曲線提供了可能性,則建議采用圓緩型或緩圓緩型道岔[1～4]。

1.3 平面線型設(shè)計(jì)方案分析

在道岔平面線型設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)道岔號(hào)碼N已知或者未知分為兩種情況,結(jié)合道岔鋪設(shè)位置及列車側(cè)向過岔速度V大致選定平面線型,在設(shè)定曲線半徑后,配合尖軌和心軌的布置方法以及其他設(shè)計(jì)要求,運(yùn)用最優(yōu)化原則進(jìn)行具體研究,最終得出設(shè)計(jì)方案和平面線型圖,并進(jìn)行安全性、穩(wěn)定性評(píng)估[6～8]。

(1)當(dāng)N已知時(shí),根據(jù)列車側(cè)向過岔速度V,曲線半徑R0等設(shè)計(jì)條件,在滿足約束要求的情況下,利用平面參數(shù)法即可求出各曲線的特性值,然后通過調(diào)整曲線半徑、尖軌切削方式、轍叉布置及軌枕排布等條件,多次計(jì)算并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證,從而得到最優(yōu)值,且繪制出平面線型圖。設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 N已知,平面線型設(shè)計(jì)流程

(2)若N未知,可通過假設(shè)曲線長度L,結(jié)合列車側(cè)向過岔速度V,曲線半徑R0等條件,反推出道岔號(hào)碼N1。在號(hào)碼取整或選擇合適的號(hào)碼后,即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的實(shí)際曲線長度,然后對(duì)曲線長度進(jìn)行調(diào)整,配合列車側(cè)向過岔速度,再次選定的曲線半徑等條件,重新計(jì)算道岔號(hào)碼,如此反復(fù),直到滿足設(shè)計(jì)要求及方案驗(yàn)證,最后繪制平面線型圖。設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 N未知,平面線型設(shè)計(jì)流程

1.4 道岔平面線型圖自動(dòng)繪制

依據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制的道岔平面線型圖包括道岔基本曲線關(guān)系圖、岔枕排布圖、未被平衡加速度及其時(shí)變率圖[2,8]。計(jì)算過程中根據(jù)不同的道岔平面形式特點(diǎn),分別導(dǎo)出線型參數(shù)、岔枕參數(shù)和穩(wěn)定性評(píng)估參數(shù),編制繪圖模塊利用autoCAD繪圖軟件繪制。

設(shè)計(jì)計(jì)算中,針對(duì)不同的曲線形式要有對(duì)應(yīng)的圖形數(shù)據(jù)文件輸出方式：若為單圓型或復(fù)圓型道岔,只需提供圓曲線半徑、轉(zhuǎn)角、弧長以及尖軌和心軌的繪圖參數(shù),同時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)要求輸出岔枕繪圖文件；對(duì)于圓緩型和緩圓緩型道岔,由于緩和曲線的曲線半徑遞增,需逐步繪制,為達(dá)到精度要求,繪圖文件中針對(duì)緩和曲線上的點(diǎn),每隔一定距離則提供1組點(diǎn)坐標(biāo)當(dāng)做曲線連接的關(guān)鍵點(diǎn),同時(shí)輸出心軌、尖軌和岔枕的繪圖參數(shù)[10]。

穩(wěn)定性評(píng)估參數(shù)即給出未被平衡加速度及其時(shí)變率圖的繪制依據(jù),用于評(píng)定列車按設(shè)計(jì)速度側(cè)向過岔時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)是否超限。對(duì)具體的道岔線型要考慮到計(jì)算部位的不同,而圓曲線和緩和曲線的計(jì)算方法也有所差別,當(dāng)?shù)啦礓佋O(shè)于單渡線上時(shí),需檢驗(yàn)圓曲線間夾直線的長度[8],同時(shí)未被平衡加速度及其時(shí)變率圖也應(yīng)對(duì)稱布置。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

2.1 線型設(shè)計(jì)及繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

道岔平面線型設(shè)計(jì)及繪制系統(tǒng)由計(jì)算模塊和圖形繪制模塊組成,是針對(duì)不同線型和設(shè)計(jì)要求下道岔平面參數(shù)的計(jì)算及平面線型圖的快速繪制而開發(fā)的,通過計(jì)算模塊得出設(shè)計(jì)參數(shù),并利用圖形繪制模塊提取結(jié)果文件,調(diào)用AutoCAD繪圖軟件進(jìn)行快速繪圖。

此系統(tǒng)以道岔號(hào)碼是否已知為前提,對(duì)單圓型、復(fù)圓型、圓緩型和緩圓緩型道岔進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。用戶端需提供如道岔線型、道岔號(hào)碼或部分曲線長度、圓曲線半徑,列車側(cè)向過岔速度、軌枕排布及尖軌和心軌的選取要求等條件,系統(tǒng)根據(jù)原始參數(shù)不同,并結(jié)合線路具體情況(軌距、軌底坡、鋼軌型號(hào)、是否處于單渡線區(qū)域等)分別處理,包括道岔直曲股線型參數(shù)的計(jì)算和檢驗(yàn)、尖軌切削方式及其曲線加寬設(shè)計(jì)[11]、列表顯示尖軌處不同位置粗壯度、軌枕排布設(shè)計(jì)、道岔平面線型圖的繪制,需多次計(jì)算得到最優(yōu)值。其中尖軌切削方式包括半切線型、切線型、半割線型、割線型和相離半切線型5種情況[6～7]。這些均為設(shè)計(jì)人員快速、高效地設(shè)計(jì)各種線型和號(hào)碼的道岔以及道岔線型出圖提供了有利的條件和較高的精確度,以便于后續(xù)的道岔細(xì)部設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行流程

2.2 線型設(shè)計(jì)及繪制系統(tǒng)功能

道岔平面線型設(shè)計(jì)及繪制系統(tǒng)主界面由菜單欄和主窗體組成,根據(jù)用戶選擇的道岔計(jì)算類別不同,主窗體中將顯示不同的子窗體,用于原始數(shù)據(jù)輸入及計(jì)算結(jié)果的顯示。共有4種類別的子窗體可供選擇,且可以同時(shí)顯示于主窗體中。菜單欄項(xiàng)目包括文件、線路屬性、平面線型計(jì)算、圖形繪制和幫助5類,具體功能模塊如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)具體功能分為3個(gè)部分。

(1)系統(tǒng)基本功能。如文件菜單中所列,能夠打開原始參數(shù)文件,保存或另存輸入?yún)?shù)和結(jié)果文件,關(guān)閉活動(dòng)的子窗體以及退出系統(tǒng)。

(2)平面參數(shù)計(jì)算模塊。系統(tǒng)通過線路屬性和平面線型計(jì)算菜單提供給用戶原始參數(shù)輸入窗口。用戶需點(diǎn)擊線路屬性菜單輸入包括軌距、軌底坡、鋼軌型號(hào)在內(nèi)的所設(shè)計(jì)道岔線路特征值,并判斷道岔是否鋪設(shè)在單渡線上；在平面線型計(jì)算菜單中,用戶首先選擇要計(jì)算的道岔類型,然后在彈出的子窗體中輸入道岔號(hào)碼或部分曲線長度、圓曲線半徑,列車側(cè)向過岔速度、單渡線情況下的線間距、未被平衡加速度及其時(shí)變率限值、尖軌切削方式及切點(diǎn)軌頂寬、心軌的選取和岔枕排布要求等條件,或直接通過文件菜單讀取已有的輸入文件“*.dxj”,此時(shí)可自動(dòng)打開輸入文件對(duì)應(yīng)的子窗體。

數(shù)據(jù)輸入結(jié)束后,直接點(diǎn)擊子窗體上的計(jì)算按鈕,系統(tǒng)首先判斷輸入值的完整性和可行性,然后進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果顯示于界面上,同時(shí)提醒用戶選擇參數(shù)結(jié)果文件和繪圖文件存儲(chǔ)路徑,便于文件的存儲(chǔ)和提取。輸出值功能包括以下幾點(diǎn)：顯示基本線型參數(shù)信息,包括所設(shè)計(jì)道岔各部分直曲線長度,判斷要求速度下列車側(cè)向過岔時(shí)的穩(wěn)定性,并提出調(diào)整意見,提供尖軌切削長度和側(cè)股軌距加寬情況,單渡線情況下還將給出夾直線長度；產(chǎn)生尖軌粗壯度表格,計(jì)算過程中提取從尖軌尖端開始,每隔100 mm處尖軌的軌面頂寬值,一直達(dá)到所選擇軌型的正常頂寬,用戶根據(jù)需求從中取值；存儲(chǔ)繪圖文件,依據(jù)所計(jì)算道岔線型不同,按照一定順序記錄道岔各個(gè)部位特征值,供繪圖模塊調(diào)用；存儲(chǔ)岔枕排布文件,按照要求進(jìn)行岔枕排布設(shè)計(jì),記錄排布點(diǎn),可根據(jù)需求利用繪圖模塊繪制；列出沿道岔方向曲股未被平衡加速度及其時(shí)變率變化值,同時(shí)可在繪圖模塊下畫出相應(yīng)圖形。

(3)圖形繪制模塊。系統(tǒng)以autoCAD為平臺(tái),調(diào)用平面參數(shù)計(jì)算模塊中產(chǎn)生的繪圖文件,將快速繪制道岔直側(cè)股線型圖,同時(shí)包含尖軌切削后形狀、軌距加寬處曲股變化以及心軌基本布置,并對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行標(biāo)注。若需要顯示布枕狀況,可以提取岔枕排布文件,此時(shí)系統(tǒng)即在已有的平面線型對(duì)應(yīng)位置按照計(jì)算時(shí)的要求進(jìn)行布枕,用來提供排布效果和岔枕數(shù)目等信息。對(duì)于列車過岔穩(wěn)定性的評(píng)估,在平面參數(shù)計(jì)算模塊中已有道岔關(guān)鍵部位最大值用來判別,若通過繪圖模塊調(diào)用未被平衡加速度及其時(shí)變率數(shù)值文件,則可在圖形中顯示整組道岔曲線上相應(yīng)值的變化趨勢(shì),便于尋找薄弱點(diǎn),有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3 工程實(shí)例

道岔平面線型設(shè)計(jì)及繪制系統(tǒng)已經(jīng)參與了多次道岔設(shè)計(jì)工作,尤其是為包含緩和曲線的大號(hào)碼道岔設(shè)計(jì)提供了極大的方便,并顯示了其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)以線間距4.6 m單渡線上38號(hào)道岔為例進(jìn)行設(shè)計(jì),其側(cè)向通過速度最低為160 km/h。

由于38號(hào)道岔號(hào)碼較大,且最低側(cè)向速度達(dá)到160 km/h,因此選用圓緩線型計(jì)算,圓曲線半徑取4 500 m和5 000 m兩種情況,計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 38號(hào)圓緩型道岔計(jì)算參數(shù)值

由表2可知,列車以160 km/h側(cè)向通過38號(hào)圓緩型道岔,圓曲線半徑取4 500 m時(shí),曲線總長較短,但尖軌處加速度時(shí)變率為1.084 m/s3,超出限值,通過調(diào)整圓曲線半徑至5 000 m時(shí)即可達(dá)到要求,但當(dāng)過岔速度繼續(xù)提高,又將影響穩(wěn)定性,需考慮實(shí)際情況改變圓曲線半徑或線間距重新設(shè)計(jì)。

以工況二為例,利用圖形繪制模塊得到未被平衡加速度及其時(shí)變率沿道岔長度方向變化示意圖,如圖5所示。

圖5 未被平衡加速度及其時(shí)變率(單位：mm)

若3種工況均采用半切線型尖軌,在軌頂寬25 mm處切削,尖軌尖端實(shí)際寬度為1.6 mm,則不同圓曲線半徑下取尖軌上關(guān)鍵點(diǎn)的粗壯度如表3所示。

表3 不同圓曲線半徑下尖軌粗壯度

由表3可知,當(dāng)其他條件相同的情況下,尖軌處圓曲線半徑較小時(shí),可以獲得較好的粗壯度。因此對(duì)道岔設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時(shí),要綜合考慮各方面因素。

4 結(jié)語

道岔平面線型設(shè)計(jì)及繪制系統(tǒng)從用戶端得到平面設(shè)計(jì)原始參數(shù),結(jié)合線路基本屬性作為輸入文件,能夠快速計(jì)算出道岔平面線型各部分設(shè)計(jì)值,并繪出平面線型圖,達(dá)到了高效率、高精度的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)界面清晰,可用性好,所涵蓋道岔平面線型設(shè)計(jì)內(nèi)容豐富,尤其是自動(dòng)繪圖功能,為設(shè)計(jì)者節(jié)省了大量時(shí)間,提高了工作效率,同時(shí)提供了多種工況設(shè)計(jì)比較的條件。通過多次應(yīng)用表明,道岔平面線型設(shè)計(jì)及繪制系統(tǒng)對(duì)于道岔設(shè)計(jì),特別是對(duì)包含緩和曲線大號(hào)碼道岔的設(shè)計(jì)和繪圖有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義,有助于在道岔設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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