基于平面參數(shù)法的道岔線型設(shè)計(jì)研究

曹洋，王平，趙衛(wèi)華

(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)

基于平面參數(shù)法的道岔線型設(shè)計(jì)研究

曹洋，王平，趙衛(wèi)華

(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)

隨著高速鐵路的發(fā)展，新建客運(yùn)專線最高運(yùn)行速度已達(dá)到350 km/h，道岔平面線型是影響列車過(guò)岔速度的關(guān)鍵因素之一。針對(duì)不同的過(guò)岔速度選擇合適的道岔線型，計(jì)算后得到設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)指導(dǎo)道岔選型和設(shè)計(jì)是十分必要的。利用平面參數(shù)法推導(dǎo)各種平面線型的計(jì)算公式，提出道岔線型設(shè)計(jì)流程，并通過(guò)實(shí)際算例比較了各種線型的應(yīng)用范圍及優(yōu)劣性。研究表明，列車低速過(guò)岔時(shí)宜采用小號(hào)碼單圓或復(fù)圓曲線道岔，高速情況下則宜采用含有緩和曲線的道岔線型;緩和曲線的加入，可以在減小圓曲線半徑的基礎(chǔ)上提高列車的側(cè)向過(guò)岔速度，并滿足平穩(wěn)性要求。

平面參數(shù)法 道岔線型 設(shè)計(jì)流程 應(yīng)用范圍 緩和曲線

道岔是機(jī)車車輛從一股軌道轉(zhuǎn)入或越過(guò)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。由于道岔具有數(shù)量多、構(gòu)造復(fù)雜、使用壽命短、行車安全性低、養(yǎng)護(hù)維修投入大等特點(diǎn)，因此成為軌道結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)，是限制列車行車速度的關(guān)鍵設(shè)備［1］。

隨著高速鐵路的發(fā)展，新建客運(yùn)專線行車速度已超過(guò)200 km/h，最高速度可達(dá)350 km/h［2-3］，列車直向和側(cè)向過(guò)岔尤其是通過(guò)高速大號(hào)碼道岔時(shí)，其安全性、平穩(wěn)性均要滿足規(guī)定限值。道岔的平面線型是限制列車容許通過(guò)速度的重要因素，側(cè)向高速道岔大多采用緩和曲線作導(dǎo)曲線［3-4］，因此高速大號(hào)碼道岔的線型設(shè)計(jì)非常重要。本文利用平面參數(shù)法推導(dǎo)出各種線型道岔的計(jì)算公式，并通過(guò)平穩(wěn)性分析提出不同側(cè)向過(guò)岔速度下應(yīng)選用的道岔號(hào)碼及線型。

1 道岔線型設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)基本參數(shù)不同，道岔側(cè)股曲線形式有單圓型、復(fù)圓型、圓緩型和緩圓緩型四種［5-7］。由于單圓型及復(fù)圓型道岔應(yīng)用較為普遍，在此不再詳述，而重點(diǎn)介紹帶有緩和曲線的道岔平面線型的設(shè)計(jì)方法。

1.1 圓緩型道岔

圓緩型道岔單側(cè)線型示意圖如圖1所示。

圖1 圓緩型道岔單側(cè)線型示意

其中θ為道岔轍叉角，即HZ點(diǎn)處切線與直股的夾角，φ為YH點(diǎn)處切線與直股夾角，R0為圓曲線半徑，也即緩和曲線終點(diǎn)半徑，整體坐標(biāo)系下ZY點(diǎn)坐標(biāo)為(Y0，0)，則YH點(diǎn)坐標(biāo)為

若緩和曲線長(zhǎng)度為l0，在以HZ點(diǎn)為局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，切線方向?yàn)閤軸，垂直x軸向下為y軸的局部坐標(biāo)系中，對(duì)于YH點(diǎn)有

由式(1)、式(2)可得整體坐標(biāo)系下HZ點(diǎn)坐標(biāo)為

1.2 緩圓緩型道岔

緩圓緩型道岔單側(cè)線型示意圖如圖2所示。

其中θ為道岔轍叉角，即HZ點(diǎn)處切線與直股的夾角，φ為YH點(diǎn)處切線與直股夾角，γ為HY點(diǎn)處切線與直股夾角，R0為圓曲線半徑，也即兩緩和曲線終點(diǎn)半徑，R1為前緩和曲線起點(diǎn)半徑。

圖2 緩圓緩型道岔單側(cè)線型示意

若從前緩和曲線理論起點(diǎn)至實(shí)際起點(diǎn)長(zhǎng)為lx，實(shí)際起點(diǎn)至HY點(diǎn)的長(zhǎng)度為l4，則lx=l4R0/(R1－R0)，且兩點(diǎn)間轉(zhuǎn)角φ1=lx/(2R1)。以理論起點(diǎn)為局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，切線方向?yàn)閤軸，垂直x軸向下為y軸，則局部坐標(biāo)系下對(duì)于實(shí)際起點(diǎn)坐標(biāo)(xQ，yQ)有

同樣，對(duì)于HY點(diǎn)坐標(biāo)有

整體坐標(biāo)系下前緩和曲線起點(diǎn)坐標(biāo)為(Y0，0)，由式(4)、式(5)式得HY點(diǎn)坐標(biāo)為

在以YH點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，切線方向?yàn)閤軸，垂直x軸向下為y軸的局部坐標(biāo)系下，HY點(diǎn)坐標(biāo)為

由式(6)、式(7)可得整體坐標(biāo)系下YH點(diǎn)坐標(biāo)為

若后緩和曲線長(zhǎng)度為l0，在以HZ點(diǎn)為局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，切線方向?yàn)閤軸，垂直x軸向下為y軸的局部坐標(biāo)系中，對(duì)于YH點(diǎn)坐標(biāo)有

由式(8)、式(9)可得整體坐標(biāo)系下HZ點(diǎn)坐標(biāo)為

1.3 行車平穩(wěn)性要求

為保證行車平穩(wěn)性，曲線形式要滿足未被平衡加速度及其時(shí)變率限值的要求，可根據(jù)列車位于道岔曲線不同部位分別計(jì)算［5-6］;同時(shí)要滿足曲線長(zhǎng)度大于列車振動(dòng)周期內(nèi)行進(jìn)距離的要求，一般為列車開(kāi)行0.8～1.0 s的距離;當(dāng)兩組道岔組成單渡線時(shí)，若為兩圓曲線相接，為避免車輛通過(guò)曲線起終點(diǎn)產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)與車輛的自振頻率相吻合而發(fā)生振動(dòng)迭加，需在兩圓曲線間插入一定長(zhǎng)度的夾直線［8］，其長(zhǎng)度一般不小于車輛長(zhǎng)度，且要大于(0.42～0.65)V(V為列車側(cè)向過(guò)岔速度)。

2 線型設(shè)計(jì)流程

在道岔平面線型設(shè)計(jì)中，可根據(jù)道岔號(hào)碼N是否已知進(jìn)行具體研究。當(dāng)N已知時(shí)，根據(jù)列車側(cè)向過(guò)岔速度V，曲線半徑R0等設(shè)計(jì)條件，在滿足約束的情況下求出各曲線的特性值，從而繪制出平面線型圖;若N未知，可通過(guò)假設(shè)曲線長(zhǎng)度L，結(jié)合列車側(cè)向過(guò)岔速度V，曲線半徑R0等條件，得到道岔號(hào)碼N，在選擇合適的號(hào)碼后，即可反推曲線長(zhǎng)度，反復(fù)計(jì)算，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。

3 算例分析

道岔平面線型設(shè)計(jì)主要影響列車側(cè)向過(guò)岔的舒適性，以及由于曲尖軌的側(cè)磨程度而影響其使用壽命的長(zhǎng)短。列車側(cè)向過(guò)岔速度分為三等，低速情況如80 km/h側(cè)向進(jìn)站，中速如160 km/h列車行駛于區(qū)間渡線道岔，側(cè)向高速換線則為220 km/h。

當(dāng)側(cè)向過(guò)岔速度較低時(shí)，道岔線型一般采用單圓型曲線，有時(shí)為提高舒適性及減少尖軌側(cè)磨，可采用道岔前端曲線半徑較大的復(fù)圓型曲線。以24號(hào)道岔為例，不同工況下單圓型及復(fù)圓型道岔線型計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 圓曲線型道岔計(jì)算結(jié)果比較

由表1可知，列車以110 km/h側(cè)向通過(guò)2 000 m半徑的24號(hào)單圓型道岔時(shí)，車體未被平衡加速度及其時(shí)變率最大值分別為0.467 m/s2和0.792 m/s3，均小于客運(yùn)專線道岔的設(shè)計(jì)限值0.5 m/s2和0.55～1.00 m/s3［9-10］;當(dāng)側(cè)向過(guò)岔速度為120 km/h時(shí)，車體未被平衡加速度及其時(shí)變率最大值分別為0.556 m/s2和1.029 m/s3，均超出設(shè)計(jì)限值;圓曲線半徑減小為1 800 m時(shí)，雖然曲線長(zhǎng)度有所減少，但車體未被平衡加速度達(dá)到0.519 m/s2，超出設(shè)計(jì)限值，此時(shí)若改為前端圓曲線半徑為2 000 m的復(fù)圓型道岔，則尖軌處車體未被平衡加速度為0.467 m/s2，未超出限值，且曲線總長(zhǎng)度比半徑為2 000 m的單圓型曲線長(zhǎng)度短。

當(dāng)側(cè)向過(guò)岔速度較高時(shí)，一般采用帶有緩和曲線的道岔線型。以線間距4.6 m的38號(hào)道岔為例，緩圓緩線型的前緩和曲線起點(diǎn)半徑取為10 000 m。不同工況下圓緩型及緩圓緩型道岔線型計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 緩和曲線型道岔計(jì)算結(jié)果比較

由表2可知，列車以160 km/h側(cè)向通過(guò)38號(hào)圓緩型道岔，圓曲線半徑取4 500 m時(shí)，尖軌處加速度時(shí)變率為1.084 m/s3，超出限值;當(dāng)曲線半徑為5 000 m時(shí)，圓曲線未被平衡加速度及尖軌處加速度時(shí)變率最大值分別為0.395 m/s2和0.975 m/s3，均未超限;若速度提高至170 km/h，則尖軌處加速度時(shí)變率為1.170 m/s3，超出限值，若速度繼續(xù)提高，圓曲線未被平衡加速度也將超限，此時(shí)需加大圓曲線半徑。

若采用緩圓緩型道岔，圓曲線半徑為4 000 m，列車以160 km/h側(cè)向通過(guò)時(shí)，圓曲線未被平衡加速度及尖軌處加速度時(shí)變率最大值分別為0.493 m/s2和0.981 m/s3，均未超限，但前緩和曲線長(zhǎng)度較小，不易滿足曲線最小長(zhǎng)度的要求;增加圓曲線半徑至4 500 m，當(dāng)列車以170 km/h側(cè)向通過(guò)時(shí)，圓曲線未被平衡加速度及尖軌處加速度時(shí)變率最大值分別為0.496 m/s2和0.815 m/s3，均未超限。

4 結(jié)論

1)列車低速側(cè)向過(guò)岔時(shí)，采用小號(hào)碼單圓曲線道岔即可滿足要求;當(dāng)速度提高，為防止尖軌過(guò)度磨耗，可加大道岔前端曲線半徑，采用復(fù)圓型曲線;列車中速或高速過(guò)岔時(shí)，要采用大號(hào)碼圓緩或緩圓緩型道岔，并選用適當(dāng)?shù)那€半徑和線間距等參數(shù)，以滿足平穩(wěn)性要求。

2)在道岔前端直線與圓曲線間增加了一段緩和曲線，使得緩圓緩型道岔可以在減小圓曲線半徑的情況下，提高列車的側(cè)向過(guò)岔速度，滿足平穩(wěn)性要求，并且尖軌處的未被平衡加速度時(shí)變率明顯小于圓緩型道岔。因此，對(duì)于高速道岔采用緩圓緩線型，旅客乘坐的舒適性將較圓緩型更好，但其曲線整體長(zhǎng)度大于圓緩型道岔。

3)在分析列車側(cè)向過(guò)岔的未被平衡加速度及其時(shí)變率時(shí)，需采用考慮車輛長(zhǎng)度影響的方法，以便得到列車通過(guò)曲線變化點(diǎn)處車體離心加速度的漸變過(guò)程，要比把車體簡(jiǎn)化為集中質(zhì)點(diǎn)的方法更為合理。

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U213.6

A

1003-1995(2011)02-0101-03

2010-08-03;

2010-11-18

西南交通大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007IRT06);鐵道部科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2008G002-b)

曹洋(1985—)，男，河南商丘人，博士研究生。

(責(zé)任審編 白敏華)