曹 洋,王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

道岔是機車車輛從一股軌道轉入或越過另一股軌道時必不可少的線路設備,是鐵路軌道的一個重要組成部分。隨著高速鐵路的發(fā)展,新建客運專線行車速度已達到200 km/h以上,最高速度可達350 km/h[1～4],而列車以不同速度直向和側向過岔尤其是通過高速大號碼道岔時,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計成為限制容許通過速度的關鍵因素[5]。然而只通過設計人員的經(jīng)驗進行平面線型的計算和繪圖,效率和精度都比較低,特別是針對帶有緩和曲線的大號碼道岔來說更是如此,所以開發(fā)道岔平面線型設計及圖形的自動繪制系統(tǒng),方便快速地完成平面線型設計工作,對提高設計質量、節(jié)省工作時間都是十分必要的。

1 關鍵技術分析

1.1 道岔平面線型設計內容

道岔平面線型設計的內容包括基本線型的選取,依據(jù)不同條件對線型參數(shù)的計算,道岔尖軌切削方式的選擇和計算,轍叉區(qū)的設計以及岔枕的布置,同時還要進行道岔平面參數(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變率圖的繪制[6～8],并通過多次比較達到最優(yōu)化目的,為后續(xù)細部設計和繪圖做好前提工作。

1.2 平面線型選擇

高速鐵路用道岔側向容許通過速度等級及適用范圍可分為3類[3],如表1所示。

表1 道岔側向容許通過速度等級及適用范圍

側向通過速度較低的小號碼道岔一般選用單圓型線型[9],部分采用復圓型,即可滿足列車通過時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變率,并且當車輛從直線進入曲線,或者相反從曲線進入直線時,離心力以及豎向和橫向沖擊力不會突然出現(xiàn)和消失,從而可以避免行車不穩(wěn),減少振動發(fā)生,有利于提高行車舒適性。因此對于側向通過速度達到160 km/h以上的大號碼道岔,由于其導程長,為設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 平面線型設計方案分析

在道岔平面線型設計中,可以根據(jù)道岔號碼N已知或者未知分為兩種情況,結合道岔鋪設位置及列車側向過岔速度V大致選定平面線型,在設定曲線半徑后,配合尖軌和心軌的布置方法以及其他設計要求,運用最優(yōu)化原則進行具體研究,最終得出設計方案和平面線型圖,并進行安全性、穩(wěn)定性評估[6～8]。

(1)當N已知時,根據(jù)列車側向過岔速度V,曲線半徑R0等設計條件,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,多次計算并對設計方案進行驗證,從而得到最優(yōu)值,且繪制出平面線型圖。設計流程如圖1所示。

圖1 N已知,平面線型設計流程

(2)若N未知,可通過假設曲線長度L,結合列車側向過岔速度V,曲線半徑R0等條件,反推出道岔號碼N1。在號碼取整或選擇合適的號碼后,即可計算出對應的實際曲線長度,然后對曲線長度進行調整,配合列車側向過岔速度,再次選定的曲線半徑等條件,重新計算道岔號碼,如此反復,直到滿足設計要求及方案驗證,最后繪制平面線型圖。設計流程如圖2所示。

圖2 N未知,平面線型設計流程

1.4 道岔平面線型圖自動繪制

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

設計計算中,針對不同的曲線形式要有對應的圖形數(shù)據(jù)文件輸出方式：若為單圓型或復圓型道岔,只需提供圓曲線半徑、轉角、弧長以及尖軌和心軌的繪圖參數(shù),同時依據(jù)設計要求輸出岔枕繪圖文件；對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,為達到精度要求,繪圖文件中針對緩和曲線上的點,每隔一定距離則提供1組點坐標當做曲線連接的關鍵點,同時輸出心軌、尖軌和岔枕的繪圖參數(shù)[10]。

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

2 系統(tǒng)結構與功能

2.1 線型設計及繪制系統(tǒng)結構

道岔平面線型設計及繪制系統(tǒng)由計算模塊和圖形繪制模塊組成,是針對不同線型和設計要求下道岔平面參數(shù)的計算及平面線型圖的快速繪制而開發(fā)的,通過計算模塊得出設計參數(shù),并利用圖形繪制模塊提取結果文件,調用AutoCAD繪圖軟件進行快速繪圖。

此系統(tǒng)以道岔號碼是否已知為前提,對單圓型、復圓型、圓緩型和緩圓緩型道岔進行設計計算。用戶端需提供如道岔線型、道岔號碼或部分曲線長度、圓曲線半徑,列車側向過岔速度、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,并結合線路具體情況(軌距、軌底坡、鋼軌型號、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)的計算和檢驗、尖軌切削方式及其曲線加寬設計[11]、列表顯示尖軌處不同位置粗壯度、軌枕排布設計、道岔平面線型圖的繪制,需多次計算得到最優(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]。這些均為設計人員快速、高效地設計各種線型和號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)的道岔細部設計。系統(tǒng)結構運行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結構運行流程

2.2 線型設計及繪制系統(tǒng)功能

道岔平面線型設計及繪制系統(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)輸入及計算結果的顯示。共有4種類別的子窗體可供選擇,且可以同時顯示于主窗體中。菜單欄項目包括文件、線路屬性、平面線型計算、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)和結果文件,關閉活動的子窗體以及退出系統(tǒng)。

(2)平面參數(shù)計算模塊。系統(tǒng)通過線路屬性和平面線型計算菜單提供給用戶原始參數(shù)輸入窗口。用戶需點擊線路屬性菜單輸入包括軌距、軌底坡、鋼軌型號在內的所設計道岔線路特征值,并判斷道岔是否鋪設在單渡線上；在平面線型計算菜單中,用戶首先選擇要計算的道岔類型,然后在彈出的子窗體中輸入道岔號碼或部分曲線長度、圓曲線半徑,列車側向過岔速度、單渡線情況下的線間距、未被平衡加速度及其時變率限值、尖軌切削方式及切點軌頂寬、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”,此時可自動打開輸入文件對應的子窗體。

數(shù)據(jù)輸入結束后,直接點擊子窗體上的計算按鈕,系統(tǒng)首先判斷輸入值的完整性和可行性,然后進行計算,并將計算結果顯示于界面上,同時提醒用戶選擇參數(shù)結果文件和繪圖文件存儲路徑,便于文件的存儲和提取。輸出值功能包括以下幾點：顯示基本線型參數(shù)信息,包括所設計道岔各部分直曲線長度,判斷要求速度下列車側向過岔時的穩(wěn)定性,并提出調整意見,提供尖軌切削長度和側股軌距加寬情況,單渡線情況下還將給出夾直線長度；產生尖軌粗壯度表格,計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,一直達到所選擇軌型的正常頂寬,用戶根據(jù)需求從中取值；存儲繪圖文件,依據(jù)所計算道岔線型不同,按照一定順序記錄道岔各個部位特征值,供繪圖模塊調用；存儲岔枕排布文件,按照要求進行岔枕排布設計,記錄排布點,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變率變化值,同時可在繪圖模塊下畫出相應圖形。

(3)圖形繪制模塊。系統(tǒng)以autoCAD為平臺,調用平面參數(shù)計算模塊中產生的繪圖文件,將快速繪制道岔直側股線型圖,同時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,并對關鍵尺寸進行標注。若需要顯示布枕狀況,可以提取岔枕排布文件,此時系統(tǒng)即在已有的平面線型對應位置按照計算時的要求進行布枕,用來提供排布效果和岔枕數(shù)目等信息。對于列車過岔穩(wěn)定性的評估,在平面參數(shù)計算模塊中已有道岔關鍵部位最大值用來判別,若通過繪圖模塊調用未被平衡加速度及其時變率數(shù)值文件,則可在圖形中顯示整組道岔曲線上相應值的變化趨勢,便于尋找薄弱點,有利于優(yōu)化設計方案。

3 工程實例

道岔平面線型設計及繪制系統(tǒng)已經(jīng)參與了多次道岔設計工作,尤其是為包含緩和曲線的大號碼道岔設計提供了極大的方便,并顯示了其應用優(yōu)勢。現(xiàn)以線間距4.6 m單渡線上38號道岔為例進行設計,其側向通過速度最低為160 km/h。

由于38號道岔號碼較大,且最低側向速度達到160 km/h,因此選用圓緩線型計算,圓曲線半徑取4 500 m和5 000 m兩種情況,計算結果如表2所示。

表2 38號圓緩型道岔計算參數(shù)值

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

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,尖軌尖端實際寬度為1.6 mm,則不同圓曲線半徑下取尖軌上關鍵點的粗壯度如表3所示。

表3 不同圓曲線半徑下尖軌粗壯度

由表3可知,當其他條件相同的情況下,尖軌處圓曲線半徑較小時,可以獲得較好的粗壯度。因此對道岔設計進行修改時,要綜合考慮各方面因素。

4 結語

道岔平面線型設計及繪制系統(tǒng)從用戶端得到平面設計原始參數(shù),結合線路基本屬性作為輸入文件,能夠快速計算出道岔平面線型各部分設計值,并繪出平面線型圖,達到了高效率、高精度的設計要求。系統(tǒng)界面清晰,可用性好,所涵蓋道岔平面線型設計內容豐富,尤其是自動繪圖功能,為設計者節(jié)省了大量時間,提高了工作效率,同時提供了多種工況設計比較的條件。通過多次應用表明,道岔平面線型設計及繪制系統(tǒng)對于道岔設計,特別是對包含緩和曲線大號碼道岔的設計和繪圖有著十分重要的應用價值和實際意義,有助于在道岔設計領域的廣泛應用。

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