王 平, 陳 嶸, 徐井芒, 馬曉川, 王 健

(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, 四川 成都 610031)

高速鐵路道岔系統(tǒng)理論與工程實(shí)踐研究綜述

王 平, 陳 嶸, 徐井芒, 馬曉川, 王 健

(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, 四川 成都 610031)

為了促進(jìn)高速道岔行業(yè)的發(fā)展，系統(tǒng)梳理了各國高速鐵路道岔領(lǐng)域(包括部件選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念、高速列車/道岔耦合動(dòng)力分析理論、不同線下基礎(chǔ)道岔無縫化設(shè)計(jì)方法、合理剛度及均勻化設(shè)計(jì)方法、長大軌件轉(zhuǎn)換計(jì)算理論、關(guān)鍵聯(lián)結(jié)部件動(dòng)靜力強(qiáng)度分析、動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)、道岔側(cè)股平面線型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造與鋪設(shè)、維護(hù)與管理等)的學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀、存在問題、具體對(duì)策及發(fā)展趨勢(shì).要適應(yīng)未來軌道交通技術(shù)的發(fā)展，高速道岔仍面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如，更高速度的下一代高速道岔在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性、全壽命周期設(shè)計(jì)、輪軌匹配與車/岔動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化、新材料和結(jié)構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用、狀態(tài)實(shí)時(shí)獲取與性能評(píng)估、健康管理及故障預(yù)測(cè)、能效保持等問題，需要深度融合先進(jìn)材料與制造、智能與自動(dòng)化、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算、精密測(cè)控與效能提升等前沿技術(shù)，著力提升我國高速鐵路道岔技術(shù)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力.通過現(xiàn)狀剖析、問題導(dǎo)向，以期為鐵道工程學(xué)科的學(xué)術(shù)研究與技術(shù)創(chuàng)新提供新的視角和基礎(chǔ)資料.

高速鐵路道岔;設(shè)計(jì)理論;平面線型;結(jié)構(gòu)部件;制造與鋪設(shè);維護(hù)與管理

道岔是鐵路線路的交叉點(diǎn)及薄弱環(huán)節(jié),因其結(jié)構(gòu)與輪軌界面的關(guān)系復(fù)雜,是影響行車平穩(wěn)性與安全性的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施.道岔同時(shí)集成了軌道系統(tǒng)中各類結(jié)構(gòu)部件與技術(shù)特征,被公認(rèn)為是反映鐵道工程行業(yè)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.隨著高速鐵路的發(fā)展,具有高精密度的機(jī)電一體化系統(tǒng)——高速鐵路(高鐵)道岔在設(shè)計(jì)理論、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、制造工藝、維護(hù)技術(shù)等方面均取得了顯著的進(jìn)步[1].截止2015年底,中國開通運(yùn)營近1.9萬km高鐵鋪設(shè)的5千多組正線高速道岔總體狀態(tài)良好,滿足了高速鐵路建設(shè)與運(yùn)營的需要,為我國高鐵事業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn).然而,迄今為止學(xué)術(shù)界還缺乏對(duì)高速鐵路道岔設(shè)計(jì)理論與工程實(shí)踐研究的系統(tǒng)總結(jié)與梳理.本文圍繞高速道岔選型與設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)理論與試驗(yàn)技術(shù)、線型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造鋪設(shè)與維護(hù)技術(shù)等主題,論述了該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀、熱點(diǎn)和存在的問題、具體對(duì)策與發(fā)展趨勢(shì),以期為鐵道工程學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展提供參考和借鑒.

1 高速道岔選型與設(shè)計(jì)理念

1.1 選型原則

可靠性.高速道岔系統(tǒng)需滿足高速列車過岔與區(qū)間等速運(yùn)行時(shí)的安全性、平穩(wěn)性及可靠性要求.

安全性.用平穩(wěn)性來保證安全性,高速道岔系統(tǒng)應(yīng)較區(qū)間軌道具有更高的部件精度、平順性和列車過岔舒適度控制標(biāo)準(zhǔn).為有效應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的運(yùn)營環(huán)境,還需根據(jù)需要配備防雪、防冰擊、工電集成狀態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)等安全保障設(shè)施設(shè)備.

可維護(hù)性.為了減少維護(hù)工作量,應(yīng)盡量減少道岔型號(hào),運(yùn)行條件相同的道岔零部件宜通用;各型高速道岔軌型應(yīng)相同;道岔直向允許通過速度相同的道岔零部件宜通用;并為預(yù)防性維修和修復(fù)性維修(如道岔打磨等)預(yù)留空間或接口.

高可用性.高速道岔應(yīng)滿足跨區(qū)間無縫線路和軌道電路的要求,并適應(yīng)有砟或無砟下部結(jié)構(gòu)和橋隧、路基等不同類型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),且與區(qū)間軌道相匹配以降低過渡段的影響;側(cè)向容許通過速度根據(jù)站場(chǎng)道岔、渡線道岔和聯(lián)絡(luò)線道岔的不同功能需求確定;具有15～20年以上的使用壽命,并盡可能地少更換零部件.

1.2 設(shè)計(jì)理念

高速道岔設(shè)計(jì)以安全性作為第一要求,以乘坐舒適度作為首要控制指標(biāo)[1-2].

系統(tǒng)匹配.在高速道岔設(shè)計(jì)中,將運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)相結(jié)合,視機(jī)車車輛系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)(工電集成)為一個(gè)相互作用、相互耦合的總體大系統(tǒng),道岔各組件之間需合理匹配.

安全可靠.對(duì)高速道岔的設(shè)計(jì)最高容許通過速度,在直向增加10%、側(cè)向增加10 km/h的安全裕量,并進(jìn)行相應(yīng)實(shí)車試驗(yàn)考核;采用適應(yīng)無縫道岔的轉(zhuǎn)換鎖閉、密貼檢查設(shè)備,選取穩(wěn)定可靠的結(jié)構(gòu)形式保證可動(dòng)軌件的強(qiáng)度儲(chǔ)備,并配備監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

高平順性.平順性決定乘坐舒適度.在高速道岔設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、鋪設(shè)、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)中,要特別注重平順性優(yōu)化和保持,嚴(yán)格控制各部件的制造公差與裝配誤差.

實(shí)踐考證.確定高速道岔的線型和結(jié)構(gòu)等參數(shù),評(píng)估部件強(qiáng)度和整體性能,均需通過大量室內(nèi)外試驗(yàn)和運(yùn)營實(shí)踐的考核和驗(yàn)證.

1.3 主要問題與發(fā)展趨勢(shì)

(1) 面向LCC(life cycle cost)和RAMS(reliability availability maintainability safety)的高速道岔全壽命周期設(shè)計(jì)

將LCC和RAMS相關(guān)指標(biāo)分解到高速道岔全壽命過程中,形成相應(yīng)的需求約束.考慮高速道岔運(yùn)營成本、維修成本、裝拆成本、工藝成本、設(shè)計(jì)成本以及報(bào)廢成本等的DFC設(shè)計(jì),以及考慮各階段安全性和可靠性指標(biāo)分配和約束的可靠性設(shè)計(jì),建立各階段的成本模型和可靠性模型,獲得合理的成本分配、可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)裕度等,然后,建立全壽命周期成本和可靠性模型,以此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和成本控制,獲得滿意的全壽命周期設(shè)計(jì)結(jié)果.

(2) 復(fù)雜運(yùn)營環(huán)境下高速道岔的適應(yīng)性

面向一帶一路、海洋強(qiáng)國、西部大開發(fā)和高鐵走出去等一系列國家重大戰(zhàn)略需求,軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施正加速覆蓋全球范圍自然環(huán)境更復(fù)雜的地區(qū).高速道岔系統(tǒng)因其運(yùn)營環(huán)境的復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)材料的多樣性、結(jié)構(gòu)分布的空間效應(yīng)、服役過程的時(shí)間效應(yīng)以及多因素交變耦合效應(yīng)等,其動(dòng)態(tài)性能的時(shí)空演變機(jī)制與規(guī)律十分復(fù)雜.要求高精度的高速道岔及其下部結(jié)構(gòu)(有砟或無砟軌道、橋梁、隧道及過渡段)面對(duì)嚴(yán)寒、風(fēng)沙、雨雪、凍融、沖刷、腐蝕等惡劣自然環(huán)境與復(fù)雜地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)時(shí)，均應(yīng)表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性,故針對(duì)高速道岔系統(tǒng)在極端氣候或惡劣地質(zhì)條件下動(dòng)態(tài)性能的時(shí)空演變機(jī)制與規(guī)律的研究已成為前沿?zé)狳c(diǎn).

(3) 更高速道岔的基礎(chǔ)科學(xué)問題

當(dāng)移動(dòng)裝備以400 km/h及以上速度過岔時(shí),輪軌高速相互作用過程中的高頻動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)現(xiàn)象表現(xiàn)突出(振動(dòng)主頻率達(dá)2 000 Hz以上),振動(dòng)波長與接觸斑直徑接近同一數(shù)量級(jí),容易誘發(fā)輪軌耦合系統(tǒng)部件的顫振或共振,從而影響旅客乘坐舒適性,加速車輛-軌道系統(tǒng)部件的損傷,并嚴(yán)重影響高速列車運(yùn)行安全性和可靠性.因此,建立考慮系統(tǒng)部件材料非線性與幾何非線性、接觸不平順與界面熱效應(yīng)、時(shí)間步長極小(應(yīng)當(dāng)小到足以捕捉到兩個(gè)接觸表面之間的動(dòng)量傳遞而不發(fā)生明顯的能量損失)的三彈性體或彈塑性體的瞬態(tài)滾動(dòng)接觸模型,探明高速道岔與列車系統(tǒng)的高頻相互作用規(guī)律及界面接觸行為,是下一代更高速度高速道岔研制中亟待解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題.

(4) 下一代高速道岔結(jié)構(gòu)選型

下一代高速鐵路對(duì)道岔的安全、智能、耐久、環(huán)保等方面提出了更高的要求.基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)等理論的發(fā)展,推進(jìn)高速道岔在新材料、新構(gòu)造、新工藝、新方法等方面的創(chuàng)新.關(guān)鍵技術(shù)主要包括:研究適用于下一代高速道岔的新型支撐結(jié)構(gòu),拓展纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、智能自適應(yīng)材料、高性能鋼及混凝土等新材料及其應(yīng)用,構(gòu)建基于可靠度理論、全壽命周期和可持續(xù)工程的高速道岔設(shè)計(jì)技術(shù)體系,提升高速道岔制造與施工的工廠化、智能化、裝配化和精細(xì)化技術(shù),開發(fā)基于結(jié)構(gòu)損傷度的高速道岔損傷評(píng)估方法及病害智能修復(fù)技術(shù),構(gòu)建減振及噪聲控制技術(shù)和綠色環(huán)保評(píng)價(jià)體系,發(fā)展基于大數(shù)據(jù)的高速道岔風(fēng)險(xiǎn)管理、信息管理及維護(hù)決策技術(shù)等.

2 高速道岔設(shè)計(jì)理論與試驗(yàn)技術(shù)

高速道岔系統(tǒng)集成了幾乎所有先進(jìn)鐵路軌道技術(shù),是高速鐵路建設(shè)與運(yùn)營維護(hù)的核心裝備之一.在高速道岔的研制過程中,需建立其動(dòng)力學(xué)分析理論,解決輪軌關(guān)系、軌道剛度、部件強(qiáng)度及車岔耦合振動(dòng)等動(dòng)力學(xué)問題;提出無縫道岔計(jì)算方法,解決跨區(qū)間無縫線路、橋上無縫道岔的設(shè)計(jì)與鋪設(shè)等適應(yīng)性問題;建立道岔轉(zhuǎn)換計(jì)算理論,優(yōu)化牽引點(diǎn)布置,提出減摩措施,解決轉(zhuǎn)換卡阻、不可靠鎖閉等可靠性問題.為驗(yàn)證高速道岔系列設(shè)計(jì)理論的正確性及其工程應(yīng)用的有效性,還需通過室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估,進(jìn)而用于指導(dǎo)高速道岔的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、鋪設(shè)與維護(hù).

圖1 高速道岔設(shè)計(jì)總體技術(shù)路線Fig.1 Overall technical route of high-speed turnout design

2.1 高速列車/道岔耦合動(dòng)力分析理論

高速列車-道岔系統(tǒng)動(dòng)力分析理論的基本思想是,將機(jī)車車輛系統(tǒng)和道岔系統(tǒng)視為相互作用、相互耦合的總體大系統(tǒng),考慮岔區(qū)輪軌之間復(fù)雜的多點(diǎn)接觸關(guān)系,綜合研究列車過岔時(shí)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行行為及對(duì)道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用.

王平等基于輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),結(jié)合道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn),研究了道岔區(qū)多點(diǎn)輪軌接觸關(guān)系,率先建立了列車-道岔空間耦合動(dòng)力學(xué)分析理論[3-4]. Schupp等研究了道岔區(qū)輪軌多點(diǎn)接觸在多體動(dòng)力學(xué)仿真中的實(shí)現(xiàn)方法[5]; Kassa等基于多體動(dòng)力學(xué)軟件GENSYS建立了列車/道岔動(dòng)力學(xué)模型,研究關(guān)鍵參數(shù)隨機(jī)輸入情況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[6]; Alfi等提出能夠計(jì)算列車/道岔中頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,模型中考慮變截面鋼軌及彈性軌道,并且通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性[7];陳嶸建立了完整的車輛-道岔-橋梁耦合振動(dòng)模型,計(jì)算分析了列車通過橋上道岔時(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng),并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[8];全順喜分析了隨機(jī)不平順及實(shí)測(cè)不平順對(duì)岔區(qū)輪軌耦合振動(dòng)的影響,提出了岔區(qū)幾何不平順的控制限值和調(diào)整方法[9]; Pletz等利用有限元方法建立單輪滾動(dòng)通過轍叉時(shí)的動(dòng)態(tài)模型[10]; Sebes等運(yùn)用多點(diǎn)赫茲接觸理論建立道岔區(qū)的輪軌接觸模型,結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)理論,分析列車通過可動(dòng)心軌道岔時(shí)的接觸斑位置、接觸應(yīng)力及等效應(yīng)力等動(dòng)態(tài)響應(yīng)[11].

列車/道岔耦合動(dòng)力學(xué)分析理論已在岔區(qū)輪軌關(guān)系優(yōu)化、可動(dòng)軌件轉(zhuǎn)換分析、岔區(qū)幾何不平順控制、平面線型布置及軌道合理剛度匹配等設(shè)計(jì)中成功應(yīng)用.然而,目前對(duì)高速車輛與道岔動(dòng)態(tài)相互作用的分析僅限低頻時(shí)域范圍,尚未見到同時(shí)考慮岔區(qū)局部輪軌強(qiáng)沖擊、鋼軌件垂向、橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)以及隨機(jī)不平順對(duì)接觸幾何關(guān)系影響的道岔高頻振動(dòng)時(shí)域和頻域分析.而且,現(xiàn)有輪軌滾動(dòng)接觸理論還不能考慮單輪與多軌滾動(dòng)接觸行為,無法精確描述輪對(duì)通過道岔這種兩側(cè)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)時(shí)的輪載過渡或轉(zhuǎn)移行為.此外,隨著列車運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高,致振因素和響應(yīng)形式均會(huì)發(fā)生根本性地改變,道岔區(qū)輪軌關(guān)系、軌軌關(guān)系、輪軌異常磨耗、輪軌表面接觸疲勞、塑性流動(dòng)和脫軌等機(jī)理及其影響也受到了越來越多的關(guān)注.

2.2 高速道岔無縫化設(shè)計(jì)方法

世界各國200 km/h以上的所有線路均采用跨區(qū)間無縫線路,而道岔結(jié)構(gòu)無縫化設(shè)計(jì)是跨區(qū)間無縫線路設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容.相比于普通無縫線路,無縫道岔內(nèi)涉及多根鋼軌,且各鋼軌線形和約束條件不同,各軌條之間存在更復(fù)雜的承力、傳力和位移關(guān)系.

王平等建立了可動(dòng)心軌無縫道岔鋼軌溫度力與位移的分析模型和計(jì)算方法,分析了不同阻力參數(shù)的影響[12],此外,通過建立無縫道岔群計(jì)算模型,結(jié)合道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),分析了不同線路阻力值、線路阻力退化等對(duì)無縫道岔受力變形的影響[13].楊榮山等進(jìn)行了橋上無縫道岔縱向力試驗(yàn)驗(yàn)證研究,對(duì)道床阻力、基本軌伸縮力及尖軌伸縮位移等進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試[14];文獻(xiàn)[15]建立了橋上無縫道岔1∶3縮尺模型,研究了多種橋梁結(jié)構(gòu)形式與無縫道岔的相互作用關(guān)系;文獻(xiàn)[16]等通過道岔縱向力試驗(yàn),用導(dǎo)軌與基本軌位移差值表達(dá)兩者之間傳力約束,提出了無縫道岔溫度力與位移的計(jì)算模型和計(jì)算方法.文獻(xiàn)[17]運(yùn)用“兩軌相互作用原理”,根據(jù)實(shí)測(cè)線路阻力給出了阻力-位移表達(dá)式,并提出了無縫道岔縱向力計(jì)算方法.文獻(xiàn)[18-19] 基于力圖疊加原理,提出了可考慮非線性的無縫道岔當(dāng)量阻力系數(shù)計(jì)算方法.文獻(xiàn)[20] 考慮了道床阻力隨岔枕長度的變化及基本軌與導(dǎo)軌之間的相互作用,提出了無縫道岔多軌相互作用計(jì)算方法.文獻(xiàn)[21-22]將廣義變分原理應(yīng)用于無縫道岔的計(jì)算分析,將岔枕視為有限長Winkler彈性地基梁,提出了一種計(jì)算無縫道岔鋼軌附加溫度力與位移的方法.

但是,目前在無縫道岔伸縮變形仿真計(jì)算或試驗(yàn)研究中,均僅考慮了年或日的最高軌溫或最低軌溫時(shí)無縫道岔的受力變形特點(diǎn),未考慮軌溫變化過程中的累積效應(yīng),同時(shí)尚未見能夠準(zhǔn)確描述循環(huán)彈塑性變形特性的線路阻力模型.高速道岔無縫化設(shè)計(jì)方法的深入發(fā)展將主要著眼于復(fù)雜環(huán)境條件(極端氣候下列車荷載與溫度荷載的疊加效應(yīng),以及扣件、散粒體道床、限位器、間隔鐵的非線性與塑性阻力特性)下路基/橋梁上無縫道岔狀態(tài)演變機(jī)制與規(guī)律,研究考慮軌溫循環(huán)變化的無縫道岔多軌累積受力與變形的求解方法,建立起無縫道岔性能演變預(yù)測(cè)模型,并基于路基/橋梁上無縫道岔狀態(tài)對(duì)行車安全性和平穩(wěn)性的影響規(guī)律,提出其各項(xiàng)性能劣化指標(biāo)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及允許限值.

2.3 高速道岔合理剛度及均勻化設(shè)計(jì)方法

剛度是鐵路軌道結(jié)構(gòu)的基本性能參數(shù)之一,而高速道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多,存在多根鋼軌通過共用長墊板、間隔鐵等部件的聯(lián)結(jié),致使軌道整體支承剛度沿線路方向差異顯著.在高速道岔設(shè)計(jì)過程中,軌道剛度合理值的確定及在各部件之間的合理分配是開展道岔區(qū)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力分析與評(píng)價(jià)的前提,同時(shí)為減緩岔區(qū)動(dòng)態(tài)不平順的影響,還需考慮通過各部位扣件系統(tǒng)剛度的調(diào)整,使其整體剛度沿線路縱向分布均勻.

Andersson等利用數(shù)值模型研究了車輪滾動(dòng)通過轍叉時(shí)的沖擊作用,分析了軌道剛度及質(zhì)量分布變化對(duì)輪軌沖擊力的影響[23]; Zarembski通過理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究得到采取合理的剛度過渡措施能夠消除轍叉部位的輪軌沖擊力[24]; 文獻(xiàn)[25]研究了高速道岔尖軌下支承剛度變化的影響,指出尖軌下彈性支承能夠有效地改善列車過岔時(shí)的輪軌動(dòng)態(tài)相互作用; 文獻(xiàn)[26]通過改變枕下膠墊的剛度來平滑道岔縱向的剛度分布,并利用數(shù)值仿真研究了枕下膠墊對(duì)輪軌接觸力的影響;文獻(xiàn)[27]發(fā)展了道岔區(qū)鋼軌磨耗、滾動(dòng)疲勞及塑性變形等傷損的數(shù)值計(jì)算方法,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了道岔區(qū)幾何尺寸及剛度的優(yōu)化.

國內(nèi)學(xué)者主要著重于對(duì)道岔軌道剛度分布規(guī)律研究,并提出了相應(yīng)的剛度均勻化措施.文獻(xiàn)[3]對(duì)固定和可動(dòng)心軌轍叉有砟道岔區(qū)軌道剛度分布進(jìn)行了分析,指出了岔區(qū)剛度分布不均;文獻(xiàn)[28]通過對(duì)多種墊板組裝后的剛度進(jìn)行測(cè)試,提出了有砟道岔扣件剛度均勻化建議.陳小平等研究了高速道岔剛度合理取值及部件剛度合理匹配關(guān)系,提出了高速道岔軌道剛度縱向變化率的控制范圍[29],并進(jìn)行了無砟道岔的軌道剛度分布規(guī)律分析及均勻化設(shè)計(jì)優(yōu)化[30].

值得注意的是,目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)軌道剛度內(nèi)涵的研究尚顯不足,尚未開展對(duì)扣件系統(tǒng)橡膠材料頻變、幅變及溫變特性對(duì)岔區(qū)軌道剛度影響的研究,關(guān)于橫向剛度沿岔區(qū)的分布及其影響規(guī)律的研究也未得到重視.試驗(yàn)研究中剛度檢測(cè)的技術(shù)路線不一、精度不高、效率偏低且數(shù)據(jù)分析處理不夠.就高速道岔而言,岔區(qū)合理剛度及其分布優(yōu)化研究主要針對(duì)豎向剛度,岔區(qū)橫向剛度分布及其對(duì)高速行車的影響規(guī)律尚不明確.此外,一般均將道岔剛度視為常量即靜剛度,而動(dòng)剛度、沿線路縱向分布不均的線剛度、非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的面剛度及其變化影響的檢測(cè)與評(píng)估等問題尚待進(jìn)一步研究和解決.

2.4 高速道岔轉(zhuǎn)換計(jì)算理論

高速道岔的轉(zhuǎn)換鎖閉結(jié)構(gòu)應(yīng)具有轉(zhuǎn)換、鎖閉、表示3項(xiàng)基本功能.道岔轉(zhuǎn)換是為了引導(dǎo)機(jī)車車輛由一條線路進(jìn)入另一條線路,需要借助轉(zhuǎn)換設(shè)備扳動(dòng)可動(dòng)尖軌或心軌,實(shí)現(xiàn)道岔開向的改變.道岔鎖閉是在道岔轉(zhuǎn)換后,借助轉(zhuǎn)換設(shè)備鎖閉道岔,保證尖軌或心軌與基本軌或翼軌穩(wěn)固密貼的功能.道岔狀態(tài)顯示是為了確保行車安全,在道岔轉(zhuǎn)換后,轉(zhuǎn)換設(shè)備具有顯示道岔定位(直尖軌貼靠曲基本軌)或反位(曲尖軌貼靠直基本軌)的功能.

日本高速道岔設(shè)計(jì)中,考慮轉(zhuǎn)轍連桿至固定端距離、可動(dòng)部件長度及轉(zhuǎn)換動(dòng)程等參數(shù),采用解析方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換力的簡化計(jì)算;文獻(xiàn)[31]考慮心軌的變截面特性,建立了可動(dòng)心軌轉(zhuǎn)換計(jì)算有限元模型,進(jìn)行了多點(diǎn)牽引的單肢及雙肢彈性可彎心軌轉(zhuǎn)換計(jì)算;文獻(xiàn)[32]應(yīng)用有限元法進(jìn)行了尖軌和可動(dòng)心軌的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)計(jì)算分析;文獻(xiàn)[33]將可動(dòng)軌件劃分成若干段等截面梁,基于復(fù)合梁彎曲理論建立了轉(zhuǎn)換計(jì)算模型,計(jì)算了不同摩擦系數(shù)條件下的板動(dòng)力及不足位移,用于指導(dǎo)牽引點(diǎn)布置及動(dòng)程設(shè)計(jì)優(yōu)化;文獻(xiàn)[34]基于變分形式的最小勢(shì)能原理,提出了單肢和雙肢彈性可彎心軌扳動(dòng)力及不足位移計(jì)算方法;文獻(xiàn)[35]建立了高速道岔尖軌及心軌牽引轉(zhuǎn)換計(jì)算模型,對(duì)尖軌及心軌牽引點(diǎn)板動(dòng)力及不足位移進(jìn)行了分析.

轉(zhuǎn)換計(jì)算理論的研究成果已在高速道岔的設(shè)計(jì)優(yōu)化中得到成功應(yīng)用,但多種運(yùn)營條件下轉(zhuǎn)換卡阻、不足位移的問題在高速道岔中仍時(shí)有出現(xiàn).其原因是既有道岔轉(zhuǎn)換計(jì)算分析主要面向設(shè)計(jì),未綜合考慮制造、組裝、運(yùn)輸、鋪設(shè)及復(fù)雜運(yùn)營條件下的道岔實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)圖紙之間的差異.

2.5 高速道岔部件動(dòng)靜力強(qiáng)度分析

在完成高速道岔平面線型、結(jié)構(gòu)選型、牽引轉(zhuǎn)換等總圖設(shè)計(jì)工作,以及輪軌關(guān)系、軌道剛度、無縫化等基本型式的設(shè)計(jì)工作后,還要基于工電一體化設(shè)計(jì)理念開展鋼軌件、轉(zhuǎn)換設(shè)備、扣件系統(tǒng)、軌下基礎(chǔ)、聯(lián)結(jié)零件等部件的強(qiáng)度分析設(shè)計(jì).

文獻(xiàn)[36]應(yīng)用輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建立了鋼岔枕模型,分析了鋼岔枕軌道病害產(chǎn)生的原因并提出了改進(jìn)措施;文獻(xiàn)[37]建立了高速道岔新型護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)實(shí)體有限元分析模型,通過計(jì)算分析優(yōu)化了墊板結(jié)構(gòu)尺寸;文獻(xiàn)[38]針對(duì)心軌、翼軌及鎖鉤等部件提出了多種優(yōu)化方案,并進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下外鎖閉機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析和可動(dòng)心軌動(dòng)扭轉(zhuǎn)分析; 文獻(xiàn)[39]提出了尖軌廓型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,以接觸應(yīng)力和能量耗散為優(yōu)化目標(biāo),應(yīng)用遺傳算法求解得到Pareto最優(yōu)解,并且用車輛-道岔動(dòng)態(tài)相互作用分析來評(píng)價(jià)尖軌廓型;文獻(xiàn)[40]根據(jù)車輛-道岔動(dòng)態(tài)相互作用分析得到輪軌力和蠕滑率大小,同時(shí)考慮材料棘輪效應(yīng)求解出在循環(huán)荷載作用下尖軌廓型的累計(jì)塑性變形,為道岔幾何尺寸優(yōu)化提供了理論依據(jù);文獻(xiàn)[41]分析了轉(zhuǎn)轍器部分扣件系統(tǒng)的受力情況,研究了扣件剛度匹配情況對(duì)車輛過岔安全性的影響,給出了較優(yōu)的扣件剛度取值及匹配;文獻(xiàn)[42-44]基于車輛-道岔耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),研究了不足位移、頂鐵離縫及過岔速度等對(duì)尖軌和心軌轉(zhuǎn)換鎖閉結(jié)構(gòu)受力的影響,并建立了道岔區(qū)輪軌接觸彈塑性有限元模型,分析了軌底坡及軌距角半徑對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響,并給出較優(yōu)的軌底坡及軌距角半徑取值;文獻(xiàn)[45]根據(jù)多重疊合梁模型,運(yùn)用有限元方法對(duì)無砟道岔軌下基礎(chǔ)受力和變形特性進(jìn)行了分析,為無砟道岔道床的設(shè)計(jì)提供了參考.

由于道岔結(jié)構(gòu)材料的多樣性、結(jié)構(gòu)分布的空間效應(yīng)、服役過程的長時(shí)效應(yīng)、多場(chǎng)多因素的耦合效應(yīng)、結(jié)構(gòu)損傷的多尺度效應(yīng),導(dǎo)致道岔各類損傷出現(xiàn)頻繁,應(yīng)基于岔區(qū)動(dòng)態(tài)輪軌關(guān)系和道岔區(qū)輪軌接觸疲勞與磨損的關(guān)系,探索道岔結(jié)構(gòu)損傷與性能劣化的規(guī)律.道岔區(qū)輪軌劇烈橫向沖擊的仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)急待提升.應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與理論分析的結(jié)合,獲取可動(dòng)心軌道岔疲勞載荷譜,建立道岔疲勞累積損傷模型,開展服役壽命評(píng)估方法的研究.此外,基于服役過程中道岔結(jié)構(gòu)疲勞關(guān)鍵部位的動(dòng)態(tài)損傷與安全服役監(jiān)控參數(shù)指標(biāo),開展高速行車條件下道岔動(dòng)態(tài)損傷與安全服役性能監(jiān)控系統(tǒng)研究亦是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一.

2.6 高速道岔動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)

高速道岔設(shè)計(jì)中的各種計(jì)算理論,都是以一定的力學(xué)模型及給定的荷載參數(shù)和道岔區(qū)軌道參數(shù)為前提,其計(jì)算結(jié)果只能反映一定的道岔結(jié)構(gòu)在給定運(yùn)營條件下各種效應(yīng)值的大致水平和量級(jí).大量室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果才能驗(yàn)證理論結(jié)果的正確性,并不斷優(yōu)化理論參數(shù),提高其適用性,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高速道岔設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)與維護(hù)的科學(xué)指導(dǎo),保障高速列車過岔的安全性和舒適性.

文獻(xiàn)[46]開發(fā)了道岔區(qū)輪對(duì)橫移測(cè)試系統(tǒng),在合寧線對(duì)引進(jìn)的法國技術(shù)道岔進(jìn)行了岔區(qū)輪對(duì)橫移測(cè)試,驗(yàn)證了道岔動(dòng)力學(xué)理論的正確性;文獻(xiàn)[47]通過對(duì)膠濟(jì)線18號(hào)道岔進(jìn)行試鋪和動(dòng)測(cè)試驗(yàn),包括CRH動(dòng)車組、提速客車及貨車直向和側(cè)向過岔的動(dòng)力測(cè)試,驗(yàn)證了道岔具有較高的安全性和列車運(yùn)行平穩(wěn)性;文獻(xiàn)[48]針對(duì)岔區(qū)軌道剛度合理取值及均勻化技術(shù)、尖軌降低值優(yōu)化技術(shù)、轉(zhuǎn)轍器運(yùn)動(dòng)學(xué)軌距優(yōu)化技術(shù)、側(cè)線線型設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)動(dòng)車組高速直、側(cè)向過岔平穩(wěn)性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究;文獻(xiàn)[49]利用測(cè)力輪對(duì)測(cè)試了車輛直/側(cè)、順/逆向通過道岔時(shí)的橫向和垂向輪軌力,研究了過岔速度、過岔方向等對(duì)輪軌力最大值及位置的影響,驗(yàn)證了車輛-道岔動(dòng)態(tài)相互作用計(jì)算模型的正確性.

高速道岔一般體量大,部件多,且有許多隱蔽部分,既有的檢測(cè)方法存在應(yīng)用條件限制和工作效率相對(duì)較低的缺點(diǎn).目前,高效模塊化、數(shù)字化的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)量測(cè)技術(shù)已為高速道岔動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試提供了堅(jiān)實(shí)有效的技術(shù)支持.依據(jù)高速道岔結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(如自振頻率和振型)和物理參數(shù)(如剛度和阻尼)來定性和定量地判別結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變是當(dāng)前本領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)之一,而道岔區(qū)輪軌接觸行為的試驗(yàn)研究仍較為少見.

3 高速道岔平面線型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

道岔具體設(shè)計(jì)工作包括平面線型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),平面線型設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括基本線型的選取,道岔尖軌切削方式的選擇,轍叉區(qū)的設(shè)計(jì)以及岔枕的布置等;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括各零部件的結(jié)構(gòu)選型、布置方式及尺寸等.

3.1 道岔平面線型設(shè)計(jì)

3.1.1 高速道岔平面線型設(shè)計(jì)參數(shù)

高速道岔平面線型設(shè)計(jì)控制參數(shù)包括未被平衡的離心加速度a和未被平衡的離心加速度時(shí)變率Ψ兩個(gè)參數(shù)[50-51].此外,文獻(xiàn)[50-53]認(rèn)為在分析列車側(cè)向過岔的未被平衡加速度及其時(shí)變率時(shí),考慮車輛長度影響可得到列車通過曲率變化點(diǎn)處車體離心加速度的漸變過程.各國車輛的動(dòng)力學(xué)性能不同,因此,離心加速度、離心加速度時(shí)變率的控制限值也略有差異[54],見表1.

3.1.2 道岔整體線型

道岔側(cè)股曲線型式包括單圓型、復(fù)圓型、圓緩型和緩圓緩型4種.側(cè)向通過速度超過160 km/h的各國大號(hào)碼高速道岔采取的線型并不一致,日本和德國分別采用復(fù)圓線型和圓緩圓線型,中國和法國均采用圓緩線型;而側(cè)向通過速度為80～100 km/h的高速道岔,各國均采用單圓曲線型[50-51,55-56].文獻(xiàn)[57-58]通過對(duì)秦沈客運(yùn)專線38號(hào)高速道岔平面線型的分析,指出大號(hào)碼道岔采用三次拋物線線型已成為一種發(fā)展趨勢(shì).文獻(xiàn)[52-53]基于平面參數(shù)法及車輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)不同側(cè)向過岔速度條件下高速道岔的線型選取方式進(jìn)行了研究,認(rèn)為采用緩圓緩線型的旅客乘坐舒適性較圓緩線型更好.文獻(xiàn)[59-60]采用安全性、平穩(wěn)性等動(dòng)力學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)我國18號(hào)及42號(hào)高速道岔進(jìn)行了仿真計(jì)算,指出我國高速道岔平面線型的設(shè)計(jì)是合理的.

表1 各國高速道岔平面線型設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of the plane layout geometry design parameters of high-speed turnouts in various countries

3.1.3 尖軌平面線型

道岔尖軌平面線型分為直線型和曲線型兩種，曲線型尖軌主要有割線型、半割線型、切線型、半切線型等.國外高速道岔較多采用的是切線型尖軌,我國高速道岔則主要采用半切線型和半割線型尖軌.為研究不同運(yùn)營條件下各種線型尖軌的受力特性及適用條件,文獻(xiàn)[61]建立了列車/道岔尖軌仿真分析模型,對(duì)轉(zhuǎn)轍器部分的輪軌受力特性進(jìn)行了分析,例如,尖軌斷面的變化、結(jié)構(gòu)不平順的大小、尖軌與基本軌之間的傳力特點(diǎn)、車輪輪踏面接觸點(diǎn)在兩鋼軌上的過渡規(guī)律、輪緣接觸點(diǎn)的變化規(guī)律及坐標(biāo)體系的變換等.文獻(xiàn)[52-53]通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算及輪軌間磨耗性能的分析,認(rèn)為18號(hào)道岔應(yīng)采用相離半切線型尖軌, 42號(hào)道岔則宜采用切線型和半切線型尖軌.

3.2 高速道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)

中國和法國的道岔基本軌均采用中國的60 kg/m鋼軌,客貨共線線路上為U75V鋼軌(抗拉強(qiáng)度980 MPa),時(shí)速350 km客運(yùn)專線上采用的是U71MnK(抗拉強(qiáng)度880 MPa)鋼軌,設(shè)計(jì)軌底坡為 1∶40.尖軌采用60D40鋼軌,材質(zhì)與基本軌相同,頂面加工 1∶40 軌頂坡,跟端扭轉(zhuǎn) 1∶40 斜.德國基本軌與尖軌則采用的是60E1A1(即Zu1-60)鋼軌,鋼軌材質(zhì)為R350HT硬頭軌,抗拉強(qiáng)度為1 175 MPa.基本軌設(shè) 1∶40 軌底坡,尖軌頂面通長加工成 1∶40 軌頂坡,跟端不扭轉(zhuǎn).

道岔尖軌一般采用AT軌(即矮型特種斷面鋼軌)加工制造.我國提速道岔及秦沈客運(yùn)專線道岔采用CHN60AT鋼軌,國外高速鐵路道岔采用的AT軌類型主要有法國的UIC60A、UIC60D,德國的Zul-60及日本的80S.文獻(xiàn)[62]通過對(duì)以上幾種AT軌類型進(jìn)行對(duì)比分析,建議為適應(yīng)我國高速道岔1∶40的軌底坡宜采用UIC60D40斷面的鋼軌制造尖軌.我國及其他國家高速道岔均采用尖軌藏尖結(jié)構(gòu).由于車輪在尖軌與基本軌之間過渡導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不平順的影響,尖軌與基本軌密貼段范圍內(nèi)的輪軌關(guān)系是影響動(dòng)車組過岔平穩(wěn)性的主要因素.為此,德國高速道岔采用了FAKOP動(dòng)態(tài)軌距加寬技術(shù),使輪對(duì)通過轉(zhuǎn)轍器時(shí)左右兩車輪的滾動(dòng)半徑趨于相同,減緩了蛇形運(yùn)動(dòng)提高了車輛過岔的平穩(wěn)性[54],文獻(xiàn)[4,63-64]對(duì)轉(zhuǎn)轍器部分輪載過渡規(guī)律進(jìn)行了研究,提出了采用縮短輪載過渡范圍的方式來提高動(dòng)車組過岔平穩(wěn)性的轉(zhuǎn)轍器設(shè)計(jì)方法,并指出用縮短輪載過渡范圍的方式可明顯提升過岔平穩(wěn)性[50-51].此外,根據(jù)不同鋪設(shè)地區(qū)的全年軌道溫差,可考慮在轉(zhuǎn)轍器跟端設(shè)置間隔鐵、限位器等縱向傳力結(jié)構(gòu).

法國道岔采用輪對(duì)通過轉(zhuǎn)轍器時(shí)的傾角不超過4/1 000 rad作為尖軌頂面降低值的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),其直曲尖軌采用相同的頂面降低值.中國道岔以提高行車舒適性和確保尖軌強(qiáng)度作為尖軌頂降低值的設(shè)計(jì)依據(jù),直尖軌降低值采用了縮短并前移輪載過渡范圍的方式來提高行車舒適性.德國道岔尖軌降低值以保證鋼軌強(qiáng)度及輪載平穩(wěn)過渡為設(shè)計(jì)依據(jù).

中、德、法三國高速道岔均實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)轍器部分基本軌的彈性扣壓及輥輪轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),可保證基本軌的橫向穩(wěn)定性及尖軌轉(zhuǎn)換阻力的降低.中國道岔滑床臺(tái)內(nèi)設(shè)置了施維格幾形彈性夾,每隔3～5根岔枕設(shè)置一對(duì)施維格輥輪;法國道岔滑床臺(tái)內(nèi)設(shè)置了科吉富幾形彈性夾,每隔4根岔枕設(shè)置一對(duì)科吉富輥輪;德國道岔滑床臺(tái)兩側(cè)各設(shè)置了一根BWG彈性扣壓條,每隔4根岔枕設(shè)置一對(duì)BWG輥輪.各國高速道岔均可將尖軌轉(zhuǎn)換不足位移控制在2 mm以內(nèi).

為進(jìn)一步改善高速道岔區(qū)輪軌關(guān)系、降低動(dòng)力作用,可考慮采用列車進(jìn)岔的預(yù)導(dǎo)向技術(shù),通過設(shè)置軌距加寬和優(yōu)化尖軌結(jié)構(gòu),使列車通過轉(zhuǎn)轍器區(qū)域時(shí),輪對(duì)提前導(dǎo)向,以適應(yīng)轉(zhuǎn)轍區(qū)內(nèi)快速變化的線型,從而有效減小輪對(duì)的橫移量和車體橫向加速度.直曲組合線型與尖軌、心軌加寬可有效延長曲尖軌壽命.

3.2.2 轍叉結(jié)構(gòu)

為降低列車經(jīng)過轍叉時(shí)的輪軌沖擊,提高過岔舒適性,高速道岔一般采用可動(dòng)心軌式轍叉[50-51],可消除有害空間保持轍叉軌線連續(xù).

法國道岔心軌采用與尖軌材質(zhì)相同的60D40鋼軌通過哈克螺栓聯(lián)結(jié)而成;翼軌為高錳鋼整鑄“搖籃式”結(jié)構(gòu),其前后兩端分別焊接普通鋼軌和A74鋼軌,外側(cè)用豎向軌撐扣壓.轍叉跟端采用安裝空心銷的彈性間隔鐵將翼軌與心軌聯(lián)結(jié),兩心軌之間也采用長大間隔鐵進(jìn)行聯(lián)結(jié).與尖軌頂面降低值的設(shè)計(jì)原則一樣,在心軌頂面降低值設(shè)計(jì)中,法國道岔仍然遵循輪載轉(zhuǎn)移過程中輪對(duì)傾角小于4/1 000 rad(對(duì)于速度250 km/h的道岔小于8/1 000 rad)和頂寬22 mm斷面之后、心軌與翼軌密貼段內(nèi)完成輪載過渡的設(shè)計(jì)原則.為進(jìn)一步降低列車通過轍叉時(shí)的橫向不平順,采用了心軌水平藏尖式結(jié)構(gòu), 18號(hào)和41號(hào)道岔水平藏尖量分別為5.0 和5.7 mm.

德國道岔心軌前端采用鋼坯經(jīng)機(jī)加工而成的整體結(jié)構(gòu),后端拼焊2根叉跟軌;翼軌采用普通鋼軌刨切成型,外側(cè)采用彈條扣壓.德國18號(hào)道岔轍叉跟端為高強(qiáng)螺栓聯(lián)結(jié)的間隔鐵結(jié)構(gòu); 39.113號(hào)道岔轍叉下部為通長整體大墊板,心軌-心軌、翼軌-心軌之間的長大間隔鐵通過螺栓與大墊板聯(lián)結(jié),同時(shí)還有橫向螺栓聯(lián)結(jié),能夠滿足抵御區(qū)間無縫線路溫度力的要求和防止轉(zhuǎn)換桿件與翼軌軌腰孔碰卡.心軌頂面降低值的設(shè)計(jì)采用輪廓以心軌頂面中心線對(duì)稱設(shè)置和頂面圓弧平順過渡的設(shè)計(jì)原則,并未采用水平藏尖式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

中國道岔心軌采用60D40鋼軌栓結(jié)而成;翼軌為TY軌(即軋制特種斷面翼軌).轍叉跟端采用兩個(gè)雙孔間隔鐵將翼軌與心軌膠結(jié)的結(jié)構(gòu),轍叉后端兩心軌之間也采用長大間隔鐵進(jìn)行聯(lián)結(jié),可較好地傳遞岔后區(qū)間無縫線路的溫度力、保持轍叉的橫向穩(wěn)定性和防止心軌卡阻.心軌頂面降低值設(shè)計(jì)亦遵循縮短輪載過渡段長度和采用水平藏尖結(jié)構(gòu)減小橫向不平順的設(shè)計(jì)原則, 18、42號(hào)道岔水平藏尖量為9 mm.針對(duì)側(cè)向高速道岔(大號(hào)碼),除日本外各國均采用雙肢彈性可彎心軌結(jié)構(gòu),我國還通過優(yōu)化牽引點(diǎn)位置及轉(zhuǎn)換動(dòng)程,實(shí)現(xiàn)了這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同步平穩(wěn)轉(zhuǎn)換,并通過預(yù)設(shè)反拱減緩了心軌跟端附近的轉(zhuǎn)換不足位移,該結(jié)構(gòu)消除了側(cè)股跟端處的斜接頭,確保了列車以160 km/h速度側(cè)向過岔時(shí)的安全性與平穩(wěn)性,而側(cè)向通過速度較低的18、30號(hào)道岔仍采用單肢彈性可彎心軌結(jié)構(gòu).

3.2.3 扣件系統(tǒng)

中國高速道岔區(qū)軌道采用帶鐵墊板的彈性分開式扣件,彈性鐵墊板上部結(jié)構(gòu)考慮無螺栓扣件系統(tǒng)和有螺栓扣件系統(tǒng)兩種方案;擋肩與鋼軌底邊之間設(shè)軌距塊用于保持或調(diào)整軌距.客貨共線運(yùn)行的設(shè)計(jì)時(shí)速250 km有砟、無砟道岔扣件系統(tǒng)靜剛度設(shè)計(jì)值為50±5 kN/mm,動(dòng)靜剛度比≤1.8;無貨運(yùn)的設(shè)計(jì)時(shí)速250、350 km無砟道岔扣件系統(tǒng)靜剛度設(shè)計(jì)值為25±2.5 kN/mm,動(dòng)靜剛度比≤1.5.通過對(duì)板下橡膠墊的開槽設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)岔區(qū)內(nèi)不同部位扣件系統(tǒng)剛度的調(diào)整,并在岔區(qū)前后各設(shè)0.5 s列車走行距離的剛度過渡段.

法國有砟道岔采用VOSSLOH公司的skl12窄型彈條,軌下設(shè)置9 mm橡膠墊層,板下設(shè)置4 mm橡塑墊板;滑床臺(tái)部分軌下不設(shè)彈性墊層,板下設(shè)9 mm橡膠墊層;跟端固定區(qū)軌下及板下各設(shè)置4.5 mm橡膠墊層.鐵墊板與岔枕的聯(lián)結(jié)采用雙排Φ24高強(qiáng)螺栓結(jié)構(gòu),板下可設(shè)調(diào)高墊層,實(shí)現(xiàn)0～10 mm的調(diào)高量.不設(shè)軌距塊,軌距調(diào)整依靠鐵墊板端部的月牙擋塊實(shí)現(xiàn),可實(shí)現(xiàn)-4～+2 mm的調(diào)距量.無砟道岔采用VOSSLOH公司W(wǎng)300扣件系統(tǒng),采用skl15彈條,軌下設(shè)6 mm橡膠墊層,板下設(shè)12 mm彈性墊層.鑄鐵擋肩與岔枕上設(shè)V型槽與鑄鐵擋肩相配合,降低錨固螺栓受力點(diǎn).板下通過調(diào)高墊層可實(shí)現(xiàn)-4～+26 mm的調(diào)高量,絕緣軌距塊與調(diào)整墊片相配合實(shí)現(xiàn)-4～+8 mm的調(diào)距量.采用了與區(qū)間線路相同的扣件系統(tǒng)剛度設(shè)計(jì)值,有砟道岔扣件系統(tǒng)靜剛度設(shè)計(jì)值為65±10 kN/mm,動(dòng)靜剛度比≤2.0;無砟道岔扣件系統(tǒng)靜剛度設(shè)計(jì)值為26±2 kN/mm,動(dòng)靜剛度比≤1.5.岔區(qū)不同部位處墊層剛度采用開孔設(shè)置進(jìn)行微調(diào),以保證道岔整體剛度最大值不超過區(qū)間線路的1.3倍.岔區(qū)與區(qū)間軌道之間未設(shè)剛度過渡段.

德國無砟道岔采用VOSSLOH公司的skl12窄型彈條,軌下設(shè)置6 mm橡塑墊片,采用平墊板或1∶40斜型墊板實(shí)現(xiàn)不同部位軌底坡要求;鐵墊板與彈性墊層硫化成一體形成彈性基板結(jié)構(gòu);鐵墊板與岔枕的聯(lián)結(jié)采用Φ30高強(qiáng)螺栓及帶緩沖偏心套的結(jié)構(gòu).板下通過調(diào)高墊層可實(shí)現(xiàn)-4～+26 mm調(diào)高量.彈條座與軌底之間不設(shè)置軌距塊,依靠偏心錐套可實(shí)現(xiàn)-12～+12 mm的調(diào)距量.在岔區(qū)剛度設(shè)計(jì)中,以鋼軌底部應(yīng)力≤75 MPa 為前提,在23 t軸重作用下,道岔扣件系統(tǒng)豎向靜剛度設(shè)計(jì)值為17.5±1.5 kN/mm,動(dòng)靜剛度比≤1.5.轍叉部位采用更低的剛度設(shè)計(jì),對(duì)岔區(qū)其他部位各種尺寸的彈性基板,可通過調(diào)整板中肋條的數(shù)量、位置等使其扣件系統(tǒng)靜剛度均近似相等,設(shè)計(jì)中未考慮聯(lián)結(jié)鋼軌的“幫軌作用”.在道岔前后25根岔枕范圍內(nèi)設(shè)置剛度過渡段.

3.2.4 軌下基礎(chǔ)

高速道岔軌下基礎(chǔ)分為有砟和無砟兩種形式,有砟道岔軌下基礎(chǔ)主要采用混凝土岔枕,無砟道岔軌下基礎(chǔ)有混凝土支撐塊、混凝土長枕埋入、混凝土道岔板、高分子合成枕等多種形式.法國道岔主要采用有砟道床和整體式預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕;德國重點(diǎn)發(fā)展整體式道床基礎(chǔ),當(dāng)采用碎石道床、整體混凝土岔枕基礎(chǔ)形式時(shí),為解決整組道岔運(yùn)輸及列車高速運(yùn)行時(shí)長岔枕一端翹起和拍打道床引起的道砟粉化問題, 3.2 m以上的長岔枕用柔性鉸連接[50-51,65].我國高速有砟道岔主要采用整體式混凝土長岔枕結(jié)構(gòu),沿用提速Ⅲ型岔枕斷面,無砟道岔主要采用混凝土長枕埋入式和道岔板式兩種,岔枕采用垂直于直股的布置方式,岔枕間距按600 mm布置,岔枕長度按轉(zhuǎn)轍器部分100 mm、連接部分與轍叉部分150 mm進(jìn)級(jí).

3.2.5 轉(zhuǎn)換設(shè)備

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備是實(shí)現(xiàn)主、側(cè)向(定、反位)之間轉(zhuǎn)換的控制設(shè)備.法國高速道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備采用一機(jī)多點(diǎn)牽引方式,在第一牽引點(diǎn)設(shè)置外鎖閉裝置,尖軌聯(lián)動(dòng),其他牽引點(diǎn)通過直角拐和導(dǎo)管由轉(zhuǎn)轍機(jī)間接鎖閉.德國則采用多機(jī)多點(diǎn)轉(zhuǎn)換方式,尖軌分動(dòng),由控制電路實(shí)現(xiàn)同步.我國亦采用多機(jī)多點(diǎn)牽引方式,各牽引點(diǎn)均采用分動(dòng)鉤型外鎖閉方式,針對(duì)大號(hào)碼道岔,采用了不同動(dòng)程的轉(zhuǎn)轍機(jī)和控制各牽引點(diǎn)啟動(dòng)順序的辦法解決了長大尖軌同步平穩(wěn)轉(zhuǎn)換的難題[35,50-51].

4 高速道岔的制造與鋪設(shè)

高速道岔精品化理念由系統(tǒng)化設(shè)計(jì)、精細(xì)化加工制造、逐組組裝、駐廠監(jiān)造、集成供貨、精密鋪設(shè)等核心環(huán)節(jié)共同構(gòu)成.高速道岔的高技術(shù)性能依賴于制造和組裝過程中的精細(xì)化程度,而高精密的鋪設(shè)施工則是確保道岔具有高平順性、可靠性從而實(shí)現(xiàn)高舒適度的關(guān)鍵.

4.1 生產(chǎn)工藝

為保證道岔制造的精度及平順性,我國高速道岔制造廠家均進(jìn)行了裝備升級(jí),引進(jìn)了國際領(lǐng)先水平的大型設(shè)備,如數(shù)控龍門銑床、高精度的數(shù)控鋸鉆、大型鋼軌焊機(jī)和高噸位壓力機(jī)等.文獻(xiàn)[66-69]詳細(xì)介紹了高速道岔的生產(chǎn)過程,包括關(guān)鍵零部件的加工工藝、道岔廠內(nèi)組裝試鋪設(shè)等過程.

為滿足高速道岔的高平順性、高舒適度和高可靠性的要求,文獻(xiàn)[70]對(duì)道岔制造過程中限位器、水平螺栓、間隔鐵等零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入分析.文獻(xiàn)[71]采用有限單元法進(jìn)行尖軌矯直研究,分析了加載支距、加載方式和加載量對(duì)尖軌矯直塑性變形、應(yīng)力及尖軌線形的影響.文獻(xiàn)[72]研究了鋼軌矯直過程中殘余應(yīng)力的控制方法.文獻(xiàn)[73]研究了高速道岔尖軌跟端的鍛造及淬火工藝,并提出了尖軌銑削時(shí)的合理切削參數(shù).文獻(xiàn)[74]研究了鋼軌熱處理對(duì)提高鋼軌強(qiáng)度的影響,文獻(xiàn)[75]研究了鋼軌鍛造工藝對(duì)其強(qiáng)度的影響.

高速道岔作為擁有高精密度的機(jī)電一體化設(shè)備,應(yīng)力爭在超長鋼軌變形控制、軌頂面通長加工、軌頭輪廓高精度控制、綜合防腐技術(shù)、零部件精細(xì)化制造等方面取得突破和創(chuàng)新.道岔中非對(duì)稱的鋼軌件在刨切加工后殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生較大變化,在列車荷載作用下會(huì)導(dǎo)致尖軌、心軌發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,應(yīng)開展鋼軌殘余應(yīng)力仿真、測(cè)試及控制技術(shù)研究.此外,高速道岔組裝完成后各部件的相對(duì)位置及尺寸配合精度要求較高,需要開展加工誤差匹配、相消設(shè)計(jì)及部件選配研究,進(jìn)一步完善質(zhì)量管理體系.

4.2 運(yùn)輸與吊裝

高速道岔的運(yùn)輸方式主要有3種,第一種是散件運(yùn)輸,這種運(yùn)輸方式無需大型設(shè)備運(yùn)輸及吊裝,但現(xiàn)場(chǎng)重新組裝時(shí)工作量較大,中國目前采用的是散件運(yùn)輸;第二種是分塊運(yùn)輸方式,德國的高速道岔主要采取這種方式;最后一種是整組運(yùn)輸方式,這種運(yùn)輸方式效率較低,歐洲高速鐵路道岔曾采用過這種方式.

高速鐵路道岔的鋼軌件為細(xì)長結(jié)構(gòu),在運(yùn)輸、存放和運(yùn)輸中極易發(fā)生不能恢復(fù)的塑性變形,而變形會(huì)影響道岔的精度和鋪設(shè)質(zhì)量,因此,道岔的吊裝需要使用滿足要求的起重機(jī)械,且吊具應(yīng)按標(biāo)記位置起吊道岔組件[76-77].

文獻(xiàn)[78]提出了42號(hào)板式無砟道岔運(yùn)輸采用汽車運(yùn)輸短配軌、扣件系統(tǒng),提前組裝,火車運(yùn)輸長配軌、轍叉至現(xiàn)場(chǎng),采用兩臺(tái)履帶吊,雙吊梁多點(diǎn)柔性起吊、移動(dòng)一次就位的設(shè)計(jì)方案;文獻(xiàn)[79]研究制訂了普通平板車裝運(yùn)42號(hào)道岔的運(yùn)輸方案,探索出一種大號(hào)碼高速道岔的鐵路運(yùn)輸方案.

4.3 鋪設(shè)技術(shù)

高速道岔的現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)方法包括原位鋪設(shè)和移動(dòng)鋪設(shè)兩種方法,原位鋪設(shè)需封鎖線路,一般適用于新建線路;而運(yùn)營線路中道岔更換多采用移位法鋪設(shè).

文獻(xiàn)[80]針對(duì)大號(hào)碼高速道岔的鋪設(shè)精度及運(yùn)營穩(wěn)定性要求,對(duì)道岔的鋪設(shè)工序進(jìn)行了深入研究和實(shí)踐探索;文獻(xiàn)[81]簡要介紹了德國引進(jìn)技術(shù)建造的高速道岔在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)時(shí)的主要施工工藝和流程;文獻(xiàn)[82]根據(jù)18號(hào)高速道岔在武漢鐵路局線上的鋪設(shè)和使用情況,提出了高速道岔鋪設(shè)的方法和質(zhì)量控制.文獻(xiàn)[83]開發(fā)出客運(yùn)專線無砟道岔精調(diào)系統(tǒng),并應(yīng)用于德國BWG公司生產(chǎn)的18號(hào)無砟道岔現(xiàn)場(chǎng)精調(diào)作業(yè)指導(dǎo).

應(yīng)加快研制高速道岔專用運(yùn)輸車輛和鋪設(shè)機(jī)具,實(shí)現(xiàn)各型號(hào)高速道岔的分塊式運(yùn)輸與鋪設(shè).

5 高速道岔維護(hù)與管理

高速道岔的維修也應(yīng)遵循與區(qū)間線路一致的“預(yù)防為主、防治結(jié)合、嚴(yán)檢慎修”基本原則,根據(jù)道岔狀態(tài)的變化規(guī)律,合理安排養(yǎng)護(hù)與維修,做到精確檢測(cè)、全面分析、精細(xì)修理,目標(biāo)是有效預(yù)防和整治病害.同時(shí),由于高速道岔結(jié)構(gòu)的特殊性及其在鐵路運(yùn)營安全中的重要地位,其養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)更高.

5.1 檢測(cè)技術(shù)

高速鐵路道岔的檢測(cè)內(nèi)容,主要包括道岔狀態(tài)及幾何尺寸檢查、道岔鋼軌檢查兩大部分.道岔狀態(tài)及幾何尺寸檢查遵循“動(dòng)態(tài)檢查為主,動(dòng)、靜態(tài)檢查相結(jié)合,結(jié)構(gòu)檢查與幾何尺寸檢查并重”的原則.動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備主要有軌道檢測(cè)系統(tǒng)[84]、高速綜合檢測(cè)列車等.軌道靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備一般包括道尺、弦繩、軌道相對(duì)幾何尺寸檢查小車、軌道絕對(duì)幾何尺寸測(cè)量車、軌道傷損多功能檢測(cè)小車、激光長弦軌道檢測(cè)小車、GPS慣性導(dǎo)航測(cè)量小車、鋼軌輪廓測(cè)量儀、鋼軌焊頭平直度測(cè)量儀、鋼軌波磨測(cè)量儀等.

道岔鋼軌的檢查主要包括鋼軌探傷和外觀及表面?zhèn)麚p檢查.鋼軌探傷采用以探傷車為主、探傷儀為輔的方式,對(duì)正線及道岔鋼軌進(jìn)行周期性探傷,探傷車檢查發(fā)現(xiàn)的傷損采用探傷儀進(jìn)行復(fù)核;對(duì)鋼軌外觀及表面?zhèn)麚p主要采用巡檢設(shè)備與人工巡視相結(jié)合的方式進(jìn)行檢查.中國高速鐵路的鋼軌探傷設(shè)備主要有大型鋼軌探傷車和小型多通道探傷儀兩種,利用超聲波在鋼軌中傳播特性的優(yōu)點(diǎn),目前國內(nèi)外的探傷車都采用了超聲波探傷技術(shù).

為了更全面地掌握高速道岔的使用情況,文獻(xiàn)[85]基于嵌入式ARM微處理器以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)了高速道岔檢測(cè)儀,能夠?qū)崟r(shí)獲取列車通過道岔區(qū)間時(shí)的道岔軌距、尖軌密貼以及道床振動(dòng)加速度的量值;文獻(xiàn)[86]使用數(shù)字化檢測(cè)和立體顯示技術(shù)相結(jié)合的方法,對(duì)道岔的磨損情況進(jìn)行了研究和展示.

5.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

高速道岔是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),其尖軌及心軌因無扣件扣壓,一旦出現(xiàn)斷裂而未能發(fā)現(xiàn),極易引發(fā)脫軌事故;同時(shí)道岔中各種零部件的干擾及對(duì)鋼軌軌底的遮蔽,上述探傷車及探傷儀均不易發(fā)現(xiàn)尖軌、心軌上出現(xiàn)的裂紋,即使這些鋼軌發(fā)生了折斷，由于其鐵墊板不絕緣將導(dǎo)致不能通過軌道電路及時(shí)發(fā)現(xiàn).因此,高速道岔鋼軌折斷是一個(gè)重大的安全風(fēng)險(xiǎn)源.國內(nèi)外均將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為高速道岔系統(tǒng)的標(biāo)配,德國和法國高速道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要工作是監(jiān)控電務(wù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的工作狀態(tài).文獻(xiàn)[87]介紹了國外道岔狀態(tài)實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和系統(tǒng)構(gòu)成;文獻(xiàn)[88]設(shè)計(jì)了一種具有故障診斷功能的道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng),解決了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性和狀態(tài)信息量少等問題.已研制出基于壓電能量法的道岔鋼軌裂紋監(jiān)測(cè)等裝置,形成了新一代高速道岔工電集成的監(jiān)測(cè)平臺(tái),填補(bǔ)了國內(nèi)外高速道岔安全監(jiān)測(cè)的空白[89].

5.3 道岔傷損

高速道岔部件傷損與岔區(qū)復(fù)雜的輪軌關(guān)系密切相關(guān),而且道岔傷損還會(huì)增大輪軌動(dòng)力作用或誘發(fā)轉(zhuǎn)換設(shè)備故障,因輪軌關(guān)系的改變導(dǎo)致晃車,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起列車脫軌事故[90].

道岔部件傷損包含了區(qū)間線路軌道所有的傷損形式且具有特殊的傷損特點(diǎn).與區(qū)間軌道一樣,道岔鋼軌件的典型傷損形式有磨損、鋼軌壓潰、塑性流變等塑性累計(jì)變形,以及鋼軌裂紋、剝離、掉塊等滾動(dòng)接觸疲勞等傷損形式[40,91],其特殊性是由道岔的結(jié)構(gòu)型式引起的,如尖軌或心軌薄弱處開裂、曲尖軌側(cè)磨嚴(yán)重磨耗、尖軌掉塊及魚鱗傷等[92-93].

5.4 平順性管理

由于高速道岔的應(yīng)用數(shù)量較多,受不同生產(chǎn)商制造水平、不同施工隊(duì)伍鋪設(shè)水平的限制,以及不同類型動(dòng)車組、不同基礎(chǔ)類型等運(yùn)營條件的影響,復(fù)雜環(huán)境中的高速道岔性能和狀態(tài)差異顯著.在設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)過程中,需要根據(jù)具體工況對(duì)高速道岔的平順性進(jìn)行系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào).目前,高速道岔不平順性主要有3類,第1類是輪軌關(guān)系不良引起的結(jié)構(gòu)不平順,例如,尖軌降低值過大會(huì)導(dǎo)致車體橫向振動(dòng)加速度超限[94];第2類是道岔幾何不平順,例如,道岔長波不平順導(dǎo)致車體橫向振動(dòng)加速度超限,鋼軌扎制周期性不平順導(dǎo)致輪重減載率超限等;第3類是道岔狀態(tài)不平順,例如,滑床臺(tái)離縫對(duì)輪軌系統(tǒng)的豎向動(dòng)力響應(yīng)影響較大,鋼軌之間的離縫對(duì)輪軌系統(tǒng)的橫向動(dòng)力響應(yīng)影響較大,轉(zhuǎn)換不足位移對(duì)輪軌橫向動(dòng)力相互作用的影響較大,岔枕空吊對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍器部分的軌道框架保持十分不利等.因此可考慮通過優(yōu)化輪軌接觸關(guān)系或軌道剛度均勻化來控制道岔固有結(jié)構(gòu)不平順，通過提高制造、組裝和鋪設(shè)精度來控制道岔各部件間的離縫等動(dòng)態(tài)不平順，通過道岔精調(diào)和嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來控制道岔的幾何不平順.

5.5 道岔區(qū)鋼軌打磨

世界范圍內(nèi)鋼軌打磨的研究已經(jīng)有超過50年的歷史,鋼軌打磨的主要思路有兩種,一種是通過鋼軌打磨來消除鋼軌走行表面的疲勞破壞層,該方法的主要目的是減緩滾動(dòng)疲勞接觸帶來的鋼軌傷損;另一種是通過鋼軌打磨改善輪軌接觸關(guān)系,從而降低輪軌相互動(dòng)力作用.這兩種思路的最終目的都是延長鋼軌的使用壽命[95-96].鋼軌打磨可分為預(yù)打磨、預(yù)防性打磨和修理性打磨三類.鋼軌預(yù)打磨應(yīng)在軌道精調(diào)完成后進(jìn)行,主要目的是去除低碳表皮、調(diào)整目標(biāo)鋼軌斷面、消除施工車輛對(duì)鋼軌的損傷;鋼軌預(yù)防性打磨周期按通過總重和鋼軌運(yùn)用狀態(tài)確定,原則上每30～50 Mt通過總重打磨一次,最長不宜超過2年;當(dāng)鋼軌出現(xiàn)波磨、魚鱗裂紋等傷損時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修理性打磨[97-98].

道岔中鋼軌損壞的主要原因是車輪走行對(duì)鋼軌形成的磨耗和疲勞破壞.輕度磨耗能增大車輪與軌道鋼軌的共形程度[99],而深度磨耗則會(huì)造成輪軌接觸幾何關(guān)系的進(jìn)一步惡化,最終導(dǎo)致道岔鋼軌損壞.高速道岔鋼軌斷面多變,車輪與鋼軌的接觸關(guān)系較為復(fù)雜,研究道岔鋼軌打磨能夠有效減緩和優(yōu)化輪軌相互作用,對(duì)延長道岔使用壽命及提高行車平穩(wěn)性有重大意義.應(yīng)根據(jù)不同的運(yùn)營條件進(jìn)行有針對(duì)性地研究高速道岔鋼軌打磨,例如,當(dāng)高速道岔直向通過車輛占很大比例時(shí),研究通過鋼軌打磨的方式提升高速道岔直向平順性就具有重要意義.

5.6 發(fā)展趨勢(shì)

(1) 高效快速的高速道岔檢測(cè)技術(shù)

針對(duì)影響高速道岔長期安全服役的關(guān)鍵檢測(cè)內(nèi)容,開展幾何不平順高效檢測(cè)、道岔結(jié)構(gòu)及部件傷損檢測(cè)、軌道剛度移動(dòng)檢測(cè)的理論與方法研究,探索構(gòu)建面向工務(wù)維護(hù)及實(shí)時(shí)反饋的檢測(cè)評(píng)估體系.

(2) 高速道岔狀態(tài)實(shí)時(shí)獲取技術(shù)

建立高速道岔狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、性能參數(shù)實(shí)時(shí)辨識(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)字化平臺(tái),重點(diǎn)研究高效實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的設(shè)備及運(yùn)營狀態(tài)傳感機(jī)理;多源異構(gòu)海量信息時(shí)空同步及融合機(jī)制;信號(hào)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析理論及實(shí)時(shí)在線預(yù)測(cè)預(yù)警模型等,實(shí)現(xiàn)高速道岔安全狀態(tài)、參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

(3) 高速道岔運(yùn)營安全評(píng)估技術(shù)

建立基于線路狀態(tài)和自然環(huán)境的高速道岔安全仿真評(píng)估模型庫等.有效結(jié)合仿真和試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)高速道岔及其運(yùn)營環(huán)境各種狀態(tài)識(shí)別、故障診斷和安全評(píng)估，逐步實(shí)現(xiàn)高速道岔的自我認(rèn)知、自我狀態(tài)評(píng)估和智能決策支持等功能.

(4) 基于大數(shù)據(jù)的高速道岔健康管理及故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)(prognostics and health management, PHM)

針對(duì)高速道岔的設(shè)計(jì)、制造、施工和管養(yǎng)信息長期分割零散、共享應(yīng)用困難,導(dǎo)致其全壽命周期信息不一致的問題.圍繞高速道岔全生命周期發(fā)展預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)(PHM),采用云計(jì)算、故障診斷、人工智能等技術(shù)手段對(duì)高速道岔長期狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、分析和挖掘,提取高速道岔先驗(yàn)故障特征,掌握高速道岔各項(xiàng)性能指標(biāo)全生命周期過程的演變規(guī)律,探索各結(jié)構(gòu)部件在不同生命階段的真實(shí)耦合模型,實(shí)現(xiàn)道岔各部件全生命周期的安全度量.

(5) 高速道岔安全保障技術(shù)

針對(duì)高速道岔動(dòng)態(tài)性能演變及服役安全基礎(chǔ)問題,研究環(huán)境與動(dòng)荷載耦合作用下工程材料與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能演化規(guī)律,研究高速道岔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)累積變形與軌面幾何形態(tài)的空間映射關(guān)系,揭示高速列車/道岔的動(dòng)態(tài)相互作用演化機(jī)制,提出確保高速道岔性能演變與狀態(tài)控制的準(zhǔn)則與方法.最終為高速道岔的運(yùn)營安全與維護(hù)保障提供理論與數(shù)據(jù)支撐,大力提升高速道岔主動(dòng)安全能力.

(6) 高速道岔養(yǎng)修技術(shù)

為長期保持高速道岔的高技術(shù)性能,應(yīng)結(jié)合高速道岔自身特點(diǎn),研發(fā)道岔專用養(yǎng)修機(jī)具,并積累經(jīng)驗(yàn)探索出一套針對(duì)高速道岔的養(yǎng)修模式,形成高速道岔全生命周期能效保持技術(shù)體系.

6 結(jié)束語

軌道結(jié)構(gòu)是高速列車安全平穩(wěn)運(yùn)行的走行基礎(chǔ),要求具有高平順性與高穩(wěn)定性,而道岔集成了軌道結(jié)構(gòu)的所有薄弱環(huán)節(jié)與技術(shù)特征,涉及鐵道工程、土木工程、機(jī)械工程、電氣工程、控制工程、信息工程、材料、力學(xué)及檢測(cè)等學(xué)科領(lǐng)域,是高速鐵路發(fā)展建設(shè)中的核心技術(shù)之一.高速鐵路道岔系統(tǒng)理論的形成和工程應(yīng)用的成功標(biāo)志著我國高速鐵路軌道行業(yè)整體技術(shù)已達(dá)到了世界先進(jìn)水平.

根據(jù)一帶一路、高鐵走出去、中國制造2025先進(jìn)軌道交通裝備,以及未來軌道交通技術(shù)發(fā)展等國家和行業(yè)戰(zhàn)略需求,高速道岔技術(shù)仍面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步解決設(shè)計(jì)、制造與鋪設(shè)、服役狀態(tài)診控和性能維護(hù)等全壽命周期中的重大基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)問題,深度融合先進(jìn)材料與制造、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算、精密測(cè)控與效能提升、智能與自動(dòng)化等先進(jìn)技術(shù),開展前瞻性、綜合性的基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新,提升我國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)新能力,服務(wù)于軌道交通國家戰(zhàn)略和行業(yè)科技進(jìn)步,為實(shí)現(xiàn)由感知、匯聚、記憶、認(rèn)知、評(píng)估五大平臺(tái)構(gòu)成的智慧化高速鐵路奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

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王平(1969-),教授,博士,博士生導(dǎo)師,1994年起至今任職于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，現(xiàn)任道路與鐵道工程系主任和高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任.研究方向?yàn)楦咚僦剌d軌道結(jié)構(gòu)及軌道動(dòng)力學(xué)、鐵路軌道不平順及動(dòng)力學(xué)、重載鐵路鋼軌波形磨耗、提速改造線路軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、提速線路維護(hù)技術(shù)、跨區(qū)間無縫線路設(shè)計(jì)理論與方法、城市軌道交通減振降噪，以及高速鐵路道岔設(shè)計(jì)理論、方法與評(píng)估技術(shù).承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、“863”計(jì)劃項(xiàng)目、中國鐵路總公司科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目和企業(yè)委托課題50余項(xiàng);獲得省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)以上獎(jiǎng)勵(lì)7項(xiàng),其中主持3項(xiàng);獲國家授權(quán)發(fā)明專利16項(xiàng),出版“十一五、十二五”國家重點(diǎn)圖書4部.國家杰出青年科學(xué)基金獲得者,先后兼任過國務(wù)院高速鐵路安全大檢查專家組副組長、中國高速鐵路道岔國產(chǎn)化研發(fā)理論組組長、科技部“十三五”國家科技計(jì)劃重大專項(xiàng)咨詢專家、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料組評(píng)審組成員、中國國家鐵路局技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)委員、中國鐵道學(xué)會(huì)工程分會(huì)委員.

E-mail: wping@home.swjtu.edu.cn

陳嶸(1981—),副教授,博士,博士生導(dǎo)師, 2009年起至今任職于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,研究方向?yàn)楦咚倥c重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)與軌道動(dòng)力學(xué)、城市軌道交通軌道新結(jié)構(gòu)及減振降噪技術(shù).承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國鐵路總公司科技開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目和企業(yè)委托課題10余項(xiàng);獲得省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)以上獎(jiǎng)勵(lì)7項(xiàng);獲國家授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng),出版學(xué)術(shù)專著1部、譯著1部.2014年入選西南交通大學(xué)高層次師資隊(duì)伍建設(shè)“竢實(shí)之星”培養(yǎng)計(jì)劃.現(xiàn)為國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目評(píng)審專家、《鐵道學(xué)報(bào)》等多個(gè)期刊特邀審稿人、美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì) (ASME)會(huì)員,高速鐵路軌道四川省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)骨干成員.

E-mail: chenrong@home.swjtu.edu.cn

(中文編輯:秦萍玲 英文編輯:蘭俊思)

Theories and Engineering Practices of High-Speed Railway Turnout System: Survey and Review

WANGPing,CHENRong,XUJingmang,MAXiaochuan,WANGJian

(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to promote the development of the high-speed railway turnout industry, the academic research situation, problems, concrete countermeasures and development trend in the field of the international high-speed railway turnout were reviewed systematically, including the components selection and structures design idea, the high-speed train/turnout coupling dynamic analysis, the design method of jointless turnout on different track foundation, the reasonable stiffness and homogenization design, the switching analysis of long moveable rails, the dynamic and static strength analysis of key joint components, the dynamic performance test technology, the turnout plane alignment and structure design in diverging lines, turnout manufacturing and laying, turnout maintenance and management, etc. However, in order to adapt to the development of the future rail transit technology, the high-speed railway turnout industry is still facing severe technical challenges. For example, the next generation of the high-speed railway turnout has problems such as the adaptability in the complex environment, the whole life cycle of design, the wheel/rail matching and the optimization of the train-turnout dynamic performance, the R&D and application of new materials and structures, the real-time acquisition and assessment of turnout condition parameters, the health management and fault prediction, the maintenance of capacity and effectiveness. In order to solve these problems, some cutting-edge technologies in advanced materials and manufacturing, intelligent and automation, big data and cloud computing, precision measurement and control, efficiency improvement, etc., need to be deeply integrated into the high-speed turnout system to enhance the original innovation ability of China in this field. Through the current situation and problem analysis, this review is expected to provide new perspectives and basic data for the academic research and technological innovation of the railway engineering disciplines.

high-speed railway turnout; design theory; plane alignment; structural components; manufacturing and laying; maintenance and management

2015-11-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51425804,51378439); 高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(U1334203,U1234201)

王平,陳嶸,徐井芒,等. 高速鐵路道岔系統(tǒng)理論與工程實(shí)踐研究綜述[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,51(2): 357-372.

0258-2724(2016)02-0357-16

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.015

U213.6

A