趙晨

鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司，北京 102202

普通單開道岔主線為直線方向，側(cè)線由主線向左側(cè)或右側(cè)岔出，而單式同側(cè)道岔的主線向同側(cè)分為兩條支路，轍叉理論中心偏于主線軌線的延長線之外。由于其自身結(jié)構(gòu)特點，單式同側(cè)道岔在加工工藝上需考慮其曲線線形對工藝路線、銑削加工方法及工裝刀具的影響，且較普通單開道岔更難鋪設(shè)，在轉(zhuǎn)轍器及轍叉部分更容易形成較大的結(jié)構(gòu)不平順。

為了克服這些問題，我國以大量普通道岔的設(shè)計和鋪設(shè)經(jīng)驗為基礎(chǔ)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，力求在曲線路段上鋪設(shè)符合運營條件的道岔。在曲線路段上鋪設(shè)道岔有三種方法。

方法一：將曲線路段的一部分取直，然后在直線路段上鋪設(shè)普通道岔。這種方法只需要改動線路平面，而無需改動道岔平面。

方法二：利用現(xiàn)有的單開道岔轉(zhuǎn)轍器和轍叉鋪設(shè)曲線路段的道岔。這種方法線路平面及道岔平面都需要改動。

方法三：鋪設(shè)曲線轉(zhuǎn)轍器和曲線轍叉組成的曲線道岔，只需要設(shè)計曲線道岔的主線半徑，使之與線路曲線半徑一致，就可以將道岔鋪設(shè)在線路上的任何位置，不需要改動線路平面［1］。

國家鐵道試驗中心大環(huán)線和小環(huán)線均為曲線，并需要在指定位置過渡，因此需采用方法三的方式設(shè)計并鋪設(shè)曲線道岔。本文根據(jù)該線路實際情況，為滿足不需人為挪軌即可同時運行的需求，同時滿足其曲線半徑和運營速度要求，對15 號單式同側(cè)道岔進行設(shè)計。

1 運營條件與技術(shù)條件

1.1 線路運營條件

國家鐵道試驗中心既有線路大環(huán)線的曲線半徑為1 432.39 m，允許速度為160 km/h；小環(huán)線曲線半徑為600 m，允許速度為80 km/h。正線采用60 kg/m 鋼軌，軌距為1 435 mm 標(biāo)準(zhǔn)軌距，因此道岔基本軌、導(dǎo)軌也使用60 kg/m鋼軌。

道岔的軌下基礎(chǔ)采用混凝土岔枕和有砟道床，要求行駛列車軸重不大于25 t。

1.2 軌底坡及其過渡

為了改善輪軌接觸關(guān)系，世界上的高速鐵路大多采用1∶40 和1∶20 兩種軌底坡，我國高速鐵路區(qū)間線路均使用1965 年修正的1∶40 軌底坡。為了滿足車輛橫向平穩(wěn)性、舒適性等指標(biāo)，減小車輪磨耗，道岔基本軌、導(dǎo)軌須要與區(qū)間線路保持一致，設(shè)置1∶40 的軌底坡［2-3］。

翼軌采用60TY1 鋼軌，前端對翼軌軌頭進行機加工并扭轉(zhuǎn)1∶40 的角度，以保證與標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m 導(dǎo)軌連接。尖軌、心軌選用具有1∶40 軌頂坡的60AT2 鋼軌，鋼軌跟端經(jīng)過熱鍛壓后按1∶40 的角度扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)角度允許偏差為±（1∶320）。

1.3 扣件系統(tǒng)

道岔采用雙層彈性分開式Ⅱ型彈條扣件系統(tǒng)，單個彈條扣壓力為10～ 11 kN。鋼軌軌下及轍叉下設(shè)置5 mm 厚橡膠墊板（特殊位置除外），配M24 螺栓、平墊圈、蓋形螺母與鐵墊板連接。

鐵墊板與岔枕間設(shè)20 mm 厚橡膠墊板，用螺栓連接。岔枕內(nèi)預(yù)埋套管，鐵墊板與岔枕螺栓間設(shè)有蓋板、復(fù)合定位套及緩沖調(diào)距塊。更換不同號數(shù)軌距塊和不同號數(shù)緩沖調(diào)距塊兩種方式都可以調(diào)整軌距［4］，既可單獨調(diào)距，也可聯(lián)合調(diào)整。對于空間狹小部位，采用剛性扣板扣壓鋼軌。

2 道岔平面線形方案設(shè)計

2.1 平面形式對側(cè)向通過速度的影響

列車以一定的速度運行時，在道岔側(cè)線上產(chǎn)生的橫向力的影響用三個安全參數(shù)來表示，分別為動能損失ω、未被平衡的離心力加速度α、未被平衡的離心力加速度增量ψ。其危害主要表現(xiàn)在兩方面：不利于列車運行的穩(wěn)定性，降低旅客舒適度和行車安全性；不利于道岔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加速道岔零部件磨損。因此，在確定道岔側(cè)向平面時，須使各項參數(shù)不超過規(guī)定的限值，以將其危害控制在一定程度［5-6］。

設(shè)計15號單式同側(cè)道岔時，在小環(huán)線曲線半徑確定的前提下，根據(jù)通過速度可得出容許沖擊角數(shù)值。在合理的沖擊角范圍內(nèi)，最終選取合適的基本軌端頭位置和基本軌前端長q，以增加尖軌尖端的厚度。根據(jù)設(shè)計所得的沖擊角對道岔安全參數(shù)進行核定，計算結(jié)果見表1。其中過岔速度80 km/h。

表1 小環(huán)線曲線道岔安全參數(shù)核定

2.2 轉(zhuǎn)轍器平面形式

2.2.1 尖軌長度

曲線尖軌前部按半切線型設(shè)計。尖軌尖端至其后一根岔枕的距離為120 mm，考慮到尖軌伸縮和安裝輥輪滑床板的需要，尖軌長度以最小輪緣槽65 mm 控制，不考慮尖軌跟端結(jié)構(gòu)的限制。同時，為減小尖軌牽引點后的不足位移，尖軌長度應(yīng)盡量縮短。最終計算確定道岔尖軌長度為17 823 mm。

2.2.2 基本軌前端長

從機車內(nèi)接條件、岔枕布置、養(yǎng)護維修等方面綜合考慮，基本軌前端長取1 955 mm。

2.3 轍叉平面形式

選用雙曲線型轍叉，采用單肢彈性可彎心軌結(jié)構(gòu)。

轍叉咽喉選擇在轉(zhuǎn)轍機動程容許范圍內(nèi)，不宜過寬，以免不必要地增加轍叉長度，咽喉開口值應(yīng)取盡可能小的數(shù)值，有助于減小轍叉部分的扳動力?？紤]心軌斷面寬20 mm 處為開始承受車輪荷載的部位，在該斷面下應(yīng)布置岔枕，以加強軌下基礎(chǔ)。結(jié)合經(jīng)驗綜合考慮，此道岔的理論咽喉開口值取119 mm。

為防止心軌爬行后尖端伸出咽喉之外，應(yīng)將實際尖端設(shè)在其斷面寬5～ 10 mm處，或與咽喉的距離滿足心軌伸縮需求并留有余量。

彈性可彎中心的位置主要與心軌的轉(zhuǎn)換力和道岔的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，應(yīng)盡量縮短可動部分的長度，以減少心軌后端的不足位移。由于60AT2 鋼軌的橫向剛度較小，同等條件下心軌可動部分的長度可以比60AT1鋼軌短，即心軌的彈性可彎中心位置可以前移。

2.4 岔枕

全部岔枕采用垂直于大環(huán)線曲線外股工作邊的方式布置，岔枕間距按此鋼軌工作邊計算。這種方式布置的岔枕排列規(guī)則，間距容易控制，易于保持道岔的幾何形位；與垂直于轍叉角平分線的布置方式和扇形布置方式相比，更便于現(xiàn)場鋪設(shè)與養(yǎng)護，并能簡化設(shè)計計算。

經(jīng)過設(shè)計計算，岔枕均超出大環(huán)線曲線外股工作邊582.5 m（牽引點兩側(cè)岔枕除外）。牽引點處的岔枕間距需參考電務(wù)設(shè)備的布置，在牽引點中心處岔枕間距加大至650 mm，兩側(cè)岔枕間距減小至575 mm（可動心軌轍叉牽引點兩側(cè)除外）。其他岔枕間距均設(shè)定為600 mm。

2.5 轉(zhuǎn)換設(shè)備

轉(zhuǎn)換設(shè)備采用多機多點牽引方式和分動鉤型外鎖閉裝置改變道岔開向。轉(zhuǎn)轍機為ZYJ7，各牽引點的理論轉(zhuǎn)換力均小于4 kN。

轉(zhuǎn)轍器部分設(shè)置三個牽引點，各牽引點之間的距離為4 200 mm，第三牽引點距尖軌固定端6 865 mm，如圖1（a）所示。第一、第二、第三牽引點設(shè)計動程分別為160、116、72 mm。轍叉部分設(shè)置兩個牽引點，兩牽引點之間的距離為3 561 mm，第二牽引點距心軌固定端3 546 mm，如圖1（b）所示。第一、第二牽引點設(shè)計動程分別為114、57 mm。

圖1 牽引點布置示意

綜上，設(shè)計道岔線形及主要平面尺寸見圖2。

圖2 道岔線形及主要平面尺寸（單位：mm）

3 轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 延長尖軌使用壽命的措施

當(dāng)列車通過曲線路段時，由于輪緣以一定的沖擊角貼靠鋼軌側(cè)面，輪緣與鋼軌側(cè)面滑動摩擦，引起鋼軌側(cè)磨。為了減少尖軌磨損，同時保證尖軌和基本軌密貼，尖軌尖端采用藏尖式設(shè)計，深度為3 mm。藏尖補充刨切長度為200 mm。

由于小環(huán)線比大環(huán)線運量小很多，為了延長大環(huán)線尖軌的使用壽命，在原有藏尖式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采取措施增加尖軌厚度。具體方法（圖3）為：刨切小環(huán)線基本軌，并新增軌距線外側(cè)β角，使尖軌尖端角變?yōu)棣?β，在很短的距離內(nèi)使大環(huán)線尖軌軌頭厚度迅速增加。小環(huán)線用基本軌工作邊刨切總量為5 mm，大環(huán)線用尖軌最大加厚5 mm。根據(jù)《道岔設(shè)計手冊》［1］算得容許沖擊角為0°17'19″，小環(huán)線基本軌厚5 mm 位置沖擊角為0°13'16″，能夠滿足不大于容許沖擊角的設(shè)計要求。

圖3 延長尖軌使用壽命的措施（單位：mm）

該方法簡單易行，在不影響列車平穩(wěn)性的前提下增加了尖軌尖端角，提高了尖軌尖端的剛度。該方法已在國內(nèi)重載道岔中得到應(yīng)用，結(jié)果表明能夠有效提高尖軌使用壽命［7］。

3.2 尖軌防跳措施

對于基本軌與尖軌貼合狀態(tài)，在尖軌軌頭切削斷面以前采用基本軌軌頭下顎配合防跳，切削斷面以后采用防跳頂鐵防跳。對于基本軌與尖軌非貼合狀態(tài)，設(shè)置適合于輥輪抬高的防跳限位裝置，見圖4。

圖4 非貼合狀態(tài)的防跳限位裝置

3.3 尖軌跟部傳力結(jié)構(gòu)

尖軌跟部為彈性可彎式結(jié)構(gòu)。跟端傳力結(jié)構(gòu)采用國內(nèi)常用的限位器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是尖軌跟端縱向位移不超過10 mm 時，限位器子母塊不接觸。該結(jié)構(gòu)可防止特殊情況下尖軌的非正常爬行以及尖軌跟端產(chǎn)生溫度力作用下的軌向不良，避免了采用間隔鐵結(jié)構(gòu)帶來的尖軌跟端軌道垂向、橫向剛度突變及由此造成的軌頭壓潰和異常磨耗。

3.4 滑床板

滑床板有普通滑床板及輥輪滑床板兩種，均采用了有效工藝措施實現(xiàn)減摩、防腐的功能?；舶宸秶拒墐?nèi)側(cè)采用彈性夾扣壓，且彈性夾扣壓力不小于11 kN，其優(yōu)點是扣壓力大，安裝和拆卸均較為方便。拆裝彈性夾時需用配備的彈性夾安裝工具。

4 可動心軌轍叉及護軌結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，我國固定轍叉道岔的直向最高運行速度為160 km/h［8］。固定轍叉中存在有害空間，不能滿足高速列車通過時的安全性與平穩(wěn)性要求。與固定轍叉相比，可動心軌轍叉翼軌固定，心軌可動。雖然心軌轉(zhuǎn)換會增加道岔設(shè)計的長度，但可動心軌結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，世界各國的高速鐵路道岔均采用此種形式。

4.1 心軌結(jié)構(gòu)

長短心軌為60AT2 鋼軌拼裝式結(jié)構(gòu)。長心軌位于大環(huán)線，跟部為彈性可彎結(jié)構(gòu)；短心軌位于小環(huán)線，跟部為斜接頭結(jié)構(gòu)，與叉跟尖軌貼合并保持斜接頭的滑動性能，減小心軌轉(zhuǎn)換力。

長心軌軌頭在短心軌尖端至短心軌整軌頭斷面處刨切長度為71.3 mm，短心軌為藏尖式結(jié)構(gòu)，長短心軌之間利用間隔鐵、頂鐵保持支距。

為防止心軌的跳動，在翼軌上設(shè)置防跳頂鐵、防跳卡鐵以及防跳間隔鐵。

4.2 翼軌結(jié)構(gòu)

翼軌所用的60TY1 鋼軌是一種專門用于可動心軌轍叉的翼軌型材，與模鍛特種斷面翼軌或普通鋼軌切底式翼軌相比，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。主要優(yōu)勢為：①截面抗彎剛度大幅提高；②軌頭工作邊一側(cè)腰部空間進一步增大，為電務(wù)鎖鉤的設(shè)計和安裝創(chuàng)造了有利條件；③翼軌無再次熱成型加工，材質(zhì)不受影響，軌面平順性好。

翼軌跟端結(jié)構(gòu)如圖5所示。翼軌跟端采用間隔鐵與心軌或叉跟尖軌連接為一整體，便于溫度力的傳遞。長心軌或叉跟尖軌受到的溫度力通過跟端間隔鐵傳至翼軌，使心軌的伸縮和受溫度力后的方向扭轉(zhuǎn)得到有效控制。

圖5 翼軌跟端結(jié)構(gòu)

4.3 護軌及護軌墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計

車輛側(cè)向通過曲線可動心軌轍叉時，受離心加速度影響，輪對有貼靠轍叉一側(cè)運行的趨勢。為防止輪對磨耗心軌側(cè)面，造成心軌出現(xiàn)肥邊、剝離掉塊等傷損，側(cè)向設(shè)置了護軌，約束輪對橫向位移，延長心軌的使用壽命。

可動心軌轍叉在小環(huán)線內(nèi)側(cè)設(shè)護軌，以防止車輪對心軌的側(cè)磨。護軌為分開式，采用33 kg/m 鋼軌制造。護軌緩沖段沖擊角為0°21'33″，根據(jù)《道岔設(shè)計手冊》［1］算得容許沖擊角為0°34'38″。沖擊角滿足不大于容許沖擊角的設(shè)計要求。護軌頂面高出基本軌頂面12 mm，通過5.6級M24的螺栓聯(lián)結(jié)于護軌墊板。

護軌設(shè)計采用平直段輪緣槽寬42 mm，緩沖段輪緣槽寬65 mm，開口段輪緣槽寬80 mm。

護軌墊板采用焊接式結(jié)構(gòu)，用彈性夾扣壓護軌基本軌內(nèi)側(cè)以及加長型軌撐結(jié)構(gòu)。加長型軌撐結(jié)構(gòu)能更有效地抵抗橫向力，優(yōu)化受力狀態(tài)。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的60 kg/m 鋼軌15號單式同側(cè)道岔填補了國內(nèi)的技術(shù)空白。結(jié)合線路運營情況通過采用刨切基本軌加厚尖軌的技術(shù)，延長了主要運行線路部件的使用壽命，較少了養(yǎng)護維修工作量，徹底解決了原有的采用人工挪軌更換線路所帶來的耗時、耗力、耗人的問題。

該單式同側(cè)道岔設(shè)計要點包括：道岔尖軌長度取17 823 mm，基本軌前端距尖軌尖端距離取1 955 mm；選用雙曲線型轍叉，采用單肢彈性可彎心軌結(jié)構(gòu)；全部岔枕采用垂直于大環(huán)線曲線外股工作邊的方式布置。轉(zhuǎn)換設(shè)備采用多機多點牽引方式和分動鉤型外鎖閉裝置，轉(zhuǎn)轍器部分設(shè)置三個牽引點，轍叉部分設(shè)置兩個牽引點。重點進行了尖軌結(jié)構(gòu)和可動心軌轍叉結(jié)構(gòu)設(shè)計，尖軌尖端采用藏尖式設(shè)計，刨切小環(huán)線基本軌，增加尖軌尖端厚度。轉(zhuǎn)轍器部分設(shè)計了尖軌防跳措施。翼軌跟端采用間隔鐵與長心軌或叉跟尖軌連接為一整體。

該單式同側(cè)道岔經(jīng)廠內(nèi)試制試鋪，結(jié)果表明設(shè)計合理，各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求。鋪設(shè)于國家鐵道試驗中心東郊試驗線路后使用狀況良好，驗證了單式同側(cè)可動心軌轍叉設(shè)計、制造及鋪設(shè)的可行性，為同類型道岔設(shè)計提供了參考和依據(jù)。