（道路与铁道工程专业论文）高速道岔尖轨矫直理论及应用研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 高的平顺性是提高列车过岔速度、提高旅客乘坐舒适性及保障列车运行安 全的基础，因此高速道岔对制造精度要求非常高。尖轨矫直是高速道岔生产的 关键工艺环节之一，尖轨矫后线形对道岔的平顺性等制造精度影响较大，轨底 残余应力影响尖轨的使用寿命。当前尖轨矫直仍停留在凭操作者经验进行粗放 生产的水平，需多次反复才能矫直合格，返工率高，产品报废也时有发生，劳 动强度大，效率低，而且达到高精度要求比较困难，影响高速道岔生产进度， 增加产品成本。本文针对高速道岔尖轨的矫直特点，基于弹塑性理论，通过理 论分析、有限元数值计算，对高速道岔尖轨矫直理论及相关关键技术进行研究， 论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 尖轨矫直理论研究 在分析压力矫直基础理论基础上，通过采用弹塑性理论，建立具有复杂断 面特性的高速道岔尖轨矫直力学分析模型，对尖轨矫直的弹塑性区域分布、矫 直应力、残余应力、尖轨矫直挠度及残余几何形态进行分析讨论，研究尖轨矫 直机理，建立相应的计算公式。采用数值计算方法，通过编程求解尖轨不规则 形状截面弹塑性区域分布方程、应力方程及挠度方程。 ( 2 ) 尖轨矫直有限元分析研究 针对复杂结构构件，无法用解析法求解矫直参数的工程难题，采用弹塑性 有限元法，建立尖轨矫直三维实体模型，对尖轨竖向矫直、横向矫直及曲线尖 轨顶弯进行有限元分析计算，详细分析尖轨竖向矫直、横向矫直及曲线尖轨顶 弯的线形变化、矫直应力和残余应力分布规律。结果表明，竖向矫直与横向矫 直的线形变化、矫直应力和残余应力分布规律不同，横向矫直与项弯的线形变 化、矫直应力和残余应力分布规律比较相似。 为验证本文采用的弹塑性有限元法及计算模型的正确性，进行尖轨矫直试 验。结果表明，有限元计算结果与实验结果相差较小，本文采用的弹塑性有限 元法及计算模型可用于尖轨矫直分析。 ( 3 ) 尖轨矫直关键参数研究 加载支距和压弯量是尖轨矫直的两个关键矫直参数。分析不同加载支距及 压弯量条件下尖轨的残余变形、矫直应力、残余应力和矫直力的变化规律。结 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 果表明，残余变形、矫直应力、残余应力和矫直力随加载支距的增大而减小， 随压弯量的增大而增大。 ( 4 ) 初始变形及矫直部位对尖轨矫直的影响研究 分析尖轨在不同初始变形条件下矫后残余线形、矫直应力和残余应力。结 果表明，不同初始变形尖轨在相同矫直参数条件下残余挠度、矫直应力及残余 应力相差不大。尖轨不同弯曲方向矫后残余应力及线形变化不同。 分析尖轨不同部位矫后残余线形、矫直应力和残余应力。结果表明，尖轨 切削部位被削弱，抗弯模量变小，相同的压弯量所需矫直力减小，残余曲率、 矫直应力及残余应力减小。 ( 5 ) 尖轨矫直工艺及矫直质量评价方法 总结分析尖轨支点、压点组合的确定方法及原则。采用有限元方法，编 程计算尖轨矫直及尖轨顶弯的压弯量。结果表明，给定尖轨初始曲率半径条 件下，加载支距越大，所需压弯量也越大；相同加载支距下，初始曲率半径 越大，所需压弯量越小。尖轨初始曲率半径越小，矫直后轨底残余拉应力越 大；曲线尖轨顶弯时加载支距越大，所需压弯量也越大，但轨底最大残余拉 应力相差不大。 建立尖轨矫直质量评价方法，结合生产实际及高速道岔的技术要求，分 析讨论尖轨矫直质量检测内容及检测方法，为高速道岔矫直质量评价提供指 导。 关键词：高速铁路；道岔；尖轨；矫直；残余应力；有限单元法 西南交通大学博士研究生学位论文 第1ii 页 a b s tra c t h i g hs m o o t h n e s si st h eb a s i co fi n c r e a s i n gt r a i n ss p e e dw h e np a s s i n g t h r o u g ht u r n o u t ，o fi m p r o v i n gt h ep a s s e n g e r s c o m f o r ta n do fe n s u r i n g t h et r a i n ss a f e t y s ot h em a n u f a c t u r i n ga c c u r a c yo fh i g hs p e e dt u r n o u t s i sv e r yh i g h l yr e q u i r e d s t r a i g h t e n i n gs w i t c hr a i l i so n eo fk e y t e c h n o l o g ys t e p si nm a n u f a c t u r i n go fh i g hs p e e dt u r n o u t s t h es h a p eo f s t r a i g h t e n e ds w i t c hr a i lh a sag r e a ti n f l u e n c e o na c c u r a c yi n c l u d i n g t u r n o u t ss m o o t h n e s se t c ，a n dt h er e s i d u a ls t r e s sh a si n f l u e n c eo n s e r v i c e1i f eo ft u r n o u t s a tp r e s e n ts t r a i g h t e n i n go fs w i t c hr a i1r e m a i n s a tl o w e rl e v e l ，w h i c hm a i n l yd e p e n d so nw o r k e r s e x p e r i e n c e s t og e t q u a l i f i e ds w i t c hr a i l ，t h es w i t c hr a i ln e e dt ob es t r a i g h t e n e dm a n yt i m e s t h ef a i l e dp r o d u c t sd o n tm e e tt h er e q u i r e m e n to fc o r r e c t i o n ，o f t e n o c c u ri nt h ew o r k s h o p t h ew o r k i n ge f f i c i e n c yi sl o w ，a n dw o r k i n gi n t e n s i t yi sg r e a t t h e s eh a v ei n f l u e n c e so nm a n u f a c t u r i n gp r o g r e s s ，a n dw i l l i n c r e a s et h em a n u f a c t u r i n gc o s t s a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fs t r a i g h t e n i n gs w i t c hr a i l s ，b a s eo n e l a s t i c p l a s t i ct h e o r y ，t h et h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g yi ns t r a i g h t e n i n g s w i t c hr a i lo fh i g hs p e e dt u r n o u t sa r es t u d i e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n df e m t h er e s e a r c hw o r ki sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n ga r e a s ： ( 1 ) s t u d yo nt h e o r yo fs t r a ig h t e nin gs wit c hr ai i b a s eo nt h eb a s i ct h e o r yo fp r e s ss t r a i g h t e n i n g ，t h ef o r c ea n a l y s i s m o d e lo fs t r a i g h t e n i n gs w i t c hr a i lw i t hc o m p l e xs e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i se s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h er e g i o n a l d i s t r i b u t i o no fe l a s t i c i t y p l a s t i c i t y ，s t r a i g h t e n i n gs t r e s s ，r e s i d u a ls t r e s s ，s t r a i g h t e n i n gd e f l e c t i o na n dr e s i d u a lg e o m e t r i cs h a p eb yu s i n ge l a s t i c p l a s t i ct h e o r y m e c h a n i s mo fs t r a i g h t e n i n gs w i t c hr a i li ss t u d i e d ， a n dc o r r e s p o n d i n g c a l c u l a t i n gf o r m u l a ea r eb u i l t t h er e g i o n a ld i s t r i b u t i o no fe l a s t i c i t y p l a s t i c i t ye q u a t i o n ，s t r e s se q u a t i o na n dd e f l e c t i o ne q u a t i o na r es o l v e d b yn u m e r i c a lm e t h o d 第lv 页西南交通大学博士研究生学位论文 ( 2 ) s if i l mia tio no fs t r aig h t e nin gs wit c hr a ib yf e m b e c a u s ec a l c u l a t i n gt h ep a r a m e t e r so fs t r a i g h t e n i n gc o m p l e xs e c t i o n c o m p o n e n t sisi m p o s s i b l e ，t h ev e r t i c a ls t r a i g h t e n i n g ，l a t e r a ls t r a i g h t e n i n g a n db e n d i n ga r es i m u l a t e db ye l a s t i c p l a s t i cf e mw i t ht h r e e d i m e n s i o n a ls o l i df i n i t ee l e m e n t t h eg e o m e t r i cs h a p ec h a n g e ，s t r a i g h t e n i n gs t r e s sa n dr e s i d u a ls t r e s sa r es i m u l a t e d i nd e t a i l t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eg e o m e t r i cs h a p ec h a n g e ，t h ed i s t r i b u t i o no fs t r a i g h t e n i n g s t r e s sa n dr e s i d u a ls t r e s sa r ed i f f e r e n tb e t w e e nv e r t i c a ls t r a i g h t e n i n g a n dl a t e r a ls t r a i g h t e n i n g t h eg e o m e t r i cs h a p ec h a n g e ，t h ed i s t r i b u t i o n o fs t r a i g h t e n i n gs t r e s sa n dr e s i d u a ls t r e s sa r es i m il a rb e t w e e nl a t e r a l s t r a i g h t e n i n ga n db e n d i n g s ot h ed e f o r m a t i o np r o c e s s e so f v e r t i c a l s t r a i g h t e n i n g ，l a t e r a ls t r a i g h t e n i n ga n db e n d i n ga r ed i f f e r e n t e x p e r i m e n t so ns t r a i g h t e n i n gs w i t c hr a i l sa r ec a r r i e do u tt ov e r i f y t h ee l a s t i c p l a s t i cf b ta n dt h ec a l c u l a t em o d e l t h er e s u t ss h o wt h a t t h ed i s c r e p a n c yb e t w e e nf e mr e s u l t sa n de x p e r i m e n tr e s u l t si ss m a l l t h e f e ma n dt h ec a l c u l a t em o d e lc a nb eu s e dt os i m u l a t es t r a i g h t e n i n gs w it c h r a i l ( 3 ) s t u d yo rk e yp r o c e s sp a r a m e t e r so fs l r a ig h t e nin gs wit c h r a i l o a d i n gd is t a n c ea n dp r e s s e db e n d i n ga m o u n ta r et h et w ok e yp r o c e s s p a r a m e t e r so fs t r a i g h t e n i n g t h ec h a n g el a w so fr e s i d u a lg e o m e t r i cs h a p e ， s t r a i g h t e n i n gs t r e s s ，r e s i d u a ls t r e s sa n ds t r a i g h t e n i n gf o r c ea r ea n a l y z e dw i t hd i f f e r e n tl o a d i n g d i s t a n c ea n dp r e s s e db e n d i n ga m o u n t t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h er e s i d u a lg e o m e t r i cs h a p e ，s t r a i g h t e n i n gs t r e s s ， r e s i d u a ls t r e s sa n ds t r a i g h t e n i n gf o r c ed e c r e a s ew i t hl o a d i n gd i s t a n c e i n c r e a s i n g ，a n di n c r e a s ew i t hp r e s s e db e n d i n ga m o u n ti n c r e a s i n g ( 4 ) s t u d y o ne f f e c to ft h e initiald e f o r m a tio na n d s t r aig h t e nin gp a r tins t r aig h t e n in gs w it c hr ai l t h er e s i d u a lg e o m e t r i cs h a p e ，s t r a i g h t e n i n gs t r e s sa n dr e s i d u a l s t r e s sa r ea n a l y z e di nd i f f e r e n ti n i t i a ld e f o r m a t i o n s w i t c hr a i l s s t r a i g h t e n i n g t h er e s u l t s s h o w t h a tu n d e rt h es a m ep a r a m e t e r so f s t r a i g h t e n i n g ，t h er e s i d u a ld e f l e c t i o n ，t h es t r a i g h t e n i n g s t r e s sa n d r e s i d u a ls t r e s sd i f f e rl i t t l e t h er e s i d u a ls t r e s sa n ds h a p ec h a n g ei n 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 d i f f e r e n tb e n d i n go r i e n t a t i o n sa r ed i f f e r e n t t h er e s i d u a lg e o m e t r i cs h a p e ，s t r a i g h t e n i n gs t r e s sa n dr e s i d u a l s t r e s sa r ea n a l y z e di nd i f f e r e n tp a r to fs w i t c hr a i l ss t r a i g h t e n i n g b e c a u s et h eb e n d i n gm o d u l u si ss m a l la tc u tp a r to fs w i t c hr a i l ，t h e s t r a i g h t e n i n gf o r c e ， r e s i d u a lc u r v a t u r e ， s t r a i g h t e n i n g s t r e s sa n d r e s i d u a ls t r e s sa r es m a ll e r ( 5 ) s t u d yo nt e c h n o lo g yo fs t r aig h t e nin gs w it c hr aila n d s t r alg h t e nin gq u al it ye v aiu a tio n t h ed e t e r m i n a t i o nw a ya n dp r i n c i p l eo ff u l c r u ma n dl o a da c t i o np o i n t w e r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d t h ep r e s s e db e n d i n ga m o u n ti ns t r a i g h t e n i n g a n db e n d i n gb yf e mi sc a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eg r e a t e r l o a d i n gd i s t a n c e ，t h eg r e a t e rp r e s s e db e n d i n ga m o u n ta tt h es a m eo r i g i n a l b e n d i n gr a d i u s t h eg r e a t e ro r i g i n a lb e n d i n gr a d i u s ，t h es m a ll e rp r e s s e d b e n d i n ga m o u n ta tt h es a m el o a d i n gd i s t a n c e t h eg r e a t e rr e s i d u a ls t r e s s ， t h eg r e a t e ro r i g i n a lb e n d i n gr a d i u s t h eg r e a t e rl o a d i n gd i s t a n c e ，t h e g r e a t e rp r e s s e db e n d i n ga m o u n ti nb e n d i n g c u r v es w i t c hr a i l ，b u tt h e r e s i d u a ls t r e s so fb o t t o md i f f e rl i t t l e t h ee v a l u a t i o nw a yo fs t r a i g h t e n i n gs w i t c hr a i li sb u i i t a c c o r d i n g t op r o d u c t i o np r a c t i c ea n dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fh i g hs p e e dt u r n o u t s ， t h ei n s p e c t i n gc o n t e n to fs t r a i g h t e n i n gs w i t c h r a i li sa n a l y z e da n d d i s c u s s e d t h ew a yo fi n s p e c t i n gv a r i o u si n s p e c t i n gc o n t e n ti ss t u d i e d t h er e s u l t sc a ng i v er e f e r e n c ef o re v a l u a t i n gt h eq u a l i t yo fs t r a i g h t e n i n gs w i t c hr a ilo fh i g hs p e e dt u r n o u t s k e yw o r d s ：h i g hs p e e dr a i l w a y ：t u r n o u t ： s w i t c hr a i l ；s t r a i g h t e n i n g ： r e s i d u a ls t r e s s ：f e m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论一虢闰良指剥嗽：毒、乃 日期：曲加彦，卯日期：力印酬j z 矽 西南交通大学四南父逋大字 学位论文创新性j 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 建立了高速道岔尖轨压力矫直分析理论。采用弹塑性理论，建立具有 复杂形状截面特性的高速道岔尖轨压力矫直力学分析模型，推导出尖轨矫直 的弹塑性区域分布公式，并给出尖轨纵向弹塑性区域分界坐标及截面弹塑性 区域分布的求解方法。建立尖轨矫直的应力、挠度及矫直力的解析关系，并采 用数值方法对其隐式方程进行求解，得到尖轨矫直截面应力分布及挠度曲线( 详 见第2 章) 。 2 提出了一种新的高速道岔尖轨矫直过程分析方法。基于弹塑性理论， 运用有限单元法，建立尖轨矫直三维实体有限单元模型，采用分步计算法详 细分析了尖轨矫直过程中的线形变化、应力及矫直力。理论值与实验值吻合 良好，分析方法及计算模型正确( 详见第3 章) 。 3 系统研究了矫直参数及初始变形、矫直部位对尖轨矫直的影响特点。 分析尖轨矫直线形变化、应力及矫直力与加载支距、加载量的关系，尖轨初 始变形、矫直部位对矫直影响的规律，所得结论为确定尖轨矫直工艺提供理 论依据( 详见第4 章、第5 章) 。 4 系统研究了尖轨矫直后残余应力分布规律。分析了尖轨不同矫直参 数、初始变形及矫直部位矫直后残余应力分布规律，研究结果为确定减小尖 轨矫直后残余应力及改善残余应力分布等尖轨矫直工艺提供理论指导( 详见 第3 - 5 章) 。 5 建立与完善了尖轨矫直工艺设计及质量评价方法。总结分析尖轨支 点、压点组合的确定方法及原则，提出采用有限单元法确定尖轨矫直压弯量 方法及一套完整的尖轨矫直质量检测方法，研究成果可指导高速道岔制造( 详 见第6 章) 。 学位论文作者签名：i 司 e l 期：扣3 年i 月咖日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 世纪7 0 年代以来，全球范围内出现了石油能源危机、公路堵塞、交 通事故频繁、环境污染日益严重等情况，人们呼唤高速、安全、准时、舒适、 运量大、污染小、能源省、占地少的公共交通运输方式的出现，高速铁路为 此赢得了良好的发展契机n 一3 。世界上第一条高速铁路( 日本东海道新干线) 自1 9 6 4 年1 0 月以来的成功运营，向世人展示了高速铁路的发展前景。此后， 德国、法国、意大利等国纷纷大力发展高速铁路，应用现代高新技术建设高 速铁路已成为2 1 世纪铁路发展的大趋势。据不完全统计，截至2 0 0 2 年底全 世界运营中的2 0 0 k m h 以上的新建高速铁路里程约5 8 0 0 k m ，速度达到2 0 0 k m h 的既有线约2 0 0 0 k m ，全世界正在新建或改建的高速铁路约6 0 0 0 k m 。高速铁路 已进入一个快速发展的时期口，。 2 0 0 4 年2 月国务院审议了我国中长期铁路网规划，并提出了“扩大 规模，完善结构，提高质量，快速扩充能力，迅速提高装备技术水平 的发 展目标。到2 0 1 0 年，全国铁路营业里程将达到8 5 万公里以上，客运专线、 高速铁路达到4 0 0 0 公里；到2 0 2 0 年，全国将建成“四纵四横”快速客运通 道和三个区域城际快速客运系统，营业里程将达到1 0 万公里以上，客运专线、 高速铁路达到1 0 0 0 0 公里，主要技术装备达到或接近国际先进技术水平h 1 。 制造业是一个国家的支柱产业，制造技术是各种高科技赖以产生和发展 的技术支撑拍1 。在不同的历史时期有不同的发展重点，但需要制造技术的支 持是永恒的。世界各主要发达国家都非常重视制造业的发展哺3 ，可以说，没 有强大的制造业，一个国家无法实现经济决速、健康、稳定的发展，信息化、 现代化将失去坚实基础 8 ，。 我国道岔制造技术长期处于较低水平，一方面是因为缺乏先进的加工设 备，另一方面则是缺乏先进的制造技术。高速铁路的快速发展要求线路装备 随之发展，对高速道岔提出了非常严格的要求，先进的制造技术是高速道岔 研制和生产的支柱技术。国外高速道岔生产商把先进的制造技术往往视为核 心机密，对外秘而不宣，因此迫切需要我们自己对高速道岔先进制造技术进 行研究，以指导我国高速道岔的研制与生产。 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 2 高速道岔发展、结构特点及研究概况 1 2 1 高速道岔发展概况及结构特点 ( 1 ) 国内情况吨 我国铁路道岔工业的发展经历了近半个世纪的历程，从无到有、从小到 大，道岔品种从“轻、小、老、杂”发展到具有一定规模和水平。从年代上， 我国铁路道岔的发展大致经历了3 个阶段：普通道岔阶段，上世纪5 0 年代一9 0 年代初。这一阶段的年代跨度较大，技术发展大都属于基础性方面，它奠定 了我国道岔产业发展的技术基础。但由于受道岔基础理论研究薄弱及设计方 法落后的制约，在这个阶段内，道岔直向容许通过速度未能突破1 2 0 k m h ， 道岔主要部件的使用寿命也偏低，道岔以5 5 型、5 7 型、6 2 型、7 5 型和9 2 型为代表。提速道岔阶段，1 9 9 6 年- 2 0 0 3 年。1 9 9 6 年铁道部实施主要干线提 速战略，由此我国道岔整体技术的发展进入了提速阶段。提速道岔和秦沈客 运专线道岔是该阶段有代表性的道岔产品，道岔容许通过速度快速提升。高 速道岔( 客运专线道岔) 阶段，2 0 0 3 年以后。以2 5 0 k m h 客运专线道岔和 3 5 0 k m h 客运专线道岔为代表，我国铁路道岔整体技术也由准高速阶段进入 了向高速发展的新阶段。 7 5 型、9 2 型道岔及其以前的各型道岔 7 5 型及其以前的各型道岔均为单一固定型道岔。尖轨采用普通钢轨刨切 而成，轨腰增设补强板，与基本轨密贴段改基本轨切底为尖轨爬坡式结构， 尖轨跟端为活接头方式。道岔侧股平面线型为割线型，尖轨尖端存在轨距加 宽，最大加宽1 0 1 5 m m ，辙叉采用高锰钢整铸，使用寿命一般为通过总重4 0 - - - 5 0 m t 。岔枕采用木枕，扣件为钩头道钉，后来有的改为刚性扣板式扣件。 1 9 9 2 年定型设计的9 号、1 2 号和1 8 号道岔( 包括5 0 k g m 和6 0 k g m 钢 轨单开道岔、复式交分道岔、交叉渡线等道岔型式) 为我国铁路道岔的主型 结构，统称9 2 型道岔。9 2 型道岔的尖轨采用矮型特种断面钢轨制造，尖轨 的长度加长，取消了尖轨跟端的活接头。道岔侧股平面线型采用半切线型， 尖轨尖端的加宽值大大减小，同时把圆曲线半径增大，加大了道岔后部的实 际长度。高锰钢整铸辙叉从化学成分、铸造工艺等方面进行了优化。护轨采 用h 型或槽型断面。扣件采用刚性扣板式扣件。9 2 型道岔的平顺性以及结构 强度与7 5 型道岔相比有了很大的改善和加强。但9 2 型道岔的直、侧向过岔 速度仍分别限制在1 2 0 k m h 和4 5 k m h 之内。 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 提速道岔 ( a ) 第一代提速道岔 1 9 9 5 年底，为适应铁路提速的需要，针对我国既有繁忙干线7 5 型、9 2 型6 0 k g m 钢轨1 2 号单开道岔在设计、制造、养护中存在的问题，以及与国 外同类道岔存在的差距，设计中引入我国高速道岔前期研究的技术，特别是 广深线6 0 k g m 钢轨1 2 号可动心轨辙叉单开道岔的设计及使用经验，提出了 新型道岔的设计原则和技术标准。这种道岔优化了尖轨、心轨的断面和线型 设计，采用了预应力混凝土岔枕，调整了道岔的加工工艺，提高了制造精度， 基本适应了提速到1 6 0 k m h 的需要。提速6 0 k g m 钢轨1 2 号可动心轨道岔有 以下特点：保留道岔中心和辙叉理论交点位置不变的前提下，对道岔的平面 布置进行了适当调整，道岔侧股平面线型由半切线型改为切线型。尖轨由 1 1 3 m 改为1 3 8 8 m ，固定辙叉长5 9 9 2 m ，可动心轨辙叉长1 3 2 9 6 m 。直、侧 向护轨不等长，直向护轨长6 9 m ，固定辙叉侧向护轨长4 8 m ，可动心轨辙叉 道岔侧向护轨长5 4 m 。从轮轨关系考虑，道岔设置了1 ：4 0 的轨底坡。岔枕 采用木枕和预应力混凝土枕两种，并垂直于道岔直股布置，间距一律6 0 0 m m 。 扣件采用与区间正线相同的i i 型或i i i 型弹条扣件；尖轨尖端没有构造加宽， 轨距均为1 4 3 5 m m ，固定型道岔全长3 7 8 0 m ，可动心轨道岔全长4 3 2 0 m 。随 后又采用与提速6 0 k g m 钢轨1 2 号道岔相同的设计原则，研制了提速6 0 k g m 钢轨1 8 号、6 0 k g m 钢轨3 0 号可动心轨道岔。提速道岔的研制成功，为我国 铁路的提速工程发挥了重要作用。提速道岔汇集了我国道岔多年来的科研成 果，代表了当时我国铁路道岔的最高水平。但是在运营中也发现了一些问题。 例如，大量使用的6 0 k g m 钢轨1 2 号道岔，顺向岔位的曲尖轨侧磨严重；尖 轨固定端扣件扣压力不足；钢岔枕下道床难以密实且顺线路方向爬行导致卡 阻；可动心轨辙叉的翼轨采用普通断面钢轨制造，由于轨底有刨切，降低了 结构强度，不得不采用栓接补强板，同时心轨牵引点处采用了4 0 m m 厚的补强 桥板，桥板占用了电务设备的安装空间，使心轨转换不能采用与尖轨相同的 钩型外锁闭机构，高速行车时心轨开口量难以控制。 ( b ) 秦沈客运专线道岔 秦沈客运专线是我国第一条时速2 5 0 k m 客运专线，对道岔直向通过速度 及旅客乘坐舒适度都有较高要求。车站两端设置有1 8 号站线道岔与3 8 号单 渡线道岔。道岔结构特点为：转辙器为a t 型弹性可弯曲线尖轨，尖轨设置1 ： 4 0 轨项坡，尖轨跟端进行1 ：4 0 的扭转，以跟导曲线钢轨连接。辙叉为可动 心轨辙叉，为适合跨区间无缝线路设计，采用了长翼轨结构。长短心轨前部 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 采用组合式，长心轨跟端为弹性可弯结构，短心轨跟端为滑动端式结构。长 短心轨同样设置l ：4 0 轨项坡，翼轨设置1 ：4 0 轨底坡。长心轨尖端部分的 a t 轨加工成转换凸缘，实现与电务杆的可靠联结。侧向设护轨，直向不设护 轨。采用分开式i 型弹条扣件，轨下为混凝土岔枕。3 8 号道岔铺设初期尖轨、 心轨卡阻现象十分严重，经多次改进后，卡阻现象已大为减少。 ( c ) 第二代提速道岔 为满足铁路第六次大提速对速度为2 0 0 k m h 道岔的需要，在秦沈客运专 线道岔的基础上，研制出两种速度为2 0 0 k m h 的新型提速道岔，分别为s c 3 2 5 和c z 2 5 1 6 。此两种道岔均采用了特种断面翼轨，并运用道岔动力学及强度分 析理论对部分细部结构进行了加强。c z 2 5 1 6 还采用了弹性滑床板及密贴检查 器等新结构。在无缝道岔设计方面加强了翼轨跟端间隔铁结构。每组道岔直 曲尖轨跟端设置两对限位器，并对限位器进行加强，以减小限位器的变形， 提高传递温度力的能力。 客运专线道岔 2 5 0 k m h 客运专线道岔以客运为主，兼顾货运，以有碴轨道为主。直向通 过速度为2 5 0 k m h ，侧向通过速度为8 0 k m h 、1 6 0 k m h 。运营条件为：客车最 高速度为2 5 0 k m h ，轴重不大于1 7 0 k n 。货车最高速度为1 2 0 k m h ，轴重为2 3 0 k n 。 3 5 0 k m h 客运专线道岔为纯客运，以无碴轨道为主。直向通过速度为3 5 0 k m h ， 侧向通过速度为8 0 k m h 、1 6 0 k m h 、2 2 0 k m h 。运营条件为：动车组最高速度 3 5 0 k m h ，轴重不大于1 7 0 k n 。 基本轨采用与区间线路钢轨材质及断面相同的类型。尖轨采用6 0 d 4 0 钢轨 制造，材质与区间线路钢轨相同。尖轨跟端锻压成中国6 0 k g m 钢轨断面，并 进行1 ：4 0 的扭转，过渡段和成型段长度分别为1 5 0 m m 和4 5 0 m m 。尖轨尖端采用 竖向藏尖结构，藏尖深度为3 m m ，基本轨轨头下腭轨距线以下作l ：3 的斜切， 尖轨尖端降低值为2 3 m m 。转辙器部位采用瑞士施维格公司开发的“几 型弹 性夹扣压基本轨，在部分滑床板上安装了配套的辊轮系统，降低转换阻力， 减小不足位移。尖轨跟端设置间隔铁或限位器。为防止斥离尖轨在列车通过 跳动，加设多对尖轨防跳装置。 采用可动心轨辙叉，1 8 号道岔采用单肢弹性可弯结构，4 2 号和6 2 号道岔 采用双肢弹性可弯结构。翼轨为特种断面轧制翼轨，心轨采用a t 钢轨组合而 成，长心轨跟端设置长大间隔铁，并将心轨与翼轨胶结起来。1 8 号道岔设侧 向防磨护轨，4 2 号和6 2 号道岔直向和侧向不设护轨。 采用弹性分开式扣件，轨距的调整采用轨距块与铁垫板相结合的方式， 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 调距量4 - 8 m m 。滑床板调距量为2 - - - 4 m m ，调距精度为l m m 。无碴道岔扣件 调高范围o - - 一3 0 m m ，调高精度为l m m 。道岔中的通用性扣件采用铸造铁垫板硫 化橡胶垫层，通过合理设置扣件系统刚度解决岔区刚度的合理化和均匀化问 题。 有碴道岔岔枕采用整体式混凝土长岔枕结构，沿用提速型岔枕断面， 优化了截面配筋。无碴轨道混凝土岔枕采用带钢筋桁架的整体式结构。为便 于运输和减少岔枕上拱值，对长度较大的岔枕采用铰接式结构。 ( 2 ) 国外情况2 2 7 1 高速铁路起步较早、运用比较成熟的国家有日本、法国和德国，各国都 以本国实际情况发展高速道岔，以下主要介绍这几个国家的高速道岔。 国外高速道岔发展特点 ( a ) 结构系统优化，制造质量精密 把道岔作为一个整体结构对各部分系统进行优化，在各国道岔工作中体 现得很充分，主要表现在三个一体化，即：研究、设计、制造、标准一体化。 道岔工厂本身就负责新产品的开发研究和设计制造，其任务的承担和完成都 取决于市场的需求，产品的性能和质量由工厂承担全部责任，因此，责任主 体明确，工厂和使用部门界线清楚，工厂对市场的需求不仅有很高的积极性， 而且对使用情况反应十分迅速。这种管理模式对道岔技术的发展起到了很好 的促进作用。道岔各部件总成一体化。道岔各部件都对道岔结构有至关重要 的作用，对每一部件都做了很深入的工作。工、电一体化。把道岔结构、轨 下基础和电务转换设备看作是相互影响的一体化系统。轨下基础( 岔枕) 设 计技术和制造工艺为道岔结构保持几何线型提供精确、可靠的安装平台。电 务系统一方面要保证正常的道岔转换与锁闭功能；另一方面又要适应道岔尖 轨与心轨在无缝线路中伸缩，保持尖轨与心轨转换后的正常工作线型。而道 岔结构也要为电务设备提供良好的工作环境和安装条件。 ( b ) 高度的精密性和平顺性 高度的精密性和平顺性对道岔结构而言，包括两方面含义：一是把道岔 作为精密的机电设备，而不是一般的工程结构，道岔结构必须高精度、高平 顺，道岔各部件间的精密配合是保证高速道岔具有高平顺性和良好工作状态 的关键；二是道岔各部件应具有十分严格的制造精度。工业发达国家道岔工厂 都执行十分严格的制造公差。 ( c ) 运行平稳舒适，严密监测安全 国外高速道岔的设计都十分重视旅客列车在通过道岔时的舒适性，使之 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 尽量与区间线路相同。因此在平面线型设计时都采用了适应高速行车的参数， 如侧向过岔速度2 2 0k m h 的高速道岔，法国的线型为圆缓，德国的线型为缓 圆缓，与圆曲线线型相比，随着曲率半径增大和线型的合理化，降低了未被 平衡的离心加速度及其时变率，有利于提高旅行舒适度。 国外高速铁路道岔采取了一系列保证安全的措施。高速道岔的设计检算 和试验速度为设计速度的1 1 倍。高速道岔除采用可靠的锁闭系统外，还在 尖轨及心轨牵引点间设置密贴检查器，随时监控尖轨和心轨的密贴状态。道 岔无缝化是实现高速行车的重要措施，在跨区间无缝线路中，道岔也处在固 定区。法、德两国在道岔结构上通过心轨跟端结构加强、扣件扣压力保证、 设置限位器等措施限制尖轨及心轨的伸缩位移，而转换系统的锁闭机构要能 在锁闭及解锁状态下允许尖轨及心轨有一定范围的自由伸缩。为了保证道岔 可动部分等薄弱环节的强度，尖轨均采用整根钢轨，防止焊接尖轨由于焊接 质量可能导致尖轨折断等潜在问题的出现，而且尖轨在制造过程中不允许发 生扭曲，避免在尖轨中存在过大的残余应力。尖轨、心轨设防跳装置。 ( d ) 以完善的道岔动力学计算及试验分析为指导 除在平面线形合理设计、动态轨距优化、轨底坡合理设置等模拟方面采 用仿真软件外，在道岔结构设计、刚度设计和转换计算方面均采用了准静态 轨道强度计算理论或有限元结构分析程序。部件性能和道岔整体动力性能都 分别在室内或现场进行大量的试验，不断完善和优化。 国外高速道岔的结构特征 ( a ) 转辙器部分 高速铁路道岔尖轨基本上采用特种断面钢轨加工制造。德国、法国在大 码道岔中，尖轨采用整根钢轨制造，不允许有焊接接头，以确保行车安全。 道岔尖轨尖端均采用藏尖结构，藏尖深度为3 m m 。法国道岔尖轨尖端降低值为 1 7 m m ；德国为1 6 m m ；日本为2 2 m m 。为了提高尖轨的耐磨性能，改善尖轨前部 的动力不平顺，德国在尖轨尖端附近采取了轨距加宽1 5 m m 的设计。法国从轮 轨动力学角度提出了等效锥度的概念，依据列车蛇行运动的幅度与