高速铁路道岔技术

1、10 高速铁路道岔技术10.1 高速道岔类型在高速铁路中，道岔有其特殊的地位，几乎无一例外地通过单开道岔实现两股轨道的连接。高速道岔在其功能上和结构上与常速道岔相比，虽无原则上的区别，但要求安全性和舒适性更高。按分界点设置方案不同，高速道岔一般分为两种类型。第一类 用于中间站、区段站的车站正线因为通过道岔侧股时，必然是进站停车或停站后出站，所以侧向过岔仅要求满足中速运行条件。属于这一类的有我国客运专线的18号道岔，日本新干线的18号道岔，法国高速新线的20号道岔，德国高速新线的18.5号道岔，俄罗斯的18号和22号道岔，美国的28号道岔，意大利的18.2号道岔等。国外铁路在这些线路上夜间停运，

2、有足够的时间养路，虽然站间距离较长，在区间也不设渡线，即在正常运营时不采用反向行车。第二类 用于区间渡线和高速侧向过岔的部位一是因为站间距离较长，电务和工务实行天窗维护，需要反向行车；二是因为高速客运专线与既有线大站间的联络线需要高速侧向过岔。属于这一类的有我国客运专线的42号、50号道岔，法国高速新线的tg0.0218即46号和tg0.0154即65号道岔，日本新干线的38号道岔，德国高速新线的26.5号和42号道岔，英国的tg0.0145即69号道岔等。国内外高速铁路中高速道岔主要技术参数见表10.1.1。表10.1.1 国内外高速道岔主要技术参数国别轨距S0(mm)道岔类型辙叉角(rad

3、)道岔号码N尖 轨导 曲 线道岔全长L全(mm)侧向过岔速度V(km/h)类 型尖轨切点顶宽b1(mm)尖端角0 (dcg)长度L尖(mm)线 形半 径R (m)欠超高h欠(mm)法国1432UIC60轨单开0.015465用于渡线切线形弹性可弯式5.54,23.9,57700三次抛物线6720852084402200.021846用于渡线切线形弹性可弯式5.57,49.4,三次抛物线21231421600.030033割线形弹性可弯式18,00,16000圆曲线3000100740001400.033330切线形弹性可弯式5.56,28,圆曲线31001001020601600.050020

4、切线形弹性可弯式5.59,38,18350圆曲线130091665651000.050020割线形弹性可弯式25,00,15000复心曲线2000-1300-200091581721000.085011.8割线形弹性可弯式12000复心曲线605-485-605964031070UIC50轨对称0.034029.4切线形弹性可弯式9,00,16000圆曲线60005088100160日本143560轨单开0.026338用于渡线切线形弹性可弯式0,00,42100复心曲线8400-4200-84009036(160km/h时)1347901600.055518切线形弹性可弯式0,00,1800

5、0圆曲线1106527134970德国1433UIC60轨单开0.037726.5切线形弹性可弯式24,20.9,31740圆曲线250080943301300.054118.5切线形弹性可弯式26,16.5,23947圆曲线12009864818100S69轨对称0.054118.5切线形弹性可弯式9,55.22,20700圆曲线24009664808140英国1432BS110A(54.4kg/m)单开0.035728弹性可弯式9,59,18288复心曲线9067142960.035728用于渡线弹性可弯式10,46.7,18288复心曲线90744571100.041024弹性可弯式27

6、907复心曲线90100意大利14320.034029.4切线形弹性可弯式0.10,53,37000圆曲线30001001098261100.055018.2切线形弹性可弯式0.11,24,29550圆曲线12009869000100荷兰1432NP46轨单开0.033330切线形弹性可弯式45,36.8,缓和曲线30001001019601600.040025切线形弹性可弯式46,52.5,缓和曲线2000100833001300.050020切线形弹性可弯式37,41.1,缓和曲线120010064545100NP46轨对称0.050020割线形弹性可弯式17,00,13500缓和曲线25

7、47-2000-2500-98570201300.066615割线形弹性可弯式缓和曲线12009842380100续表10.1.1 国别轨距S0(mm)道岔类型辙叉角(rad)道岔号码N尖 轨导 曲 线道岔全长L全(mm)侧向过岔速度V侧(km/h)类 型尖轨切点顶宽b1(mm)尖端角0 (dcg)长度L尖(mm)线 形半 径R (m)欠超高h欠(mm)瑞士1433单开0.035728切线形弹性可弯式34,30,螺旋曲线3500-2350801003951600.040025切线形弹性可弯式35,13.3,32100螺旋曲线2600-1600-2445106825001300.052019切线

8、形弹性可弯式511,27.3,21200缓和曲线90010656488100比利时1432单开0.034029.4切线形弹性可弯式56,17.2,28000圆曲线29901011016041600.042023.8切线形弹性可弯式57,41.1,16000圆曲线2000100619921300.054018.5切线形弹性可弯式59,59,18000圆曲线118510064309100对称0.055018.215,00,16000圆曲线22668861992130捷克143550轨单开0.054318.4割线形弹性可弯式9,01,圆曲线12009864900100美国1435132RE轨单开0.

9、050020割线形弹性可弯式22,00,11887圆曲线1060745784980140RE轨单开0.042024割线形弹性可弯式15,40.35,11887圆曲线30007764673140俄罗斯1520P65轨单开0.045522割线形弹性可弯式21,41.49,18500复心曲线3308-1440-330851711201200.055518割线形弹性可弯式25,00,15500复心曲线1698-960-1698455751980中国143560AT轨单开0.026338半切线形弹性可弯式3.34,50.4,37630圆曲线3330911362001600.033330半切线形弹性可弯式

10、23.514,20.5,27980圆曲线27008610240014060AT轨单开提速型0.055518半切线形弹性可弯式2527,9.9,15680圆曲线8009460000800.055518半切线形弹性可弯式2527,9.9,13500圆曲线80094565478060轨92型单开0.055518半切线形弹性可弯式34,2.2,12500圆曲线80094599768010.2 高速道岔结构特征综观国内外高速道岔结构，其特征主要如下：10.2.1 转辙器（1）转辙器尖轨采用矮形特种断面钢轨制造的藏尖式、曲线形、弹性可弯式跟端尖轨。（2）为防止车轮轮缘冲击和扎伤尖轨尖端，使尖轨尖端埋藏在基

11、本轨轨头侧面刨切部分，以便使尖轨轨头非工作边与基本轨工作边相密贴。（3）为增大导曲线半径，道岔侧股设计为曲线形尖轨，曲线尖轨半径与导曲线半径相一致。（4）曲线尖轨有切线形和割线形之分。尖轨与基本轨的平面连接方式有普遍采用切线形曲线尖轨的趋势。日本、法国和德国高速道岔均为切线形。一般在尖轨顶宽2.55mm处作斜切以减小其薄弱部分的长度。我国采用相离半切线形，俄罗斯采用割线形曲线尖轨。（5）曲线尖轨尖端有冲击角和无冲击角之分。一般半切线形曲线尖轨尖端有冲击角，如我国的高速道岔，而切线形曲线尖轨尖端有的有冲击角，如法国的高速道岔，有的则无冲击角，如日本的高速道岔，冲击角的大小直接关系到逆岔侧向过岔速

12、度。（6）曲线尖轨的长度一般都较长，少则10几米，长则4050多米，它分为尖轨跟端部分、尖轨可弯部分及尖轨板动部分的长度。为保证尖轨的转换可靠性及板动到位，常设置多根转辙杆，如法国的65号道岔，尖轨长57.5m，采用6根转辙杆；日本的38号道岔，尖轨长42.1m，也采用6根转辙杆；德国的26.5号道岔，尖轨长31.74m，采用4根转辙杆；我国的18号道岔，尖轨长21.45m，设置了3根转辙杆。（7）尖轨跟端经模压加工成与标准钢轨相同的断面，并用焊接方法使其与相邻的钢轨连接，同时用能纵向调节的弹性扣件牢固扣压，以提高转辙器的稳固性和可靠性。（8）直股尖轨为直线形，尖轨尖端轨距不作任何加宽，有利于

13、高速直向过岔。10.2.2 辙叉及护轨（1）有高锰钢整铸辙叉和可动心轨或可动翼轨之分。为消灭辙叉有害空间及减小翼轨冲击角，加大导曲线半径，一般可采用由特种断面钢轨制成的可动心轨式高锰钢曲线辙叉，它是保证道岔直向过岔速度与区间轨道高速运行速度相一致的主要有效技术措施。（2）可动心轨辙叉长度一般为10m左右，长则达到1520m，比固定式辙叉长度增长很多。（3）可动心轨辙叉一般是由可动心轨、翼轨和尾轨构成，为提高辙叉的耐磨性和整体性，多采用高锰钢铸造并经机加工制成。（4）在构造上，心轨实际尖端较翼轨顶面低一些，心轨与翼轨轨头贴靠范围内，采用埋藏心轨尖端的轨头。（5）在固定式辙叉中，为减小辙叉咽喉和翼

14、轨缓冲段的冲击角，防止车轮爬轨，提高过岔速度，普遍采取加长翼轨缓冲段的长度，减小辙叉咽喉宽度，改变翼轨在辙叉理论中心处的外形。（6）可动心轨辙叉一般不设护轨，但侧股也有设置的，一般采用H型护轨、防磨护轨或弹性护轨，增强护轨工作边横向强度。为防止辙叉磨耗，加长护轨缓冲段长度，以减小护轨冲击角。为更有效车轮导向，减少心轨磨耗，使护轨稍高于基本轨。10.2.3 道岔导曲线道岔导曲线线形以圆曲线为主，也有采用复心曲线的，采用缓和曲线自然优越。一般18号道岔多用圆曲线形导曲线，日本的38号道岔导曲线为复心曲线，大号码道岔以采用缓和曲线导曲线为佳，如法国的46号、65号道岔导曲线为单支三次抛物线形导曲线，

15、半径最大处位于导曲线终点即曲线辙叉跟端，而瑞士的25号道岔导曲线则为螺旋曲线形。10.2.4 其他方面（1）为能与车轮踏面形状相适应，道岔内钢轨设置轨顶坡1：40，一般是在道岔垫板、滑床板和尖轨轨头设置坡度。（2）为消灭道岔内钢轨接头，多采用半焊或全焊无缝道岔，以提高高速过岔的平稳性与舒适性。（3）设置低刚度轨下胶垫，提高道岔轨道弹性。（4）采用弹性扣件扣压道岔钢轨。（5）道岔岔枕除采用硬质木岔枕外，现多采用混凝土岔枕或新型合成材料岔枕，以及铺设枕式或板式无砟道岔。10.3 限制高速侧向过岔速度的因素思考高速侧向过岔设计时，首先要确定速度目标值，而侧向过岔速度主要受到导曲线欠超高、欠超高时变率

16、和未被平衡离心加速度时变率的影响。10.3.1 欠超高由于道岔曲线不设超高，当列车通过时将产生欠超高为 （10.3.1）式中 h欠欠超高（mm）；V侧侧向过岔速度（km/h）；R导导曲线半径（m）。国内外铁路道岔曲线欠超高规定见表10.3.1。表1 道岔曲线欠超高允许值国别最大欠超高值（mm）德国100法国150（实用130）TGV东南线90英国长钢轨区间110其他区间90日本一般区间 90新干线18号道岔 52新干线16号道岔 58新干线14号道岔 62新干线9号道岔 93 新设计道岔 100中国10010.3.2 欠超高时变率由于道岔导曲线为圆曲线，将引起欠超高时变率为： （10.3.2）

17、式中 欠超高时变率（mm/s）；转向架中心距（m）。10.3.3 未被平衡离加速度时变率列车通过道岔导曲线时，因欠超高而引起未被平衡离心加速度时变率为： （10.3.3）式中 未被平衡离心加速度时变率（g/s）；轨头中心距（mm）。图10.3.1为日本铁路和UIC（欧洲铁路联盟）对列车通过导曲线时未被平衡离心加速度时变率的实测结果，可见，当=100220km/h时，=0.150.45g/s。图10.3.1 横向离心加速度时变率实测结果10.4 高速侧向过岔技术参数试算10.4.1 试算条件1）允许欠超高h欠=110mm；2）未被平衡离心加速度的时变率=0.2g/s；3）转辙器尖轨采用切线形弹性

18、可弯式尖轨；4）辙叉采用可动心轨式曲线辙叉；5）侧向过岔速度V侧=160km/h。10.4.2 欠超高计算据式（10.3.2）和式（10.3.3），欠超高为： 因比试算条件大，故取 =110 mm。10.4.3 导曲线半径试算据式（10.3.1），导曲线半径为： 取R导=2800 m。10.4.4 尖轨尖端角试算由图10.4.1，曲线尖轨尖端角为：则 （10.4.1）式中 曲线尖轨尖端角（deg）； R导曲线半径（m）； b1曲线尖轨切点顶宽（mm）。据式（10.4.1）得：图110.4.5 辙叉号数试算由图1，辙叉角为： （10.4.2） 则辙叉号数N为： 10.4.6 尖轨长度试算尖轨理论

19、起点至实际尖端间的距离A0及转辙角分别为： 曲尖轨长度L曲尖及直尖轨长度L直尖分别为： 10.5 未来的高速道岔10.5.1 高速道岔类型未来的高速铁路运行需要下述两种道岔。第一种为保证直向高速运行的道岔，直向过岔速度同区间轨道一致；第二种为提高侧向运行速度的道岔，主要用于渡线或联络线。在选择高速道岔技术参数时，应考虑到道岔用途，主要因素是确保旅客舒适性、道岔部件强度和运行安全性。10.5.2 道岔系列标准化道岔系列的标准化与各国铁路既有线提速的规划和高速铁路的发展密切相关，一般而言，可采用12、18、22、30、38、4250和65号标准化系列。10.5.3 道岔号码与过岔速度道岔系列与过岔

20、速度相关，如表10.5.1所列。表1 道岔号码与过岔速度道岔号码N12182230384665直向过岔速度(km/h)120160160200160200200200250250300侧向过岔速度(km/h)508012014016016016020010.5.4 道岔技术研发构想未来的高速道岔结构应着眼于下列诸项技术研发，如图1所示。图1 未来道岔的构想（1）发展特种断面钢轨制造的藏尖式、切线形、弹性可弯式曲线尖轨，并且应确保尖轨板动到位，尖轨跟端扣着牢固，自动显示转换状态。（2）发展消灭有害空间的弹性可弯式曲线辙叉。（3）开发新型合成材料岔枕，以及无道床捣固和不更换岔枕的少维修道岔。（4）

21、采用弹性轨下垫层和弹性扣件，降低并均匀化道岔轨道刚度，减小道岔破坏程度，延长道岔设备使用寿命。（5）开发减小尖轨、辙叉及护轨各部位冲击角的道岔结构，降低道岔轨道振动，提高过岔的平稳性与安全性。（6）开发对称道岔，改造既有道岔，以期提高侧向过岔速度。（7）开发道岔除雪装置。（8）消灭道岔钢轨接头，发展无缝道岔。（9）开发新型道岔自动化检测装置。（10）开展道岔结构动力学仿真研究，为道岔设计提供理论基础。10.6 新建高速道岔及其相关技术10.6.1 高速道岔设计技术要求（1）设计基本原则Ø 道岔和渡线的几何尺寸设计既要实现磨耗小又要经济；Ø 在考虑钢轨设轨底坡的情况下，按运动

22、学和降低磨耗的要求对车轮过渡段进行优化设计；Ø 按少维修和经济性要求，优化道岔区轨道部件的减振措施；Ø 采用可少润滑的活动部件；Ø 采用具有可靠且少维修的道岔转换系统。（2）道岔几何尺寸要求（表1）表1 道岔几何尺寸要求道岔始端的最大横向加速度增量1.0m/s3道岔区内部的最大横向加速度增量0.4m/s3最大横向加速度0.5m/s2道岔内曲线组合螺旋曲线圆曲线螺旋曲线渡线中的曲线轨迹无夹直线，而有直至渡线中点的螺旋曲线曲线段长度约为整个几何长度的1/3转辙器的几何形状少磨耗的FAKOP设计钢轨内倾度（轨底坡）1：20（3）道岔结构技术要求（表1）表1 道岔结构技术

23、要求钢轨断面UIC 60 900 A品质HSH尖轨截面UIC 60 900 B品质HSH轨枕间隔600±20mm尖轨设计根端锻压成内倾度为1：20的非焊接弹性可弯尖枕带肩垫板支承带肩垫板旁使用硫化弹性体弹簧，钢轨沉降约2mm。由此得出的支承刚度取决于轨道刚度（其值在10和17.5kN/mm之间），从而使刚性部件（如辙叉）与普通的轨道支承点产生相同的沉降量。道岔/轨道弹性过渡段刚性轨道和软支承道岔之间的弹性过渡段长度=0.5s运行时间基本轨固定措施在勃兰登堡型基本轨下面装有分离式基本轨内卡装置和中间衬垫辙叉结构类型可动心轨辙叉，速度v=160350km/h钢轨长度在道岔范围内尽量少焊接

24、轨枕设计带贯穿螺栓的预应力混凝土岔枕，尺寸宽为300mm，高为220mm，最长为3.30m，较长的轨枕为分段铰接形式，装有弹性减振器。道岔转换系统装有多台转辙机和尖轨位置检查装置的优化转换系统。设有备用转换设备，以提高可使用性。锁闭系统在转辙器内设下压力可调的HRS锁闭装置，而在可动心轨辙叉内设VCC锁闭装置（法国型式）锁闭器轨枕尖轨转辙器和可动心轨下为钢制带锁闭器的岔枕和一体化转辙机支承10.6.2 三种高速道岔设计技术条件（1）V=350/220km/h的道岔1）适用于渡线单开道岔，其设计简图见图1。图1 渡线单开道岔设计简图2）直向过岔速度350km/h，侧向过岔速度220km/h3）道

25、岔实际全长180m，渡线全长414.794m4）转辙器l 转辙器全长63ml 无焊缝尖轨长61.70ml 设有8个与锁闭器轨枕构成一体的HRS锁闭装置l 设有8个尖轨终到位置检查装置5）辙叉l 辙叉全长28.80ml 弹性可动心轨（1：50fb型）l 心轨上装有一台VCC锁闭装置l 设有3台转辙机转换心轨，并安装有4个终端位置检查装置6）曲线半径17000730017000m7）无焊接连接钢轨最长63.40m，最短20.40m（2）V=350/160km/h的道岔1）适用于正线单开道岔或渡线单开道岔2）直向过岔速度350km/h，侧向过岔速度160km/h3）道岔全长130m4）弹性可动心轨（

26、1：33fb型）5）曲线半径10000400010000m（3）V=350/100km/h的道岔1）适用于正线单开道岔2）直向过岔速度350km/h，侧向过岔速度100km/h3）道岔全长81m4）弹性可动心轨（1：22fb型）5）曲线半径300015003000m10.6.3 尖轨过渡段几何尺寸动态优化设计要点尖轨转辙器的车轮过渡段几何尺寸动态优化设计（FAKOP）见图1，其设计要点如下：图1 尖轨动态优化设计的过渡段（1）车轮在尖轨转辙器上继续保持在普通轨道上运行时的正弦型运行轨迹。（2）在道岔侧股轨道上，根据轮轨接触关系，通过有目的地控制车轮，减少尖轨的侧面磨耗。（3）延长尖轨转辙器的使

27、用寿命4至8倍。（4）由于尖轨尖端和车轮过渡段的轨头断面加厚，提高了尖轨的磨耗储备量。（5）通过对正弦运动的控制，提高了尖轨转辙器的状态稳定性。（6）整体明显降低维修费用。10.6.4 高弹性带肩垫板设计要点节点刚度为17.5KN/mm的带肩垫板结构型式见图1，其设计要点如下：（1）由于整体节点刚度降低，由上下弹簧构成的系统产生弯曲的平弹簧特性曲线。（2）尽管各种部件刚度不同，如单根钢轨，一个节点上的几根钢轨，以及比单根钢轨刚度大得多的辙叉，但整个道岔长度范围沉降相同。图1 标准带肩垫板（3）各部件的沉降为垂直变形，而轨道部件不发生动态倾侧或横移。（4）垫板通过一块衬垫和一个弹簧固定在轨枕上并施加预压力。安装时无需测量。（5）这种系统由于在钢轨和垫板之间设有一块特殊的弹性衬垫，因此具有降噪和减振作用。（6）这种垫板系统可用简单的工具，在轨枕上对垫板进行垂直和水平方向的调整。（7）多年来，这种高弹性带肩垫板系统在短途运输降噪方面、高速运输减振和优化列车荷载分布方面十分成功地经受了考验。（8）特别重要的是荷载分布作用降低了维修费用。10.6.5 高弹性内卡装置设计要点固定基本轨用的分离式高弹性内卡装置见图1，其设计要点如下：（1）滑床板与底板分开，并通过一个压板和2个压紧弹簧与底板相联结。（2）滑床板的舌形凸缘压住基本轨轨底。这样轮荷载作用于尖轨的力就经滑床板