第六章道岔铺设.docx
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第六章道岔铺设
第六章大号码道岔与道岔铺设
秦沈客运专线B26标段含绥中北、葫芦岛北两个车站,共有道岔22组,其中P60-38号道岔8组,P60-18号道岔8组。
其中,38#号道岔全长136.2m,尖轨长37.63m,基本轨长49.192m,总重约170吨,是我国目前号码最大、长度最长、结构最新的高速道岔,过岔速度直向为250km/h、侧向为140km/h,代表着我国道岔的最高水平。
第三次综合试验中创造了直向通过速度250km/h,侧向通过速度160km/h的历史性记录。
38#道岔设计结构见图4-6-1所示。
图4-6-1秦沈客运专线的38#道岔全景图
对开道岔
交差道岔
单向复式交分道岔
双向复式交分道岔
道岔是轨道结构中最薄弱部分之一,是限制列车运行速度的关键设备。
突出的问题是既有线路设计参数是否适用于高速铁路专线,由于高速列车在道岔尖端受结构限制、曲率的变化不是线性的、侧线跟端两组道岔连接点等处的结构和刚度不平顺反映更敏感,追踪国外高速客运线道岔的研究设计水平,针对高速铁路道岔有别于既有线道岔应用环境的特点,从安全和舒适的角度对客运专线道岔设计和施工进行了深入的研究,分析既有道岔设计施工方法是否能适应于高速客运专线的问题,解决了设计、制造、铺设和维护的问题。
我国铁路的线路设备的落后与铁路运量大、行车密度高的矛盾非常突出。
随着工农业经济的发展,铁路设备首先应该尽快提高运力。
这个任务随着近年来我国主要干线实现钢轨60kg/m化而基本完成。
在1996年我国铁路干线开始了在繁忙干线客车速度从的80~100km/h提高到140~160km/h,货车提高到80~90km/h的目标迈进。
60kg/m钢轨12#提速道岔已在干线上大量铺设,60kg/m钢轨18#高速道岔和30#、38#高速道岔通过试铺,取得了满意的效果。
由于高速道岔和常速道岔一样,同时集中了轨道设备所有薄弱环节的结构特征和几何特征,也就决定了其特有的轮轨相互动力作用。
因此,处理不当,道岔就会成为实现铁路提速和发展高速铁路运输的限制因素。
为了保障列车按额定的速度平稳又安全地行走所必要的强度和稳定性,高速道岔必须具备以下基本条件:
1.道岔部件的冲击角、转向角(辙叉角)以及导曲线曲率半径等基本参数,应与道岔额定速度相适应。
2.道岔轨下基础(路基、基床和道床)的强度和材质应与轨件相配套。
3.道岔辙叉和其它部件的材质应具有足够的强度,良好的耐磨性和可焊性。
4.道岔部件尺寸应具有足够的强度和稳定性。
5.从道岔构造上杜绝一切危及行车安全的破坏和事故。
6.道岔构造尺寸应满足高速铁路限界的要求。
第一节高速铁路的道岔
分析各国高速铁路的道岔可以发现,其具有以下的结构和几何特征:
1、从高速道岔的总图上看,与常速道岔相同,由转辙器、辙叉及护轨以及连接件等三部分组成。
转辙器绝大多数为基本轨框架内的双尖轨转换结构。
其中尖轨只与跟部与轨下基础(岔枕)扣紧。
2、在辙叉部分两根内侧轨线平面相交处,不是存在轨线中断(固定辙叉),就是因轨线相交而带来的轨线不平顺(可动辙叉)。
3、在转辙器尖轨尖端部分,存在基本轨和尖轨间车轮荷载的过渡段竖向不平顺。
4、在辙叉上存在叉心和翼轨间车轮荷载的过渡段竖向不平顺。
5、在转辙器尖轨、辙叉翼轨和护轨上存在水平冲击角。
6、不同道岔部位上的轨框具有不同的轨框刚度。
7、不同道岔部位上的钢轨具有不同的轨下基础弹性。
8、道岔连接部分的导曲线通常具有较小的曲率半径(受轨距和道岔角的限制)。
9、导曲线外轨超高的设置受限于道岔构造。
由于道岔的上述构造可以发现道岔存在着一系列动力学特征,1、道岔部件在行车过程中受到未被平衡的竖向或横向加速度等的附加动力作用。
2、多变的道岔轨框刚度和轨下基础弹性,其对轮轨产生附加动力作用的影响,存在着相当于许多单独动力不平顺的作用。
3、转辙器和辙叉上的轮载过渡段,更给形成巨大冲击动力作用的单独不平顺提供条件。
4、当车体行经导曲线时,由于外轨超高设置不足或根本没有设置超高,外轨受到过载,并产生未被平衡的离心加速度而恶化旅客的旅行舒适度。
5、车体逆向进入道岔侧股时,不可避免地撞冲尖轨,或行经辙叉时撞击翼轨和护轨以改变走行方向时,产生横向冲击力。
6、钢轨不设轨底坡,造成钢轨偏载作用,这是形成钢轨压溃和加剧接触疲劳型伤损的重要原因。
道岔是轮轨相互作用中一切最不利因素的集中载体。
高速道岔的使用环境,要比高速铁路区间轨道更是困难得多。
一、国外道岔概况
世界上一些经济发达国家,早在本世纪30年代就开始研究高速铁路。
特别是二战以后,在医治战争创伤恢复经济的世界潮流推动下,更加速了铁路高速化进程。
1964年10月,日本建成世界第一条高速铁路后,欧美铁路竞相修建。
高速道岔是高速铁路必不可少的线路设备,先后出现了法国的20#、33#、46#、64#,德国的18.5#、26.5#、42#,日本的16#、18#,美国的20#、24#(对称)以及前苏联的18#、22#等大号码道岔,从而将道岔容许过岔速度直向提高到160~200~250km/h,而侧向提高到80~120~160~200km/h的水平。
1、日本高速铁路道岔
日本是修建高速铁路较早的国家,在高速铁路上使用的道岔有9号、12号、14号、16号、18号和38号等,正线上使用可动心轨辙叉道岔。
图4-6-3为东海道新干线车站内配线一例。
38号用于两条高速线间的连接,如北陆新干线的高崎站采用38号道岔在区间出岔,低成本地解决了上越新干线与北陆新干线的分离问题;16号、18号道岔直股在高速正线、快车进站停车或停车后出站通过18号侧股。
16号道岔一般用于渡线(山阳新干线渡线采用18号);14号(对称)用于到发线与到发线间(在东京站55km/h的低速区使用了14号道岔);12号用于站线,一般在进入维修基地的出岔点使用了12号道岔;9号道岔用于存车线等。
高速道岔的直向行车速度从最初的210km/h提高到现在的275km/h。
表4-6-1是日本在高速铁路上使用的道岔号码、导曲线半径和侧向容许过岔速度。
值得一提的是,日本在道岔区也超过地采用了无碴轨道结构。
在区间使用板式轨道、道岔区使用混凝土轨枕通过T型螺栓固定和合成轨枕。
上图:
法国的高速铁路道岔
下左图:
固定岔心道岔
右图:
渡线上使用的可动心轨道岔
图4-6-2国外的大号码道岔照片
1616181816
1616
16
1818
图4-6-3东海道新干线车站内配线
表4-6-1日本新干线铁路采用的道岔
道岔号数
9
12
14
16
18
交叉角度
6°12′
4°46′
4°05′
3°34′30″
3°11′
导曲线半径(m)
202.109
516
683
861
1106
道岔全长L(m)
29.978
52.640
51.827
66.2765
71.339
a(m)
14.227
24.436
27.049
29.325
32.885
b(m)
15.751
28.204
24.779
36.9515
38.454
道岔结构
固定
可动心
固定
可动心
可动心
侧向容许过岔速度(km/h)
舒适度
40
55
65
75
80
回库
35~40
60~65
65~75
75~85
85~95
表4-6-2日本38号道岔基本情况表
道岔分支角
1°30′28″
道岔全长L
134.790m
a
65.7m
b
69.1m
尖轨长度
42100mm
引线曲线半径
8400m~4200m~8400m多心曲线
侧向允许通过速度
160km/h
160km/h时欠超高
90mm
欠超高变化率限度
85mm/秒
横向加速度变化率限度
0.057g/秒
2.法国的高速铁路道岔
法国在高速线上应用的高速道岔系列见表4-6-3。
15.3号用于进站停车,46号应用于渡线,65号用于高速干线间的联络线,其直向最高速度已达510.3km/h。
464615.315.365
4646
15.315.3
图4-6-4法国高速铁路线上道岔的布置
图4-6-4表示法国高速铁路线上道岔的布置。
主要有15.3号、46号和65号。
15.3号用于进站停车,侧向容许过岔速度80km/h。
46号用于区间渡线,侧向容许过岔速度160~170km/h。
65号用于两条高速线之间或高速线与联络线的分岔点或渡线。
上述三种道岔直向容许过岔速度均为300km/h。
表2列出法国高速铁路道岔的号码、导曲线半径和侧向容许过岔速度。
表4-6-3法国高速铁路采用的道岔
道岔号数
15.3
21
29
46
46
65
65
导曲线半径(m)
820
1540
3000~∞
3000~∞
3550~∞
6720~∞
7350~∞
侧向容许过岔速度(km/h)
80
100
160
160
170
220
230
3、德国的高速铁路道岔
原联邦德国高速铁路线上客货混流,直向最高行车速度为250km/h。
铺设在正线上的道岔,用于进站停车和出站的道岔一般用18.5号,要求通过侧股的速度较高时采用26.5号、32.5号,42号道岔主要用于两条高速线间连接。
其中德国的32.5号和42号都在线型上改造为三次抛物线型缓和曲线,表3是德国高速铁路用道岔系列。
原联邦德国高速铁路线上使用的道岔如表4-6-4所示,UIC54道岔基本参数如表4-6-5。
表4-6-4德国高速铁路采用的道岔
道岔号数
12
14
18.5
26.5
32.5
42
导曲线半径(m)
500
760
1200
2500
6000/3700
7000/6000
侧向容许过岔速度(km/h)
65
80
100
130
160
200
表4-6-5UIC54道岔基本参数
道岔号数
L
a
b
R
V
34.7
99332
36878
62454
2300
140
15
47277
21221
26056
725
80
15
42706
16550
26056
600
70
12
38320
17420
20900
465
60
9
32185
14185
18000
260
40
从国外道岔系列的列表可见,欧洲铁路高速线上渡线及分界点上道岔号码一般比日本大。
日本的车站都有客运任务。
高速线的分界点都在车站,无单纯的越行站,分界点上道岔号码较小,分界点和越行站的间距约为35~40km。
中间站的渡线是为发生事故时折返或为维修线路的车辆出入而设置,侧向过岔速度要求不高。
而欧洲的高速线大都有办理反向行车业务的分界点,此外如原联邦德国客货混流的高速线负荷较重,为避免反向行车和支线运行时较多的时间损失,必须使用侧向容许速度较高的大号码道岔。
原联邦德国信号装置的设置就允许新线作为两条单线运营,分界点之间或分界点与越行站(或联轨站)之间大约7km长的线路组成一个传统的闭塞区段,由色灯信号分隔,每隔20km左右设一越行站。
在原联邦德国高速新线与时速130km的旧线连接处采用42号道岔,侧向容许过岔速度200km/h。
在行车速度高于160km/h的地段,只使用单开道岔,不允许设交叉渡线。
图4-6-5使用AT轨时尖轨过度段的处理
图4-6-6使用普通钢轨时尖轨的过度
法国TGV高速线分界点间隔约20km,越行站间距约50km。
在加大客车专线站间距的情况下,区间正线另设渡线,以便在开“天窗”检修电力接触网、线路及电务设备时,利用渡线设备使列车在邻线逆向行驶。
法国巴黎一里昂高速客运专线全长427km,仅有一个中间站,采用在区间大量铺设渡线的方案。
这些高速道岔,多选用侧向容许高速通过的大号码道岔。
大号码道岔,也适用于高速客运专线与既有线连接的分岔点或与既有重要建筑物(如大城市的既有站舍)之间的联络线接轨点,以及既有线改造考虑高速列车进入道岔侧线的部位铺设。
国外高速铁路发达国家的道岔设计都是重点以旅客舒适度为主要的指标,道岔导曲线半径选择较大,且普遍都在大号码道岔中采用三次抛物线线型,尖轨处理均为全切线线型。
4、国外高速道岔的平面线型
国外高速道岔的平面线型以圆曲线居多。
在侧向过岔速度大于160km/h的渡线中常采用缓和曲线以改善旅行舒度。
表4-6-7、表4-6-8、表4-6-9列出一些国家(包括UIC)侧向容许过岔速度分别为160km/h及以上和80~100km/h的道岔线型和平面几何尺寸。
UIC规程推荐的道岔系列的侧向容许过岔速度为100、130、160和220km/h。
道岔的线型有两种;圆曲线和三次抛物线。
按使用条件分为单独铺设的单开道岔和渡线中的道岔。
单开道岔导曲线均采用圆曲线,欠超高取80~100mm。
由于在渡线中采用导曲线是圆曲线的道岔存在反向曲线夹直线问题,当通过渡线速度超过120km/h时一般要求夹直线长度≥(0.4~0.5)V(长度单位m,速度单位km/h)。
当线间距较小,导曲线半径和夹直线长度在道岔号数不变时往往难以同时满足,因此UIC规程推荐侧向容许过岔速度≥160km/h的渡线道岔采用渡线中点曲率无穷大的三次抛物线线型。
铁组(осжд)在关于高速道岔(V≥160km/h)设计基本原则的建议中也主张:
“两平行线在中心线间距不大时的钢轨连接,最好采用半径变化的曲线”。
UIC规程未推荐复曲线线型,因为采用复曲线虽可减小尖轨冲击角,但却加长了尖轨较薄弱部分的长度,且大半径的曲线长往往不足20m。
同时,在两个不同半径曲线之间的连接处增加了一个拐点,对行车不利。
最近德国对容许侧向过岔速度200km/h的42道岔导曲线也已由复曲线变为变曲率曲线。
从表7可以看出,世界绝大多数高速铁路侧向用于进站停车的高速道岔均采用圆曲线线型。
5、舒适度标准
各国舒适度标准不一,即使同一国家在不同使用场合道岔所采用的舒适度标准也不尽相同。
主要有两种意见:
一种认为大号码道岔数量一般较少,列车进入侧线的机会不多,且道岔过长制造困难,因而所采用的舒适度标准可低于常用号数道岔所采用的标准。
另一种意见则认为大号码道岔地处要冲,要求提高舒适度标准。
直向高速道岔、导曲线半径为圆曲线线型时,侧向过岔容许速度受欠超高的控制。
表4-6-6为各国高速铁路上曲线欠超高和欠超高时变率的容许值(包括我国拟采取的值)。
表4-6-6各国高速铁路采用的曲线欠超高和时变率容许值
国别
中国
法国
德国
日本
意大利
俄罗斯
英国
欠超高(mm)
90~110
90~130
60~100
60~90
120
100
90~110
欠超高时变率容许值
45
50~60
45
45
55
55
6、国外高速铁路道岔的结构特征
由于各国高速客运铁路的运输组织方式不同,所以所选用的道岔系列及设计参数有一定差异,但本着高速客运线高安全性和舒适性的原则,新一代道岔的设计技术指标都有所提高。
尤其是控制侧向行车速度的动态极限值~侧向加速度及其随时间变化率与速度的关系根据研究并不是线性的,而是速度的二次和三次方的关系,因此新设计的道岔均以高旅客舒适度作为主要的设计参数,其标准都较普通线路道岔设计高。
其客运专线道岔的直向通过速度与区间线路相同,侧向行车速度要符合运输组织、运能的要求。
表4-6-9列出了各国高速铁路道岔的结构特征。
由表可见:
①高速道岔的轨型与区间一致,一般采用60kg/m轨。
②尖轨多采用矮型特种断面钢轨制造,尖轨为藏尖式,根部弹性可弯。
③辙叉一般采用可动心轨辙叉,可动心轨的根部为弹性可弯式,用特种断面钢轨加工组合居多,也有用高锰钢铸造的。
至于翼轨,法国和日本采用高锰钢铸造。
当大号码道岔的翼轨较长时,则在分段铸造后焊接。
原联邦德国则采用钢轨制造。
④为消灭道岔区内轨缝,道岔直股内接头均为焊接或粘接。
⑤道岔内的扣件,尤其是新研制道岔的扣件,采用弹性扣件的居多。
⑥高速道岔的直股均不设护轨,号码较小的在侧股设护轨。
⑦道岔区的轨枕采用木枕、混凝土枕或混凝土轨枕板。
关键是要处理好弹性垫层,尽可能使道岔内的基础刚度与区间一致,以减少刚度不平顺。
法国是研制使用高速大号码道岔最早的国家。
65号为世界之首,尖轨长57.7m,其中厂制零件36.9m,与带过渡段13.8m及UIC60标准轨7m焊成一体,可动部分无焊缝。
可动心轨的滑动部分用UIC60A轨加工。
翼轨由锰钢浇铸而成,长12m,后部与碳钢钢轨焊接。
翼轨和可动心轨均可承受100t的温度力。
以后开发性能更好的可动心轨辙叉翼轨全部由锰钢浇铸,可动心轨用UICA74轨制造,整个心轨部分设在弹性垫板上无任何机械接头,尖轨和可动心轨的扳动力仅为3.6kN和1.2kN,各用一个转辙机即可操纵。
表4-6-7现有侧向容许过岔速度≥160km/h的单开道岔线型与平面主要尺寸
项目
法国
原联邦德国
中国
意大利
日本
道岔号
tg0.0154
tg0.0154
tg0.218
tg0.218
1/42
1/32.5
38
29.4
38
线型
三次抛物线
三次抛物线
三次抛物线
三次抛物线
复曲线
复曲线
三次抛物线
圆曲线
圆曲线
导曲线径(m)
7350~∞
6720~∞
3550~∞
3000~∞
7000/6000
6000/3700
3300~∞
3000
3050
道岔全长(m)
193.716
193.425
136.743
136.895
154.266
122.252
136.200
103.195
尖轨长(m)
57.700
44.490
52.125
50.400
37.630
30.000
侧向容许速度(km/h)
230
220
170
160
200
160
140
160
160
直向容许速度(km/h)
300
300
300
250
300
250
250
250
270
试验或使用年代(年)
1989左右
1972左右
1981左右
1972左右
1995左右
1989左右
2002
1989左右
2000左右
表4-6-8现有侧向容许过岔速度≥80~160km/h的单开道岔线型与平面主要尺寸
项目
法国
原联邦德国
中国
意大利
日本
俄罗斯
美国
道岔号
tg0.0654
tg0.034
1/14
1/18.5
1/26.5
18
18.2
18
1/18
1/22
20
线型
圆曲线
圆曲线
圆曲线
圆曲线
圆曲线
圆曲线
圆曲线
复曲线
螺旋线
圆曲线
导曲线径(m)
820
2898
760
1200
2500
1100
1200
1106
1698/960
3308/1440
1060
道岔全长(m)
53.506
103.195
54.216
66.615
94.330
69.000
69.000
71.346
57.519
71.120
53.310
尖轨长(m)
19.770
30.000
22.350
24.164
31.740
20.210
29.550
18.000
15.500
18.500
13.716
侧向容许速度(km/h)
80
130
80
100
130
80
100
70
80
120
80
直向容许速度(km/h)
230~300
250
250
250
250
250
250
270
200
200
试验或使用年代(年)
1972前
1972前
1972前
1972前
1972前
2002
1976/1992
1964
1972前
1972前
1972前
表4-6-9各国高速铁路道岔的结构特征
项目
法国
原联邦德国
日本
中国
俄罗斯
转辙器
尖轨轨型
UIC61轨
UIC71轨
90S,80S
60AT轨
OP65轨
基本轨轨型
UIC60轨
UIC60轨
60轨
60轨
P65轨
尖轨跟端结构
弹性可弯,将UIC61轨锻造成UIC60轨
弹性可弯,将UIC71轨锻造成UIC60轨
弹性可弯,将90S轨锻造成60轨
弹性可弯,将60AT轨锻造成60轨
弹性可弯,将OP65轨锻造成P65轨
辙
叉
固定式
高锰钢整铸辙叉
焊接辙叉
高锰钢整铸辙叉、焊接锻造辙叉
高锰钢整铸辙叉、焊接辙叉
高锰钢整铸辙叉
锰钢铸造心轨组合
可
动
式
翼轨
高锰钢整铸与连接轨焊接
特种断面钢轨或轧制锰钢、UIC60轨组合
高锰钢铸造,较长的分段制造后焊接
高锰钢铸造,锻造焊接,钢轨
用yp65特种钢轨或高锰钢整铸
心轨
用UIC60A轨组合、UICA74轨制造
锻造焊接心轨,
高锰钢铸造,
90S轨加工焊接
60AT轨
op65轨组合
心轨跟结构
弹性可弯
弹性可弯
弹性可弯
弹性可弯
弹性可弯
扣件
弹性,刚性
弹性
刚性
弹性
刚性或ъъу、кб
侧向护轨
槽形、刚性
槽形、弹性护轨
H形、刚性
H形
特种断面钢轨
轨底坡
1/20
无
1/40
1/40
木枕不设,混凝土枕设1/20
接头
焊接,粘接
焊接,粘接
直股焊接,斜接头
焊接
枕木
木枕
混凝土枕、木枕
混凝土枕、木枕
混凝土枕、木枕
木枕
日本高速线上使用的最大号码道岔为18号,最近研制的38号道岔(侧向容许过岔速度为160km/h),尖轨用90S轨在工厂分两段制造,到现场焊接,焊缝加夹板栓接以提高安全度。
可动心轨辙叉的结构与1/18号基本相同,用高锰钢分两段制造。
尖轨和可动心轨均经过落锤试验测定焊缝强度。
为了提高道岔的侧向过岔速度,需要选择合适的线型和增大道岔导曲线半径。
导曲线半径的取值主要由影响旅行舒适度的欠超高和欠超高的时变率的大小(或由动能损失ω,未被平衡的离心加速度α,未被平衡的离心加速度增量φ)来决定。
该值越小、旅行舒适度越高,但道岔越长,故在设计道岔时必须研究欠超高和欠超高时变率的取值,以求设计的道岔具有最合适的技术经济指标。
二、我国高速道岔的设计特点
对高速道岔的要求
在“时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定”中,与道岔设计有关的规定了下列内容:
3.1.10直线与圆曲线间应采用缓和曲线连接。
缓和曲线宜采用三次抛物线。
8.3.2道岔的选择应符合下列规定:
●正线上的道岔直向允许通过速度不应小于200km/h,并采用可动心轨道岔。
●正线与到发线,到发线与到发线连接的道岔,侧向通过速度超过50km/h,但不大于80km/h时应采用18号单开道岔。
●区间渡线应采用大号码单开道岔,车站咽喉区两正线间的渡线应按功能需要
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- 第六章 道岔铺设 第六 道岔 铺设