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高速铁路道岔类型与结构特点




作者:AsiaGaming     发布时间:2020-11-09 20:22

  高速铁路道岔类型与结构特点道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道的线路设备,是铁路轨道的重要 组成部分和系统集成。道岔是线路上的薄弱环节,是养护维修的重点和难点,是影响列 车运行速度和安全的关键设备,是高速铁路建设中的关键技术之一 [1-2] 1.1高速道岔的主要类型 高速道岔是指直向容许通过速度为250 km/h 及以上的铁路道岔,其中侧向容许通过 速度为 160 km/h 及以上的高速道岔被称为侧向高速道岔。与其他道岔相比,侧向高速道 岔的号码要大一些,长度要长一些。 1.1.1 高速道岔的组成 高速道岔由钢轨、扣件系统、岔枕及有砟道床或无砟轨道等轨下基础、转换设备、 监测系统、融雪装置、道岔前后轨道刚度过渡段等部分组成 岔结构复杂,因此高速道岔一般均为单开道岔,也是由转辙器、辙叉和导曲线 高速道岔的分类 高速道岔的分类方法有很多,主要有以下几种。 按直向容许通过速度:可分为250 km/h、350 km/h 两种类型。 按侧向容许通过速度:可分为80 km/h、120 km/h、160 km/h、220 km/h 四种 类型。 按道岔功能:可分为正线道岔、渡线道岔和联络线道岔三种类型。其中正线道岔位于车站咽喉区,实现列车由正线进出到发线的功能;渡线道岔位于车站咽喉区外,实 现列车在上下行线 所示;联络线道岔也位于车站咽喉区外, 实现列车在两条高速线间换线运行的功能。其中,正线道岔侧向容许通过速度为 80 km/h,渡线道岔侧向容许通过速度为 80~160 km/h,联络线道岔侧向容许通过速度 120~220km/h。 按轨下基础类型:可分为有砟道岔及无砟道岔两种类型。有砟道岔采用预应力混凝土岔枕;无砟道岔的轨下基础又可分为埋入式混凝土岔枕和道岔板两种类型,但道岔 钢轨件是相同的。 (a)渡线道岔布置图 (b)动车组在上下行线渡线道岔 按道岔号码:可分为18 号、30 号、42 号、62 号等,法国与德国的侧向高速道岔 在不同线间距线路中铺设时可为非整数号码,如 39.113 按辙叉类型:可分为可动心轨辙叉及固定型辙叉,我国高速道岔全部为可动心轨辙叉,其他国家 250 km/h 的高速道岔也有采用固定型辙叉的情况。 按轨底坡大小:可分为140 120轨底坡两种类型,我国和德国高速道 140,法国高速道岔轨底坡为120。 其他分类方式:高速铁路基本上采用的是60 kg/m 钢轨、标准轨距、跨区间无缝 线路,因而高速道岔一般不按钢轨、轨距、接头类型分类。 高速道岔通常按钢轨类型、直向容许通过速度、轨下基础及道岔号码来命名,如 60 kg/m 钢轨时速 350 km 无砟轨道 18 号单开道岔。 1.2 高速道岔的技术要求 高速道岔集中了钢轨、扣件、轨枕、有砟道床、无砟轨道等轨道结构技术,路基及 桥上无缝线路、轮轨关系、电务转换与轨道电路等相关专业的接口技术,以及精密机械 制造、机械化铺设与养护、控制测量、信息化管理等多学科的交叉技术,系统复杂,技 术难度大,技术性能高 1.2.1良好的技术性能 高速道岔的技术性能主要体现在以下方面。 1.2.1.1 高速度 高速道岔要求直向容许通过速度与区间线路相同,不能成为高速铁路线上的限速设 备;侧向容许通过速度也相对较高,不能显著地影响高速铁路的通过能力。而且为确保 其安全性,直向设计速度尚需预留 10%的安全裕量,侧向设计速度尚需预留 10 km/h 安全裕量。1.2.1.2 高安全性 高速道岔要求动车组以设计速度侧向通过时,其减载率、脱轨系数等安全性指标与 区间线路相同;尖轨及可动心轨的开口量在容许限度内,不得发生车轮撞击尖轨及心轨 尖端的事故;道岔转换设备显示正常,不得出现“红光带”及信号异常现象;可动轨件锁闭 牢固,不得因异物落入尖轨与基本轨、心轨与翼轨密贴区段或因异物撞弯转换杆件而导 致车轮掉道;监测系统应作为高速道岔的必要组成部分,以便能及时发现异常转换、尖 轨与基本轨的密贴超限、可动心轨与翼轨的密贴超限、钢轨折断等危及行车安全的故障 及隐患;寒冷地区应安装融雪装置,以确保雨雪天气情况下在道岔转辙器及辙叉部分不 会出现积雪、积冰而影响其正常转换;等等。 1.2.1.3 高平稳性 高速道岔要求动车组以运营速度直侧向过岔时,不出现明显的“晃车”现象,横向与区 间线路具有相同的旅客乘坐舒适度;综合检测车或轨检车过岔时,车体横向加速度不出现 级超限(根据我国高速铁路的计划维修标准,对应的车体横向水平加速度为 0.6 1.2.1.4高舒适性 高速道岔要求动车组以运营速度直侧向过岔时,在竖向上与区间线路具有相同的旅 客乘坐舒适度,不会在进出岔时出现类似于桥头的“跳车”现象,不会在岔区内因轨道整体 刚度的分布不均而出现过大的竖向振动;综合检测车或轨检车过岔时,车体垂直加速度不出 现级超限(根据我国高速铁路的计划维修标准,对应的车体垂直加速度为 1.0 1.2.1.5高可靠性 高速铁路采用的是白天全线封闭运行、夜间开“天窗”维修养护的运营模式,要求高 速道岔具有更高的可靠性,不出现转换故障、密贴检查失效等问题。 1.2.1.6 高平顺性 高速铁路要求所有的轨道结构必须具有高平顺性,高速道岔当然也不例外,要求道 岔的方向及高低几何形位偏差、各部件密贴间隙在容许范围内,转换不足位移不至于影 响轨距偏差,轮轨关系所形成的结构不平顺不至于影响列车的平稳运行。 1.2.1.7 高精度 道岔是由数千个零部件组合而成的,各零部件均有制造误差,为满足高速道岔对组 装几何尺寸及密贴的高平顺性要求,需要高速道岔的制造与组装必须达到高精度(根据 我国高速铁路的计划维修标准,最严格的密贴精度要求达到 0.2 mm)。 1.2.1.8 高稳定性与少维修 高速道岔还要求在高速列车及温度等荷载的作用下强度储备高,不易发生较大的残 余变形,具有较高的结构稳定性和较少的养护维修工作量。 1.2.1.9 易维修 随着运营时间延长、通过总重增加、道岔工作状态恶化影响,一旦出现轨道不平顺 超限、部件严重伤损需要进行维修或更换时,应能在天窗时间内方便快捷地进行处理, 并能尽快按正常速度开通线路,要求高速道岔结构设计必须考虑维修作业手段与维修工 艺,易于维修。 1.2.2 良好的经济性 道岔中的尖轨、心轨等部件因引导车轮转向承受着较大的轮轨作用力,而其钢轨断 面较薄,易发生磨耗及损伤,使用寿命较短,需要经常更换。而高速道岔的使用数量多, 高速铁路平均每 30km 需要设置一个车站,每个车站至少需要铺设 组高速道岔。因此,高速道岔的维护费用较高,这要求高速道岔具有良好的经济性。 1.2.3 良好的适应性 高速道岔不仅需要铺设在有砟轨道中,还要铺设在不同地质条件的无砟轨道中,同 时还有可能需要铺设在寒冷地区,这要求高速道岔具有良好的气候与环境适应性。我国 高速铁路主要采取“以桥代路”建设模式,桥梁占比较高,高架车站是不可避免的。因此, 高速道岔有可能铺设在桥梁上,车站也有可能设置在隧道内,这要求高速道岔应具有不 同基础结构的适应性。 1.3 高速道岔的技术特点 1.3.1系统集成 高速道岔是由工务(包括道岔钢轨、扣件、岔枕及轨下基础)及电务(转换系统、 监测系统、融雪设备)两部分所组成的,两者是实现道岔转线功能所必需的、不可分割 的有机组成部分,以确保其高技术性能。可以说高速道岔是高精度的机电设备,而不是 普通的土工结构物。 高速道岔还是高速铁路钢轨、高速铁路扣件、无砟轨道、无缝线路等轨道结构新技 术的集成,同时也是设计、制造、运输、铺设、维护新技术的应用集成。因此,可以说 高速道岔是一个国家高速铁路轨道结构技术水平的代表。 1.3.2 理论指导与实践检验 因高速道岔是关系到高速列车运行安全与平稳性的关键设备,其设计需要轮轨关系、 轨道刚度、无缝线路等多方面的理论指导,还需要经过多次的逐级提速实现车动测试验 的考核以及较长时间的运营实践检验,才能形成定型产品并推广应用。 1.3.3 先进的制造与铺设工艺 为满足高速道岔的高技术性能要求,道岔制造要求采用长大的数控龙门铣床、高精 度的数控锯钻、大吨位的压力机、先进的焊轨机、大型的吊装机械、高精度的组装平台 等现代化的生产装备、生产工艺及检测设备。应树立细节决定成败的精品道岔理念,制 订严格的原材料、外购件与生产过程质量管理体系,形成以道岔厂为责任主体的集成供 货与驻厂监造制度。 高速道岔的铺设是确保其高技术性能极其重要的环节,开通即达到容许通过速度是 高速道岔铺设成功的标志,需要采用机械化的作业手段、标准化的施工工艺以及专业化 的施工队伍。 1.3.4 科学的维护与管理 由于高速铁路线白天全封闭运行,只能在夜间“天窗”时间对其进行检测与维护。为长 期保持道岔的高技术性能,减少养护维修工作量,同时对其工作状态做到有序可控, 需要采用信息化、科学化的养护维修方法,形成以可靠性为中心的高速道岔现代维修 机制。 1.4 世界各国研制的高速道岔 1.4.1 法国的高速道岔 1975年开始,科吉富(Cogifer)公司就成为法国国铁最紧密的合作伙伴。1981 年科吉富公司设计和制造了第一代高速道岔,采用木岔枕,并研究设计了单支三次抛物 线 号侧向高速道岔,实现了 270 km/h 的行车速度。第二代高速道岔主要是 将单支三次抛物线改为圆缓线型,采用混凝土岔枕、有砟道床,1990 年创造了 501 km/h 直向过岔的世界纪录。目前,法铁在巴黎至马赛的线路上普遍应用的是第三代高速道岔, 行车速度达到 300 km/h。第四代道岔主要是在第三代的基础上采用了 NiCr 减磨镀层和可 调辊轮,将应用于速度 330 km/h 以上的新建铁路线 所示。法国高速道岔经 过了上万次的试验,技术日趋成熟,目前世界各国应用科吉富公司的高速道岔大约有 1200 多组,我国郑西、合宁、合武线 平面线型 法国高速铁路的道岔系列是 65 号、46 号、29 号、26 号、21 15.3号,侧向速度 分别为 230 km/h、170 km/h、160 km/h、130 km/h、100 km/h、80 km/h。侧向高速道岔主 要采用圆曲线+缓和曲线线型,其他高速道岔主要采用圆曲线线型。设计控制指标:在 侧向速度为 70~170 km/h 时,未被平衡的离心加速度 ,欠超高最大值为100 mm,欠超高时变率不超过 236 mm/s;在侧向速度为 170~230 km/h 时,未被平衡的 离心加速度 ,欠超高最大值为85 mm,欠超高时变率不超过 260 mm/s。 1.4.1.2 转辙器部分 法国高速道岔尖轨采用整根 轨加工制造,主要采用UIC60D 轨,不淬火,强度为 880MPa。为减少无缝道岔尖轨的伸缩位移,道岔中的扣件纵向阻力不低于线路阻力,单 组扣件扣压力大于 12 kN,并尽可能降低尖轨的自由段长度,在尖轨跟端较窄处,采用异 Nabla扣件[见图 1.3(a)]或 Vossloh 公司的 USK2 弹条、Skl24 弹条扣件进行扣压[见 1.3(b)]。法国高速道岔采用如图 1.4 所示的无需润滑的或带辊轮的滑床板将尖轨的转换由滑 动摩擦转变为滚动摩擦,可减小转换阻力及不足位移,降低转换阻力;增加牵引点数, 缩短最后一牵引点与尖轨跟端的距离并在两尖轨间设置联杆来保持尖轨线型。 (a)异型 Nabla 扣件 (b)异型 Vossloh 扣件 1.3尖轨跟端的异型扣件 1.4减磨滑床板 法国高速道岔设置了如图 1.5 所示的“几形”弹性夹,其扣压力与普通扣件相当,可实 现基本轨内侧的弹性扣压,大幅度提高了基本轨抵抗外翻的能力。采用专用工具时,弹 性夹的装卸较为方便。 1.5法国道岔所使用的弹性夹 法国在轮对动力学分析的基础上,依据列车蛇行运动的幅度与轨底坡、临界速度速 度的关系,得出 250 km/h 以上的高速道岔宜设置 120 的轨底坡,可以使车轮踏面的等 效锥度设计值控制在 0.1 以内,车轮磨耗后等效锥度最大值不超过 0.15。 1.4.1.3 辙叉部分 法国道岔心轨材质与尖轨相同,长短心轨采用嵌入拼接式,用哈克螺栓(工厂)或 高强度螺栓(现场)联接。为降低列车通过辙叉时的横向不平顺,采用了心轨水平藏尖 式结构,如图 1.6 所示。 1.6心轨水平藏尖结构 辙叉跟端为长间隔铁结构,心轨与翼轨每侧采用 块间隔铁、弹性套筒式防松螺栓联接(见图 1.7),各螺栓所承受的岔后长钢轨所传递的纵向力近似相等,且能通过长翼 轨将该纵向力传递给导曲线钢轨。 (a)整体结构 (b)跟端结构截面图 (c)间隔铁结构图 1.7辙叉跟端结构 法国高速道岔辙叉翼轨为整铸高锰钢“摇篮式”结构,如图 1.8 所示,前端采用闪光焊 与普通钢轨在厂内焊接,后端焊接 A74 钢轨,结构稳定性好,心轨及翼轨不会发生外翻。 心轨第一牵引点处电务装置从底部伸出,牵引心轨。另有三个“U 形”托槽,托住心轨并在 滑床台上滑动(见图 1.9),所能容许的心轨伸缩位移较大。心轨牵引点位置较高,这样 心轨不易发生外翻现象。 1.8整铸“摇篮式”辙叉 1.9心轨托槽 1.4.1.4 扣件系统 法国高速铁路道岔与区间线路一致,主要采用 Nabla 弹片式扣件。由于在使用中道 岔钢轨磨耗很小,轨距变化不大,所以道岔区轨距不可调。 科吉富公司为我国设计的有砟道岔采用 Vossloh 公司的 Skl-12 窄型弹条,轨下设置 mm橡胶垫层,铁板下设置 mm橡塑垫板;滑床台部分轨下不设弹性垫层,板下设 mm橡胶垫层;跟端固定区轨下及板下各设置 4.5 mm 橡胶垫层。铁垫板与岔枕的联接采用双 排24 高强螺栓结构,板下可设调高垫层,实现 0~10 mm 的调高量。不设轨距块,轨距 调整依靠铁垫板端部的月牙挡块实现,可实现-4~+2 mm 的调距量,如图 1.10 所示。 1.10有砟道岔扣件系统 Cogifer 公司为我国设计的无砟道岔采用 Vossloh 公司的 W300 扣件系统,采用 Skl-15 弹条,轨下设 mm橡胶垫层,板下设 12 mm 弹性垫层。铸铁挡肩与岔枕上的 形槽相配合,锚固螺栓受力点较低。板下设置调高垫层,可实现-4~+26 mm 的调高量,绝缘 轨距与调整垫片相配合实现轨距调整,调距量为-4~+8 mm,如图 1.11 所示。 1.11无砟道岔扣件系统 法国高速铁路有砟轨道与其他国家不同,扣件系统刚度较大,道床刚度较小。道岔 区垫层刚度的确定原则是控制岔枕的垂直位移不超过 0.5~0.7 mm,钢轨的垂直位移不超 mm。道岔区道床为级配均匀的优质花岗岩特级道砟(见图1.12),所提供的弹性为 枕下支承刚度 40~60 kN/mm,在转辙器部分及辙叉部分弹性垫层的静态刚度为 200~ 250 kN/mm,岔区及与区间线路轨道刚度的过渡在 内完成,这样在静轮重作用下,钢轨的垂直位移为 0.9 mm(见图 1.13)。 1.12颗粒均匀的法国道砟 1.13轨道位移 法国道岔扣件系统刚度设置的优点是有利于控制尖轨及可动心轨,相对于基本轨、 翼轨的位移,有利于降低钢轨的应力、控制岔区轨距的动态扩大、减少扣件的扣压力损 失;其缺点是轨下垫层刚度偏大,从动力学的角度考虑,轨道整体刚度越大,附加动轮 载、钢轨接触疲劳伤损、轨枕及道床受力与位移、列车受力及振动加速度越大,有可能 给道岔钢轨的养护维修带来不利影响。 1.4.1.5 轨下基础 法国高速铁路道岔主要为有砟道床,采用整体式预应力混凝土轨枕,如图 1.14 所示, 允许承载能力为25 kNm,所用钢筋为无螺纹圆截面钢筋,两端带有锚具,岔枕内预埋 塑料套管。为避免长岔枕未行车股道的一端有翘起和拍打道床的现象,开发了如图 1.15 所示的铰接式岔枕,但应用较少,主要通过加强该部位的道砟捣固来解决。

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