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司道林1，2，王树国1，2，葛晶1，2，王猛1，2，钱坤1，2，杨东升1，2 （1. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081； 2. 中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081） 摘 要：道岔是高速铁路关键基础设施之一，我国铺设了CN（德国）、CZ（法国）和客专线（中国）3种技术系列的高速铁路道岔。截至目前，3种技术系列的道岔均经历了8年以上的运营实践，总体状态良好，满足高速行车需求。但运营中也暴露出道岔区车体异常晃动、轨道部件伤损频繁、钢轨快速磨耗等问题，影响道岔区动力学性能。对道岔区存在的问题进行总结分类，并阐述形成机理及应对措施，为相关研究提供借鉴。 关键词：高速铁路；铁路道岔；结构体系；钢轨磨耗；运营现状；动力学 0 引言道岔是高速铁路轨道的关键设备，与普通铁路道岔不同，高速铁路道岔（简称高铁道岔）运行速度高、维修时间短，因此要求具有更高的安全性、舒适性和可靠性，这对道岔设计、制造、铺设和维修均提出更高要求。综合考察其他国家情况，高铁道岔均经历了长期的发展过程，为适应不断变化的运营环境，技术几经更迭，我国高铁道岔也经历了一个学习借鉴、自主研发的过程。 自2005年，我国开始自主研发高铁道岔，陆续开展一系列道岔试验。2006年，时速250 km的18号客运专线道岔（简称客专线道岔）在胶济线上道铺设使用，实现了高铁道岔多项技术突破。2009年，时速350 km的18号客专线道岔在武广高铁上道铺设使用，使行车速度达到世界水平。截至2012年，我国高速铁路历时6年成功研发了18、42和62号道岔，可满足不同速度等级的需要，已成功应用于石太、胶济、甬台温、温福、福厦、广珠、武广、京沪、沪宁、沪杭、哈大、京石、石武等高铁及客运专线。自主研发的同时，引进德国和法国的高铁道岔技术，并通过合资建厂与技术转让的方式在我国生产，供应我国市场。德国CN技术系列道岔于2008年在京津城际铁路上道铺设使用，后续在京沪高铁和武广高铁等线路上应用。法国CZ系列道岔于2008年在合宁客专上道铺设使用，后续在合武客专和郑西高铁上应用[1-4]。我国高速铁路铺设了客专线、CN和CZ三种技术系列道岔，由此形成了多国道岔技术并存、结构形式多样的高速铁路道岔技术体系。 1 道岔结构体系1.1 客专线技术系列客专线技术系列道岔为我国自主研发道岔。2005—2010年，共设计了18、42和62号3种道岔。18号道岔适应铺设于有砟和无砟2种轨下基础，直向容许通过速度分为250和350 km/h两种，侧向容许通过速度为80 km/h；42号道岔适应铺设于有砟和无砟2种轨下基础，直向容许通过速度350 km/h，侧向容许通过速度为160 km/h；62号道岔仅设计适应于无砟轨下基础的结构部件，直向容许通过速度350 km/h，侧向容许通过速度为220 km/h。 截至2015年，客专线道岔铺设数量超过5 000组，占我国高铁道岔铺设总量的75%以上，远超CN和CZ两种技术系列道岔铺设数量之和。 客专线道岔根据未平衡离心加速度≤0.5 m/s2、未平衡离心加速度变化率≤0.4 m/s3的标准限值确定道岔侧向线型参数。18号道岔线型由R 1 100 m的单圆曲线构成；42号道岔线型由圆曲线R 5 000 m+抛物线构成；62号道岔线型由圆曲线R 8 200 m+抛物线构成。42号和62号道岔侧向容许通过速度较高，用复合曲线线型可减小未平衡离心加速度的变化率。 客专线道岔基本轨采用TB 60 kg/m钢轨，材质与区间线路相同，用于客货共线时速250 km线路时采用U75V（抗拉强度980 MPa）；用于时速350 km客专时采用U71MnK（抗拉强度880 MPa），设1∶40轨底坡。尖轨采用60D40钢轨制造，材质与基本轨相同，顶面加工1∶40轨顶坡，尖轨跟端锻压成普通钢轨断面，并扭转1∶40斜度便于与区间线路钢轨焊接。 1.2 CN技术系列CN技术系列道岔源自德国BWG公司，由中外合资的新铁德奥道岔公司生产供应我国市场，分为18、39.113、42和50号4种。18号道岔直向容许通过速度分为250和350 km/h两种，侧向容许通过速度均为80 km/h，适应有砟和无砟2种轨下基础。其他3种号码道岔仅设计适应于无砟轨下基础的结构部件，直向容许通过速度均为350 km/h，其中：39.113和42号道岔的侧向容许通过速度为160 km/h；50号道岔的侧向容许通过速度为220 km/h。39.113号仅在京津城际铺设2组，50号道岔仅在武广铺设8组，铺设数量较少、范围较小，为便于今后养护维修、简化道岔种类，逐渐被限制使用。 CN道岔根据未平衡离心加速度≤0.45 m/s2、未平衡离心加速度变化率≤0.59 m/s3的标准限值确定道岔侧向线型参数。18号道岔线型由R 1 100 m的单圆曲线构成；39.113号道岔线型由圆曲线R 4 000 m+抛物线构成；42号道岔线型由圆曲线R 4 100 m+抛物线构成；50号道岔线型由圆曲线R 7 300 m+抛物线构成。大号道岔侧向容许通过速度较高，用复合曲线线型可减小未平衡离心加速度的变化率。 此外，CN道岔采用轨距优化技术（FAKOP），减小道岔区固有不平顺对行车平稳性的影响程度，提高道岔区动力学性能。轨距优化一般设置于转辙区，自尖轨尖端开始，至尖轨跟端结束，轨距最大加宽量为15 mm（见图1）。  图1 轨距加宽技术示意图 CN道岔基本轨采用TB 60 kg/m钢轨断面，尖轨采用60E1A1（即Zu1-60）钢轨制造，尖轨和基本轨材质为350HT硬质轨，抗拉强度为1 175 MPa。基本轨设1∶40轨底坡，尖轨顶面加工1∶40轨顶坡，尖轨跟端锻压成普通钢轨断面，便于与区间线路钢轨焊接。 1.3 CZ技术系列CZ技术系列道岔源自法国Cogifer公司，通过技术转让由宝鸡桥梁厂生产供应我国市场，设计生产了18和41号2种。18号道岔仅设计适应于有砟轨下基础的结构部件，直向容许通过速度分为250和350 km/h两种，侧向容许通过速度为80 km/h；41号道岔直向容许通过速度350 km/h，侧向容许通过速度分为2种，用于有砟基础时为160 km/h，用于无砟基础时为220 km/h。由于我国高速铁路正线道岔重新规划为18、42和62号3种号码，以及CZ道岔转换设备等方面原因，逐渐被限制使用。 CZ道岔根据未平衡离心加速度≤0.5 m/s2、未平衡离心加速度变化率≤0.4 m/s3的标准限值确定道岔侧向线型参数。18号道岔线型由R 1 100 m的单圆曲线构成，42号道岔线型由圆曲线R 4 500 m+抛物线构成，用复合曲线线型可减小未平衡离心加速度的变化率。 道岔区尖轨、基本轨的类型和材质选型原则与客专线道岔一致。 2 运营现状3种技术系列道岔均经过8年的运营实践，总体状态良好，可满足设计时速的运营要求。随着运营时间的不断累计，陆续展露出一些问题，如道岔区车体异常横向晃动，18号道岔曲尖轨严重磨耗，CN辙叉区轨道部件频繁伤损。道岔区车体异常横向晃动和18号道岔曲尖轨磨耗在3种类型道岔均有发生。车体异常横向晃动问题偶尔发生，严重时影响平稳性，曲尖轨磨耗普遍存在于3种技术系列的18号道岔，属系统性问题。 2.1 道岔区车体异常横向晃动典型道岔区车体异常横向晃动曾先后出现3次，分别为：（1）2006年胶济线18号道岔；（2）2008年合宁客专CZ18号道岔；（3）2011年京沪高铁黄渡线路所CN42道岔。以京沪高铁为例，CRH380AL动车组通过黄渡线路所道岔时，车体横向加速度普遍超过Ⅰ级限度0.6 m/s2，占比约40%的车体横向加速度超过Ⅱ级限度1.0 m/s2，最大值接近Ⅲ级限度1.5 m/s2（见图2）。CRH2型动车组车体晃车程度更为严重，幅值达到2.2 m/s2，超过Ⅳ级限度2.0 m/s2，超过维规中的限值要求，不得不限速运行[5]。 通过前期大量研究发现，上述3个典型晃车案例均与尖轨降低值密切相关。现场实测胶济线晃车道岔发现，尖轨实际降低值较设计值大1.5～2.0 mm，势必导致尖轨无法及时承载，在踏面锥度作用下，尖轨侧滚动圆半径小于基本轨侧，轮对持续向尖轨侧横移，轮缘根部与尖轨轨肩接触，此时车轮踏面尚未与轨顶接触（见图3）。较大轮对横移量诱发车体产生大幅横移，从而导致车体向尖轨侧产生明显晃动[6-7]。通过调整尖轨与基本轨的相对高差，使得尖轨轨顶及时承载，轮对两侧滚动圆半径相当，抑制轮对横移，有效解决了晃车问题。  图2 CRH380AL动车组通过黄渡线路所道岔车体加速度  图3 尖轨表面接触光带 对胶济线晃车病害的整治经验表明，尖轨降低值是影响列车通过道岔区平稳性的重要因素，对尖轨降低值的认识有了里程碑式的意义。设计时速350 km道岔时，将尖轨等高断面的宽度由50 mm提前至40 mm，目的就是在保障尖轨强度允许的前提下，尽可能使尖轨提前承载，缩短轮载过渡区长度，抑制轮对横移幅值，从而减小道岔区固有不平顺对行车平稳性的影响。 2.2 辙叉区轨道部件频繁伤损CN技术系列18号道岔铺设使用以来，在运营实践阶段陆续出现下拉装置频繁损坏、翼轨轨撑T型螺栓折断和弹簧垫圈断裂问题（见图4）。轨道部件的伤损均发生在可动心轨辙叉的同一区域，即轮载在翼轨和心轨过渡区域。  图4 轨道部件伤损 现场试验发现，列车侧向通过辙叉时翼轨横移量值、轮轴横向力、脱轨系数明显大于常规值。以轮轴横向力为例，当通过速度超过80 km/h时，轮轴横向力超过50 kN，而轮轴横向力一般小于20 kN（见图5）。目前，对于CN辙叉区异常轮轨动力响应的形成机理尚不明确，今后将进一步开展计算分析和现场试验，研究列车通过辙叉区时轮轨力的过渡变化规律，分析异常轮轨横向荷载形成原因。  图5 辙叉区轮轴横向力 2.3 曲尖轨异常磨耗3种技术系列中18号道岔采用R1 100 m侧向线型。列车通过道岔侧向时轮缘参与导向，曲尖轨产生明显磨耗现象。以沪宁城际为例，开通至今已更换20余根曲尖轨。对于侧向开通频繁的岔位，约2年就因磨耗到限更换曲尖轨。 为获得尖轨磨耗特征，对镇江站2#和11#岔位的曲尖轨磨耗进行了定期观测。分析发现，距尖端0～5 m的磨耗量最大（见图6），这意味着列车进入道岔后，在尖轨前端轮缘即贴靠尖轨参与导向。因此，为延长曲尖轨寿命，除尽可能减小轮缘导向力外，还应避免轮缘在尖轨前端参与导向，这就要求改变轮对在道岔区的运动行为。  图6 尖轨磨耗特点 尖轨线型是影响道岔动力学性能的决定性因素，通过改变尖轨线型来延长尖轨寿命已在重载铁路道岔中得到成功应用，今后将进一步开展深入研究。结合高铁道岔的结构特点，优化18号道岔尖轨线型，改变轮对运动行为，以实现延长尖轨寿命的目的。 3 结束语我国高铁道岔由客专线、CN和CZ三种技术系列构成，可满足直向通过时速350 km、侧向通过时速80、160和220 km的行车需求。多年的运营实践表明，3种技术系列道岔总体状态良好，满足运营与维护的要求。 运营过程中，出现道岔区车体异常晃动、曲尖轨异常磨耗、轨道部件频繁伤损等病害。研究表明，尖轨降低值是影响行车平稳性的重要因素，轨道部件频繁伤损与轮轴横向力密切相关，改变轮对运动行为是延长曲尖轨寿命的根本措施。病害整治成果和经验将为下一代高铁道岔技术更新奠定基础。 参考文献 [1]王树国，葛晶，王猛，等．高速道岔关键技术试验 研究[J]. 铁道学报，2015，37(1)：77-82. [2]中国铁道科学研究院铁道建筑研究所．我国高速道 岔技术比较与运营实践[R]．北京，2013. [3]中国铁道科学研究院铁道建筑研究所．高速铁路道 岔设计技术[R]. 北京，2010. [4]王平. 高速铁路道岔设计理论与实践[M]. 成都：西 南交通大学出版社，2011. [5]王树国. 我国铁路道岔现状与发展[J]. 铁道建筑， 2015(10)：42-46. [6]王树国，司道林，王猛，等. 高速铁路道岔尖轨降低 值对行车平稳性的影响机理研究[J]. 中国铁道科学， 2014，35(3)：28-33. [7]葛晶，王猛，钱坤，等. 我国铁路道岔型号简统化分 析研究[J]. 中国铁路，2015(9)：48-51. High-Speed Railway Turnout Technological System and Application SI Daolin1，2，WANG Shuguo1，2，GE Jing1，2，WANG Meng1，2，QIAN Kun1，2，YANG Dongsheng1，2 Abstract：Turnout is a critical component of high speed railway. Currently there are three series of highspeed turnout applied in China, namely CN (Germany), CA (France) and PDL (China) series. So far, all these three series of turnouts have been in service for more than 8 years, having shown good performance to meet the requirement of high-speed operation. However, some issues also exist, such as abnormal vibration of carbody in the turnout section, more damages of track components, early wear of rail, etc, which might impact the dynamic performance of high-speed train in the turnout section. The issues existing currently in the turnout section are classi fi ed and corresponding countermeasures proposed for reference of relevant research. Keywords：high-speed railway；railway turnout；structure system；rail wear；operation status；dynamics 中图分类号：U213.6 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2017）12-0018-05 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.018 基金项目：中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2015YJ026、2015YJ092） 第一作者：司道林（1983—），男，副研究员。E-mail：sidaolin@163.com 责任编辑 李葳 收稿日期 2017-09-03 |
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