三線套軌鐵路道岔曲線形鈍角轍叉設計

楊啟武 邢明照 姚彬 于浩然

1.中國港灣工程有限責任公司，北京100027；2.石家莊鐵道大學，石家莊050043

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，與世界各國的經(jīng)濟往來越來越頻繁，國際地位不斷提高。在這樣的大背景下，習近平總書記提出了一帶一路倡議，即絲綢之路經(jīng)濟帶和海上絲綢之路。構(gòu)建絲綢之路經(jīng)濟帶要創(chuàng)新合作模式，加強“五通”，即政策溝通、設施聯(lián)通、貿(mào)易暢通、資金流通和民心相通，以點帶面，從線到片，逐步形成區(qū)域大合作格局。其中，基礎(chǔ)設施聯(lián)通是基礎(chǔ)性關(guān)鍵領(lǐng)域，而鐵路聯(lián)通則是設施聯(lián)通的優(yōu)先領(lǐng)域。

縱觀國際鐵路市場，隨著我國一帶一路倡議的縱深推進，一批新的國際鐵路已納入規(guī)劃或正在進行前期的研究工作。國際鐵路建設中面臨著不同國家軌距標準不同的難題，甚至在同一國家內(nèi)部也存在著不同的軌距，不同軌距鐵路網(wǎng)銜接融合的需求巨大。歐洲、非洲、孟加拉國、越南、巴基斯坦等一帶一路沿線國家軌距差異較大，主要有1 000、1 067、1 435、1 520、1 676 mm等軌距。一般的處理方法是采用1 435 mm標準軌距將寬軌距或窄軌距的線路串聯(lián)起來，共用軌枕和路基，形成套軌鐵路。

在各種套軌鐵路中，采用1 435 mm/1 000 mm套軌形式的線路較多，其既能滿足1 000 mm窄軌列車和1 435 mm標準軌列車共同使用線路的要求，又能節(jié)約土地和建設資金，減輕環(huán)境污染，提高鐵路的運輸能力。因1 435 mm/1 000 mm套軌鐵路一般采用3根鋼軌，故稱為三線套軌鐵路，相應的道岔稱為三線套軌道岔。與既有道岔相比，三線套軌道岔形式更加多樣，結(jié)構(gòu)更加復雜，設計過程中面臨著軌件與零部件空間布置的難題，其中轍叉設計更為突出。本文針對轍叉的設計問題進行深入研究。

1 鈍角轍叉平面設計

1.1 三線套軌道岔形式分析

三線套軌鐵路中的標準軌線路和米軌線路按照直行、朝共用軌轉(zhuǎn)向、朝非共用軌轉(zhuǎn)向三種方式進行組合。三線單開套軌道岔可分為14種結(jié)構(gòu)形式，其中最典型的兩種道岔結(jié)構(gòu)形式（圖1）為：①套軌朝共用軌一側(cè)轉(zhuǎn)向，套軌直行；②套軌朝非共用軌一側(cè)轉(zhuǎn)向，套軌直行。

圖1 三線單開套軌道岔典型形式

由圖1可知，無論哪種形式的三線套軌道岔均存在鈍角轍叉。鈍角轍叉能夠?qū)崿F(xiàn)標準軌列車跨越米軌線路、米軌車跨越標準軌線路。

1.2 機車及道岔設計參數(shù)

CK1E、CK1F、CKD7F型米軌機車主要設計參數(shù)見表1［1］。標準軌機車的主要設計參數(shù)參照《道岔構(gòu)造與設計》［2］。

表1 米軌機車主要設計參數(shù)

道岔設計時，采用軌距1 435 mm/1 000 mm的三線套軌，軌縫長度為8 mm。鋼軌為60 kg/m鋼軌。導曲線半徑350 m。岔枕為混凝土枕。直向過岔速度90 km/h，側(cè)向過岔速度50 km/h。

1.3 轍叉及護軌主要尺寸計算

鈍角轍叉平面尺寸見圖2。其中：tg1、tg2、tg3分別為曲線護軌平直段輪緣槽寬度、緩沖段終端輪緣槽寬度、開口段終端輪緣槽寬度；lp1、lp2、lp3分別為鈍角轍叉護軌工作邊長度、鈍角轍叉護軌輪緣槽展寬部分工作邊長度、鈍角轍叉開口部分長度；lc1、lc2、lc3分別為鈍角轍叉心軌非工作邊有效部分長度、鈍角轍叉心軌非工作邊輪緣槽展寬部分長度、鈍角轍叉開口部分長度；x1、x2、x3分別為曲線護軌平直段長度、曲線護軌緩沖段長度、曲線護軌開口段長度；D1為查照間距。

圖2 鈍角轍叉平面

1）轍叉理論角計算

三線套軌道岔中的導曲線后無后插直線，且導曲線伸入到轍叉，鈍角轍叉只能采用曲線形。

根據(jù)標準軌距的尖軌工作邊曲率半徑R'與標準軌到米軌的距離S0的幾何關(guān)系（圖3），可求得曲線轍叉理論角α0［3］。α0=cos-1(R'-S0)/R'=cos-1(350 935-435)/350 935=2.853°。

圖3 曲線轍叉理論角

道岔號數(shù)為cotα0=20.06。可見，岔號數(shù)較大時須對護軌進行單獨設計。

2）輪緣寬度及查照間距計算

計算轍叉咽喉輪緣槽寬度t1時，考慮標準軌距的誤差為3 mm，標準軌距為1 435 mm，則計算軌距取1 438 mm；標準軌輪背距離最小值1 350 mm，輪緣厚度最小值22 mm，輪對車軸變彎后將導致車輪內(nèi)側(cè)的距離減小2 mm［2］。因此，t1=1 438-(1 350+22-2)=68 mm。

計算查照間距D1時，由于車軸的彎曲，輪背內(nèi)側(cè)的距離將變大，取經(jīng)驗值2 mm；標準軌輪背距離最大值為1 356 mm，輪緣厚度最大值為33 mm。因此，D1=1 356+33+2=1 391 mm。

3）曲線護軌輪緣槽寬度及長度計算

曲線轍叉比直線轍叉構(gòu)造復雜，養(yǎng)護維修困難。轍叉曲線工作邊一側(cè)須安裝曲線護軌，護軌的輪緣槽要適當加寬，因此道岔的正線和側(cè)線護軌不同。

計算護軌輪緣槽寬度tg1時，護軌的側(cè)面磨耗限度取經(jīng)驗值2 mm。根據(jù)導曲線半徑和查照間距，計算得出曲線護軌的輪緣槽加寬值為3 mm。因此，護軌平直段輪緣槽寬度tg1=1 435-1 391-2+3=45 mm。緩沖段終端輪緣槽寬tg2的計算條件與轍叉咽喉輪緣槽寬度t1的條件相同，tg2=t1+3=71 mm。開口段終端輪緣槽寬tg3取經(jīng)驗值93 mm［2］。

曲線護軌平直段從正對轍叉咽喉處起，到正對叉心寬50 mm處止。展寬段的彎折角度β0取1.54°。因此，護軌平直段長度為x1=(t1+50)/tanα0+600=2 968 mm；緩沖段長度為x2=(tg2-tg1)/tanβ0=(71-45)/tan1.54°=967 mm。護軌開口段長度x3取150 mm。

4）鈍角轍叉護軌長度及轍叉趾距和跟距計算

參照標準軌的計算方法計算米軌的查照間距D'1、護軌的平直段輪緣槽寬度t'g1和緩沖段終端輪緣槽寬t'g2。米軌軌距為1 000 mm，輪背距離最小值924 mm，輪緣厚度最小值20 mm?？梢运愕肈'1=955 mm；t'g1=1 000-955-2=45 mm；t'g2=1 000+3-(924+20-2)=61 mm。

為使米軌車輪的輪緣能夠順利進入鈍角轍叉護軌的輪緣槽內(nèi)，其鈍角轍叉護軌長度lp分三段計算，即lp=lp1+lp2+lp3。計算時，心軌實際尖端的寬度v0取經(jīng)驗值10 mm［2］，護軌沖擊角βy取經(jīng)驗值0.916 8°［2］。因此，lp1=2v0/sinα0+t'g1/sinα0=1 065 mm。lp2=(t'g2-t′g1)/sinβy=1 125 mm。lp3取經(jīng)驗值100 mm［2］。

同樣，鈍角轍叉心軌非工作邊側(cè)長度也分三段計算。lc1=40/sin(α0/2)=803 mm；lc2=lp2=1 125 mm。lc3仍可采用100～150 mm［2］，取經(jīng)驗值100 mm。

計算米軌鈍角轍叉最小趾距n'min和最小跟距m'min。n'min=lp1+lp2cosβy+100=2 290 mm；m'min=lp1+lc1+lc2cosβy+150=3 143 mm。

按照上述方法，將標準軌線路相應數(shù)據(jù)代入，可得標準軌鈍角轍叉的最小趾距nmin=1 740 mm，最小跟距mmin=2 900 mm。

根據(jù)既有轍叉的尺寸，本結(jié)構(gòu)的趾距n和跟距m初步均取3 300 mm［4］。

1.4 問題分析

根據(jù)套軌道岔配軌圖（圖4）進行配軌計算。

圖4 套軌道岔配軌示意

計算米軌直向線路鈍角轍叉趾端到前軌縫的距離l'。l'=R'sinα0-n-δ=14 159 mm。其中，δ為軌縫長度。鈍角轍叉前基本軌長度lj=12 500 mm。算得轍叉前端連接軌長度l3=1 659 mm，不符合連接軌長度要求（轍叉前端連接軌長不得小于4 500 mm［2］），故須將l3與前基本軌直接相連。

計算標準軌側(cè)向線路鈍角轍叉趾端到前軌縫的距離l1'。計算時轉(zhuǎn)轍角β取1.64°。l′1=l″1-n-δ=R'sin(α0-β)-n-δ=7 429-3 300-8=4 121 mm。其中l(wèi)″1為鈍角轍叉咽喉至標準軌尖軌跟端的距離。l′1不滿足連接軌長度的要求，又因該連接軌前為尖軌，無法采用上文中的方法將連接軌與尖軌直接相連，須對與其相連的鈍角轍叉進行特殊設計，形成兩趾距不相等的鈍角轍叉。根據(jù)鈍角轍叉最小尺寸要求，將該鈍角轍叉的兩趾距分別定為2 900、3 300 mm，跟距均為3 300 mm，即將鈍角轍叉趾距的400 mm與l′1進行合并，最終l′1取4 521 mm，滿足規(guī)范要求且轍叉的趾距和跟距均大于最小趾距和最小跟距［2］。

2 曲線形鈍角轍叉構(gòu)造設計

根據(jù)計算結(jié)果設計的非對稱鈍角轍叉如圖5所示。該轍叉有兩對心軌，每對心軌中有一根長心軌和一根短心軌。

圖5 非對稱鈍角轍叉（單位：mm）

曲線形鈍角轍叉由翼軌、心軌、一根護軌、緊固件和連接件組成，結(jié)構(gòu)布置如圖6所示。為了支承轍叉并保持轍叉位置的軌距，保證車輪過轍叉的平順性，在心軌、護軌以及翼軌底部與軌枕之間安裝固定鐵墊板。鐵墊板左端邊緣與左長心軌軌頭寬50 mm處對齊，右端邊緣與右長心軌軌頭寬50 mm處對齊。為了控制輪緣槽寬度，在各部輪緣槽的變化點處設置間隔鐵，如在轍叉的咽喉（A?A截面）、長心軌的理論尖端（B?B截面）、轍叉心軌軌頭寬50 mm、轍叉翼軌輪緣槽展寬部分末端、護軌平直部分的兩端、護軌輪緣槽展寬部分末端（C?C截面）等處設置間隔鐵［5］。

圖6 曲線形鈍角轍叉的結(jié)構(gòu)布置

為了防止車輪通過鈍角轍叉有害空間時護軌發(fā)生傾覆、扭曲以及縱橫向移動，在翼軌外側(cè)軌腰與鐵墊板頂面之間固定安裝軌撐，并在鐵墊板處設置附加護軌。在外側(cè)軌底與鐵墊板之間固定安裝轍叉扣鐵，在翼軌、護軌和附加護軌軌腰之間安裝間隔鐵。在護軌、翼軌和間隔鐵之間安裝緊固螺栓及緊固螺母，使其能夠形成一個整體，以確保轍叉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固，如圖6（b）所示。

為了防止長心軌翹起，在護軌軌腰與心軌尖端之間以及心軌與基本軌軌腰之間均安裝間隔鐵［6］。在護軌、心軌尖端、基本軌和間隔鐵之間安裝緊固螺栓，在緊固螺栓端部安裝緊固螺母，如圖6（c）所示。

為控制輪緣槽的寬度，保持轍叉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高機車運行的平穩(wěn)性，在護軌軌腰與長心軌軌腰之間安裝間隔鐵［6］。在右短心軌軌腰與護軌軌腰之間安裝間隔鐵。在護軌、間隔鐵、長心軌、短心軌、間隔鐵和基本軌之間安裝緊固螺栓，在緊固螺栓端部安裝緊固螺母，如圖6（d）所示。

3 轍叉跟端及護軌構(gòu)造設計

為保證輪緣槽寬度，并確保車輪滾壓在心軌或翼軌上時心軌與翼軌能夠一起下沉，須在轍叉跟端處設置間隔鐵，間隔鐵通過長螺栓與后部鋼軌相連接。因套軌道岔轍叉跟端布置空間受限，須在跟端位置設置大墊板以支撐轍叉［7］，使其成為整體并保持套軌道岔兩種軌距不變。

參照圖1所示形式，曲線形鈍角轍叉及護軌的結(jié)構(gòu)布置如圖7所示。

圖7 鈍角轍叉及護軌結(jié)構(gòu)布置

在鈍角轍叉及護軌空間受限的位置設置間隔鐵、鐵墊板、軌撐等扣壓裝置?！疤总壋灿密夀D(zhuǎn)向，套軌直行”的道岔中僅有米軌直行和標準軌轉(zhuǎn)向要通過鈍角轍叉；“套軌朝非共用軌轉(zhuǎn)向，套軌直行”的道岔中僅有米軌轉(zhuǎn)向和標準軌直行要通過鈍角轍叉，故在鈍角轍叉處設置兩根護軌即可。

護軌的緩沖段采用H形間隔鐵［8］（A?A截面），間隔鐵通過長螺栓與鋼軌連接，在其兩側(cè)支撐鋼軌的軌頭，保證護軌平直段輪緣槽寬度并使軌底具有一定寬度。

護軌的平直段不僅采用H形間隔鐵（B?B截面），還在護軌的外側(cè)設置軌撐，并安裝護軌墊板，以保持查照間距，防止護軌軌頭的橫向移動。

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有轍叉設計方案無法適用于三線套軌鐵路道岔的問題，分析了三線套軌鐵路道岔形式，結(jié)合世界各國鐵路軌距的分布特點，擬定設計參數(shù)，按照規(guī)范要求對鈍角轍叉進行了特殊設計。將鈍角轍叉的趾長與短連接軌進行合并，使得鈍角轍叉的趾長與跟長不等，形成一種曲線形鈍角轍叉，并在多處設置鐵墊板、間隔鐵、軌撐、扣鐵等連接件以加強鈍角轍叉的整體性，提高過岔的穩(wěn)定性和安全性，便于轍叉及護軌的組裝，簡化安裝程序，節(jié)約成本。本文采用的設計理論和設計標準是我國的設計理論和標準，推廣到國外時須依據(jù)鐵路屬地國標準進行進一步的屬地化設計。