高速鐵路道岔技術(shù)體系及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀

司道林，王樹國(guó)，葛晶，王猛，錢坤，楊東升

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；

2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

高速鐵路道岔技術(shù)體系及運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀

司道林1，2，王樹國(guó)1，2，葛晶1，2，王猛1，2，錢坤1，2，楊東升1，2

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；

2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

道岔是高速鐵路關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一，我國(guó)鋪設(shè)了CN（德國(guó)）、CZ（法國(guó)）和客專線（中國(guó)）3種技術(shù)系列的高速鐵路道岔。截至目前，3種技術(shù)系列的道岔均經(jīng)歷了8年以上的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，總體狀態(tài)良好，滿足高速行車需求。但運(yùn)營(yíng)中也暴露出道岔區(qū)車體異?；蝿?dòng)、軌道部件傷損頻繁、鋼軌快速磨耗等問(wèn)題，影響道岔區(qū)動(dòng)力學(xué)性能。對(duì)道岔區(qū)存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)分類，并闡述形成機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施，為相關(guān)研究提供借鑒。

高速鐵路；鐵路道岔；結(jié)構(gòu)體系；鋼軌磨耗；運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀；動(dòng)力學(xué)

0 引言

道岔是高速鐵路軌道的關(guān)鍵設(shè)備，與普通鐵路道岔不同，高速鐵路道岔（簡(jiǎn)稱高鐵道岔）運(yùn)行速度高、維修時(shí)間短，因此要求具有更高的安全性、舒適性和可靠性，這對(duì)道岔設(shè)計(jì)、制造、鋪設(shè)和維修均提出更高要求。綜合考察其他國(guó)家情況，高鐵道岔均經(jīng)歷了長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程，為適應(yīng)不斷變化的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，技術(shù)幾經(jīng)更迭，我國(guó)高鐵道岔也經(jīng)歷了一個(gè)學(xué)習(xí)借鑒、自主研發(fā)的過(guò)程。

自2005年，我國(guó)開始自主研發(fā)高鐵道岔，陸續(xù)開展一系列道岔試驗(yàn)。2006年，時(shí)速250 km的18號(hào)客運(yùn)專線道岔（簡(jiǎn)稱客專線道岔）在膠濟(jì)線上道鋪設(shè)使用，實(shí)現(xiàn)了高鐵道岔多項(xiàng)技術(shù)突破。2009年，時(shí)速350 km的18號(hào)客專線道岔在武廣高鐵上道鋪設(shè)使用，使行車速度達(dá)到世界水平。截至2012年，我國(guó)高速鐵路歷時(shí)6年成功研發(fā)了18、42和62號(hào)道岔，可滿足不同速度等級(jí)的需要，已成功應(yīng)用于石太、膠濟(jì)、甬臺(tái)溫、溫福、福廈、廣珠、武廣、京滬、滬寧、滬杭、哈大、京石、石武等高鐵及客運(yùn)專線。自主研發(fā)的同時(shí)，引進(jìn)德國(guó)和法國(guó)的高鐵道岔技術(shù)，并通過(guò)合資建廠與技術(shù)轉(zhuǎn)讓的方式在我國(guó)生產(chǎn)，供應(yīng)我國(guó)市場(chǎng)。德國(guó)CN技術(shù)系列道岔于2008年在京津城際鐵路上道鋪設(shè)使用，后續(xù)在京滬高鐵和武廣高鐵等線路上應(yīng)用。法國(guó)CZ系列道岔于2008年在合寧客專上道鋪設(shè)使用，后續(xù)在合武客專和鄭西高鐵上應(yīng)用[1-4]。我國(guó)高速鐵路鋪設(shè)了客專線、CN和CZ三種技術(shù)系列道岔，由此形成了多國(guó)道岔技術(shù)并存、結(jié)構(gòu)形式多樣的高速鐵路道岔技術(shù)體系。

1 道岔結(jié)構(gòu)體系

1.1 客專線技術(shù)系列

客專線技術(shù)系列道岔為我國(guó)自主研發(fā)道岔。2005—2010年，共設(shè)計(jì)了18、42和62號(hào)3種道岔。18號(hào)道岔適應(yīng)鋪設(shè)于有砟和無(wú)砟2種軌下基礎(chǔ)，直向容許通過(guò)速度分為250和350 km/h兩種，側(cè)向容許通過(guò)速度為80 km/h；42號(hào)道岔適應(yīng)鋪設(shè)于有砟和無(wú)砟2種軌下基礎(chǔ)，直向容許通過(guò)速度350 km/h，側(cè)向容許通過(guò)速度為160 km/h；62號(hào)道岔僅設(shè)計(jì)適應(yīng)于無(wú)砟軌下基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)部件，直向容許通過(guò)速度350 km/h，側(cè)向容許通過(guò)速度為220 km/h。

截至2015年，客專線道岔鋪設(shè)數(shù)量超過(guò)5 000組，占我國(guó)高鐵道岔鋪設(shè)總量的75%以上，遠(yuǎn)超CN和CZ兩種技術(shù)系列道岔鋪設(shè)數(shù)量之和。

客專線道岔根據(jù)未平衡離心加速度≤0.5 m/s2、未平衡離心加速度變化率≤0.4 m/s3的標(biāo)準(zhǔn)限值確定道岔側(cè)向線型參數(shù)。18號(hào)道岔線型由R1 100 m的單圓曲線構(gòu)成；42號(hào)道岔線型由圓曲線R5 000 m+拋物線構(gòu)成；62號(hào)道岔線型由圓曲線R8 200 m+拋物線構(gòu)成。42號(hào)和62號(hào)道岔側(cè)向容許通過(guò)速度較高，用復(fù)合曲線線型可減小未平衡離心加速度的變化率。

客專線道岔基本軌采用TB 60 kg/m鋼軌，材質(zhì)與區(qū)間線路相同，用于客貨共線時(shí)速250 km線路時(shí)采用U75V（抗拉強(qiáng)度980 MPa）；用于時(shí)速350 km客專時(shí)采用U71MnK（抗拉強(qiáng)度880 MPa），設(shè)1∶40軌底坡。尖軌采用60D40鋼軌制造，材質(zhì)與基本軌相同，頂面加工1∶40軌頂坡，尖軌跟端鍛壓成普通鋼軌斷面，并扭轉(zhuǎn)1∶40斜度便于與區(qū)間線路鋼軌焊接。

1.2 CN技術(shù)系列

CN技術(shù)系列道岔源自德國(guó)BWG公司，由中外合資的新鐵德奧道岔公司生產(chǎn)供應(yīng)我國(guó)市場(chǎng)，分為18、39.113、42和50號(hào)4種。18號(hào)道岔直向容許通過(guò)速度分為250和350 km/h兩種，側(cè)向容許通過(guò)速度均為80 km/h，適應(yīng)有砟和無(wú)砟2種軌下基礎(chǔ)。其他3種號(hào)碼道岔僅設(shè)計(jì)適應(yīng)于無(wú)砟軌下基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)部件，直向容許通過(guò)速度均為350 km/h，其中：39.113和42號(hào)道岔的側(cè)向容許通過(guò)速度為160 km/h；50號(hào)道岔的側(cè)向容許通過(guò)速度為220 km/h。39.113號(hào)僅在京津城際鋪設(shè)2組，50號(hào)道岔僅在武廣鋪設(shè)8組，鋪設(shè)數(shù)量較少、范圍較小，為便于今后養(yǎng)護(hù)維修、簡(jiǎn)化道岔種類，逐漸被限制使用。

CN道岔根據(jù)未平衡離心加速度≤0.45 m/s2、未平衡離心加速度變化率≤0.59 m/s3的標(biāo)準(zhǔn)限值確定道岔側(cè)向線型參數(shù)。18號(hào)道岔線型由R1 100 m的單圓曲線構(gòu)成；39.113號(hào)道岔線型由圓曲線R4 000 m+拋物線構(gòu)成；42號(hào)道岔線型由圓曲線R4 100 m+拋物線構(gòu)成；50號(hào)道岔線型由圓曲線R7 300 m+拋物線構(gòu)成。大號(hào)道岔側(cè)向容許通過(guò)速度較高，用復(fù)合曲線線型可減小未平衡離心加速度的變化率。

此外，CN道岔采用軌距優(yōu)化技術(shù)（FAKOP），減小道岔區(qū)固有不平順對(duì)行車平穩(wěn)性的影響程度，提高道岔區(qū)動(dòng)力學(xué)性能。軌距優(yōu)化一般設(shè)置于轉(zhuǎn)轍區(qū)，自尖軌尖端開始，至尖軌跟端結(jié)束，軌距最大加寬量為15 mm（見(jiàn)圖1）。

圖1 軌距加寬技術(shù)示意圖

CN道岔基本軌采用TB 60 kg/m鋼軌斷面，尖軌采用60E1A1（即Zu1-60）鋼軌制造，尖軌和基本軌材質(zhì)為350HT硬質(zhì)軌，抗拉強(qiáng)度為1 175 MPa。基本軌設(shè)1∶40軌底坡，尖軌頂面加工1∶40軌頂坡，尖軌跟端鍛壓成普通鋼軌斷面，便于與區(qū)間線路鋼軌焊接。

1.3 CZ技術(shù)系列

CZ技術(shù)系列道岔源自法國(guó)Cogifer公司，通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)讓由寶雞橋梁廠生產(chǎn)供應(yīng)我國(guó)市場(chǎng)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了18和41號(hào)2種。18號(hào)道岔僅設(shè)計(jì)適應(yīng)于有砟軌下基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)部件，直向容許通過(guò)速度分為250和350 km/h兩種，側(cè)向容許通過(guò)速度為80 km/h；41號(hào)道岔直向容許通過(guò)速度350 km/h，側(cè)向容許通過(guò)速度分為2種，用于有砟基礎(chǔ)時(shí)為160 km/h，用于無(wú)砟基礎(chǔ)時(shí)為220 km/h。由于我國(guó)高速鐵路正線道岔重新規(guī)劃為18、42和62號(hào)3種號(hào)碼，以及CZ道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備等方面原因，逐漸被限制使用。

CZ道岔根據(jù)未平衡離心加速度≤0.5 m/s2、未平衡離心加速度變化率≤0.4 m/s3的標(biāo)準(zhǔn)限值確定道岔側(cè)向線型參數(shù)。18號(hào)道岔線型由R1 100 m的單圓曲線構(gòu)成，42號(hào)道岔線型由圓曲線R4 500 m+拋物線構(gòu)成，用復(fù)合曲線線型可減小未平衡離心加速度的變化率。

道岔區(qū)尖軌、基本軌的類型和材質(zhì)選型原則與客專線道岔一致。

2 運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀

3種技術(shù)系列道岔均經(jīng)過(guò)8年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，總體狀態(tài)良好，可滿足設(shè)計(jì)時(shí)速的運(yùn)營(yíng)要求。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的不斷累計(jì)，陸續(xù)展露出一些問(wèn)題，如道岔區(qū)車體異常橫向晃動(dòng)，18號(hào)道岔曲尖軌嚴(yán)重磨耗，CN轍叉區(qū)軌道部件頻繁傷損。道岔區(qū)車體異常橫向晃動(dòng)和18號(hào)道岔曲尖軌磨耗在3種類型道岔均有發(fā)生。車體異常橫向晃動(dòng)問(wèn)題偶爾發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)影響平穩(wěn)性，曲尖軌磨耗普遍存在于3種技術(shù)系列的18號(hào)道岔，屬系統(tǒng)性問(wèn)題。

2.1 道岔區(qū)車體異常橫向晃動(dòng)

典型道岔區(qū)車體異常橫向晃動(dòng)曾先后出現(xiàn)3次，分別為：（1）2006年膠濟(jì)線18號(hào)道岔；（2）2008年合寧客專CZ18號(hào)道岔；（3）2011年京滬高鐵黃渡線路所CN42道岔。以京滬高鐵為例，CRH380AL動(dòng)車組通過(guò)黃渡線路所道岔時(shí)，車體橫向加速度普遍超過(guò)Ⅰ級(jí)限度0.6 m/s2，占比約40%的車體橫向加速度超過(guò)Ⅱ級(jí)限度1.0 m/s2，最大值接近Ⅲ級(jí)限度1.5 m/s2（見(jiàn)圖2）。CRH2型動(dòng)車組車體晃車程度更為嚴(yán)重，幅值達(dá)到2.2 m/s2，超過(guò)Ⅳ級(jí)限度2.0 m/s2，超過(guò)維規(guī)中的限值要求，不得不限速運(yùn)行[5]。

通過(guò)前期大量研究發(fā)現(xiàn)，上述3個(gè)典型晃車案例均與尖軌降低值密切相關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)膠濟(jì)線晃車道岔發(fā)現(xiàn)，尖軌實(shí)際降低值較設(shè)計(jì)值大1.5～2.0 mm，勢(shì)必導(dǎo)致尖軌無(wú)法及時(shí)承載，在踏面錐度作用下，尖軌側(cè)滾動(dòng)圓半徑小于基本軌側(cè)，輪對(duì)持續(xù)向尖軌側(cè)橫移，輪緣根部與尖軌軌肩接觸，此時(shí)車輪踏面尚未與軌頂接觸（見(jiàn)圖3）。較大輪對(duì)橫移量誘發(fā)車體產(chǎn)生大幅橫移，從而導(dǎo)致車體向尖軌側(cè)產(chǎn)生明顯晃動(dòng)[6-7]。通過(guò)調(diào)整尖軌與基本軌的相對(duì)高差，使得尖軌軌頂及時(shí)承載，輪對(duì)兩側(cè)滾動(dòng)圓半徑相當(dāng)，抑制輪對(duì)橫移，有效解決了晃車問(wèn)題。

圖2 CRH380AL動(dòng)車組通過(guò)黃渡線路所道岔車體加速度

圖3 尖軌表面接觸光帶

對(duì)膠濟(jì)線晃車病害的整治經(jīng)驗(yàn)表明，尖軌降低值是影響列車通過(guò)道岔區(qū)平穩(wěn)性的重要因素，對(duì)尖軌降低值的認(rèn)識(shí)有了里程碑式的意義。設(shè)計(jì)時(shí)速350 km道岔時(shí)，將尖軌等高斷面的寬度由50 mm提前至40 mm，目的就是在保障尖軌強(qiáng)度允許的前提下，盡可能使尖軌提前承載，縮短輪載過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度，抑制輪對(duì)橫移幅值，從而減小道岔區(qū)固有不平順對(duì)行車平穩(wěn)性的影響。

2.2 轍叉區(qū)軌道部件頻繁傷損

CN技術(shù)系列18號(hào)道岔鋪設(shè)使用以來(lái)，在運(yùn)營(yíng)實(shí)踐階段陸續(xù)出現(xiàn)下拉裝置頻繁損壞、翼軌軌撐T型螺栓折斷和彈簧墊圈斷裂問(wèn)題（見(jiàn)圖4）。軌道部件的傷損均發(fā)生在可動(dòng)心軌轍叉的同一區(qū)域，即輪載在翼軌和心軌過(guò)渡區(qū)域。

圖4 軌道部件傷損

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，列車側(cè)向通過(guò)轍叉時(shí)翼軌橫移量值、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)明顯大于常規(guī)值。以輪軸橫向力為例，當(dāng)通過(guò)速度超過(guò)80 km/h時(shí)，輪軸橫向力超過(guò)50 kN，而輪軸橫向力一般小于20 kN（見(jiàn)圖5）。目前，對(duì)于CN轍叉區(qū)異常輪軌動(dòng)力響應(yīng)的形成機(jī)理尚不明確，今后將進(jìn)一步開展計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究列車通過(guò)轍叉區(qū)時(shí)輪軌力的過(guò)渡變化規(guī)律，分析異常輪軌橫向荷載形成原因。

圖5 轍叉區(qū)輪軸橫向力

2.3 曲尖軌異常磨耗

3種技術(shù)系列中18號(hào)道岔采用R1 100 m側(cè)向線型。列車通過(guò)道岔側(cè)向時(shí)輪緣參與導(dǎo)向，曲尖軌產(chǎn)生明顯磨耗現(xiàn)象。以滬寧城際為例，開通至今已更換20余根曲尖軌。對(duì)于側(cè)向開通頻繁的岔位，約2年就因磨耗到限更換曲尖軌。

為獲得尖軌磨耗特征，對(duì)鎮(zhèn)江站2#和11#岔位的曲尖軌磨耗進(jìn)行了定期觀測(cè)。分析發(fā)現(xiàn)，距尖端0～5 m的磨耗量最大（見(jiàn)圖6），這意味著列車進(jìn)入道岔后，在尖軌前端輪緣即貼靠尖軌參與導(dǎo)向。因此，為延長(zhǎng)曲尖軌壽命，除盡可能減小輪緣導(dǎo)向力外，還應(yīng)避免輪緣在尖軌前端參與導(dǎo)向，這就要求改變輪對(duì)在道岔區(qū)的運(yùn)動(dòng)行為。

圖6 尖軌磨耗特點(diǎn)

尖軌線型是影響道岔動(dòng)力學(xué)性能的決定性因素，通過(guò)改變尖軌線型來(lái)延長(zhǎng)尖軌壽命已在重載鐵路道岔中得到成功應(yīng)用，今后將進(jìn)一步開展深入研究。結(jié)合高鐵道岔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，優(yōu)化18號(hào)道岔尖軌線型，改變輪對(duì)運(yùn)動(dòng)行為，以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)尖軌壽命的目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)高鐵道岔由客專線、CN和CZ三種技術(shù)系列構(gòu)成，可滿足直向通過(guò)時(shí)速350 km、側(cè)向通過(guò)時(shí)速80、160和220 km的行車需求。多年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，3種技術(shù)系列道岔總體狀態(tài)良好，滿足運(yùn)營(yíng)與維護(hù)的要求。

運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，出現(xiàn)道岔區(qū)車體異?；蝿?dòng)、曲尖軌異常磨耗、軌道部件頻繁傷損等病害。研究表明，尖軌降低值是影響行車平穩(wěn)性的重要因素，軌道部件頻繁傷損與輪軸橫向力密切相關(guān)，改變輪對(duì)運(yùn)動(dòng)行為是延長(zhǎng)曲尖軌壽命的根本措施。病害整治成果和經(jīng)驗(yàn)將為下一代高鐵道岔技術(shù)更新奠定基礎(chǔ)。

[1]王樹國(guó)，葛晶，王猛，等．高速道岔關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn) 研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2015，37(1)：77-82.

[2]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所．我國(guó)高速道 岔技術(shù)比較與運(yùn)營(yíng)實(shí)踐[R]．北京，2013.

[3]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所．高速鐵路道 岔設(shè)計(jì)技術(shù)[R]. 北京，2010.

[4]王平. 高速鐵路道岔設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M]. 成都：西 南交通大學(xué)出版社，2011.

[5]王樹國(guó). 我國(guó)鐵路道岔現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 鐵道建筑， 2015(10)：42-46.

[6]王樹國(guó)，司道林，王猛，等. 高速鐵路道岔尖軌降低 值對(duì)行車平穩(wěn)性的影響機(jī)理研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)， 2014，35(3)：28-33.

[7]葛晶，王猛，錢坤，等. 我國(guó)鐵路道岔型號(hào)簡(jiǎn)統(tǒng)化分 析研究[J]. 中國(guó)鐵路，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
(1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

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.

high-speed railway；railway turnout；structure system；rail wear；operation status；dynamics

U213.6

A

1001-683X（2017）12-0018-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.12.018

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2015YJ026、2015YJ092）

司道林（1983—），男，副研究員。E-mail：sidaolin@163.com

責(zé)任編輯 李葳

2017-09-03