400 km/h高速鐵路道岔選型探討

胡紅軍 徐井芒

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063；2.西南交通大學， 成都 610031)

隨著時代的變遷與科學技術的發(fā)展，我國高速鐵路已取得巨大突破與成就，旅客列車最高運行速度向400 km/h+邁進。道岔作為軌道三大薄弱環(huán)節(jié)之一，是鐵路線路中引導列車換線運行的關鍵設備，其平面線型選取將直接影響行車質(zhì)量和列車過岔速度[1]。400 km/h的高速道岔選型是高速鐵路設計、建造、運營、維護成套技術研究的重要組成部分。

隨著車速的增加，輪軌相互動力作用大幅增加，為減緩道岔區(qū)輪軌相互作用，避免晃車、道岔鋼軌異常傷損、鋼軌折斷等，應合理優(yōu)化輪軌關系、平面線型，采用結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術。德國BWG采用動態(tài)軌距優(yōu)化技術(FAKOP)減小高速道岔橫向結(jié)構(gòu)不平順[2]，采用翼軌抬高技術減緩心軌處垂向結(jié)構(gòu)不平順。西班牙道岔專家[3]在德國FAKOP技術基礎上，采用直基本軌軌頂切削技術，優(yōu)化高速道岔的橫向結(jié)構(gòu)。我國在為俄羅斯400 km/h莫喀高速鐵路[4]設計 25號高速道岔時，提出通過直基本軌鋼軌軌頭輪廓優(yōu)化來抵消輪對所受的橫向力。除此之外，在高速鐵路客運專線道岔中，還通過抬高尖軌，縮短輪載過渡范圍等措施有效減小岔區(qū)結(jié)構(gòu)不平順性[5]，提高各種號碼道岔的適用性。在道岔平面線型設計當中，增大導曲線半徑，減小車輪對道岔各部位的沖擊角，是提高側(cè)向通過速度的主要途徑[6]。同時，也可增大道岔號碼數(shù)提高側(cè)向通過速度，但道岔全長也隨之增加，可能突破站坪長度的限制，故需進行充分考慮。道岔號數(shù)一定時，可通過優(yōu)化平面線型(如減小輪軌沖擊角、采用相離半切型直曲組合尖軌等)來提高道岔的服役性能[7]。

高速鐵路道岔側(cè)向最高允許通過速度是影響高速鐵路線路通過能力和線路道岔型號選取的重要因素。道岔的側(cè)向最高允許通過速度設計過高，勢必引起選取的道岔號碼數(shù)加大，不僅增加設計、生產(chǎn)的技術難度，而且道岔鋪設條件要求變高，增加施工難度，加大建設投資；反之，道岔側(cè)向最高允許通過速度設計過低，則直接影響高速鐵路線路通過能力以及線路使用效率和列車的運行效果，降低高速鐵路運營效益和其參與市場競爭的能力。因此合理的道岔側(cè)向最高允許通過速度建議值，對高速鐵路設計、建設和運營都具有重要意義。

高速道岔選型需要從道岔結(jié)構(gòu)設計、鐵路運輸、站場環(huán)境、工程投資等多角度綜合考慮。本文針對400 km/h高速鐵路道岔選型開展研究，在高速道岔輪軌關系優(yōu)化技術、道岔號數(shù)確定、側(cè)向速度選取等方面進行探討并給出相關建議。

1 從結(jié)構(gòu)角度確定道岔號數(shù)

1.1 采用18號道岔風險性分析

在不平順幅值一定的情況下，波長越長，不平順的變化率越小，輪軌動力作用越小。在中國高速道岔研制中，發(fā)現(xiàn)道岔號碼越大，輪載過渡范圍越長，輪軌動力作用越小。因此，動車組直向高速過岔時，62號道岔的動力學指標要優(yōu)于42號道岔，更優(yōu)于18號道岔。同時，不同直向容許通過速度對應的最小號碼道岔不同，如表1所示。

表1 直向容許通過速度對應的最小號碼道岔表

運用車輛-道岔耦合動力學模型檢算速度440 km/h(運營速度為400 km/h)高速車輛直逆向通過現(xiàn)有18號道岔的動力學指標，與速度385 km/h(運營速度為350 km/h)高速車輛直逆向通過道岔的動力學指標對比，結(jié)果如圖1所示。

圖1 18號道岔不同試驗速度(385 km/h和440 km/h)下動力學指標對比圖

由圖1可以看出，440 km/h的檢算速度過岔與以385 km/h的檢算速度相比，轉(zhuǎn)轍器區(qū)的輪重減載率最大值由0.196增大到0.350，增大了79%；轍叉區(qū)的輪重減載率最大值由0.543增大到0.740，增大了36%；車體的橫向振動加速度最大值由0.16增大到0.39，增大了140%，由此會導致車體發(fā)生一定的晃車。由于車輛模型良好的一系和二系懸掛以及模型中均未考慮軌道不平順、風荷載等隨機載荷的存在，上述計算結(jié)果未超過動力學指標安全限值。但實際環(huán)境中，這些因素不可避免，當車輛以440 km/h的實驗速度運行時，動力學指標超限的幾率大大增加，給行車安全性、平穩(wěn)性造嚴重影響。同時，隨著列車速度提高，作用在道岔可動軌件上的動荷載隨之增大，道岔鋼軌出現(xiàn)疲勞傷損及可動軌件折斷的風險將會增高，一方面會增加行車風險，另一方面會縮短高速道岔的使用壽命。

1.2 輪軌關系優(yōu)化的18號道岔適用性分析

高速道岔直向過岔容許通過速度主要是由于轉(zhuǎn)轍器及轍叉部分的輪軌關系所決定的。岔區(qū)復雜的輪軌接觸關系主要包括輪載轉(zhuǎn)移、多點接觸與接觸遷移。在輪載轉(zhuǎn)移過程中會因接觸點遷移和多點接觸而出現(xiàn)類似于軌道幾何不平順的結(jié)構(gòu)不平順激勵，包括有垂向結(jié)構(gòu)不平順和橫向結(jié)構(gòu)不平順。該不平順所引起的岔區(qū)輪軌動力作用頻率高、幅值大，若與區(qū)間線路相同的焊縫短波不平順、制造誤差和組裝鋪設偏差引起的軌道幾何不平順疊加，會導致岔區(qū)輪軌動力作用遠大于區(qū)間線路。為減緩道岔區(qū)的結(jié)構(gòu)不平順，通常采用以下幾種技術措施：

(1)尖、心軌降低值優(yōu)化

受尖軌強度的控制，避免在尖軌薄弱斷面處發(fā)生折斷，我國高速鐵路建設以前的鐵路，尖軌頂寬20 mm斷面以前不承載、尖軌頂寬50 mm斷面以后完全承載?？紤]到高速道岔不走行貨車，動車組運行時尖軌所受的動荷載要低于貨物列車，因此在轉(zhuǎn)轍器部分改為在尖軌頂寬15 mm處開始承載、在尖軌頂寬35 mm斷面完全承載。通過抬高尖軌(尖軌頂寬20 mm處的降低值由通常的5 mm降低至3 mm)，縮短輪載過渡的范圍，并將輪載過渡段大幅度前移，所形成的垂向、橫向結(jié)構(gòu)不平順均大幅度降低。針對18號道岔，基于輪對通過道岔轉(zhuǎn)轍器低等效錐度的原則和接觸軌跡外移的設計思想[8-9]，提出直基本軌輪軌關系優(yōu)化方案。尖、心軌頂寬及降低值布置方案如表2所示。

表2 尖、心軌頂寬及降低值布置方案表

結(jié)合車輛-道岔系統(tǒng)耦合動力學模型，采用440 km/h檢算速度直逆向通過輪軌關系優(yōu)化后的18號高速道岔，轉(zhuǎn)轍器(尖軌側(cè))及轍叉區(qū)(心軌側(cè))的動力學計算結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 輪軌關系優(yōu)化前后轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪重減載率及車體橫向振動加速度圖

圖3 輪軌關系優(yōu)化前后轍叉區(qū)輪重減載率及車體橫向振動加速度圖

由圖2和圖3可以看出，轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌及轍叉區(qū)心軌優(yōu)化降低值、改善輪軌關系之后，動力學響應有一定程度的改善。但尖軌降低值已不能進一步減小(受尖軌薄弱斷面強度控制，在不修改車輪輪廓的前提下，尖軌頂寬20 mm處降低3 mm已是極限)、輪載過渡段范圍也不能進一步縮小(受垂向不平順控制，頂寬35 mm處降低0 mm將導致垂向不平順增大)。

(2)心軌水平藏尖

在350 km/h客運專線18號道岔轍叉部分除了采用降低值優(yōu)化設計外，還采用了心軌水平藏尖技術，如圖4所示。該技術降低了轍叉處的橫向結(jié)構(gòu)不平順，也可用于400 km/h高速道岔設計中，但水平藏尖量不宜進一步增大(極限值9 mm)、心軌降低值不宜進一步減小、輪載過渡段范圍也不宜進一步縮小。

圖4 水平藏尖心軌圖

(3)輪對橫向力減緩技術

中國在為俄羅斯莫喀高速鐵路設計400 km/h的25號高速道岔時，提出了通過直基本軌鋼軌軌頭輪廓優(yōu)化，使其沿道岔縱向曲面變化而將輪軌接觸點外移、縮小左右車輪的滾動圓半徑差，以抵消輪對所受的橫向力的方案。轉(zhuǎn)轍器直基本軌優(yōu)化方案如圖5所示，該技術主要側(cè)重于減緩直向高速過岔時輪對所受的橫向力，但是會增大直基本軌一側(cè)的垂向不平順(此時左右股均有垂向不平順，原只有曲基本軌上側(cè)有垂向不平順)和輪軌垂向作用力；同時還會增大側(cè)向過岔時的輪軌橫向力，導致側(cè)向過岔時的安全性、平穩(wěn)性指標下降；此外，具有不同磨耗特征的車輪通過該道岔時，因輪軌接觸點橫移規(guī)律不同，也并不能保證每節(jié)動車組車輛過岔均能較好地消除輪軌橫向作用力，導致偶發(fā)車輛晃車現(xiàn)象。

圖5 轉(zhuǎn)轍器直基本軌優(yōu)化方案圖

該技術與尖、心軌降低值優(yōu)化技術、心軌水平藏尖技術配合使用，是400 km/h高速道岔結(jié)構(gòu)設計必然采用的技術，但從莫喀高速鐵路道岔的設計來看[4]，僅依靠這三項技術，并不能保證400 km/h高速道岔能與350 km/h的 18號高速道岔具有相同的安全性與平穩(wěn)性。

1.3 采用21號道岔動力學指標評估

每當運營條件發(fā)生變化時，各組成部件就要根據(jù)的運營需求進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新或優(yōu)化設計。當400 km/h高速道岔在我國大規(guī)模建設時，相應的高速道岔若仍采用原350 km/h的18號道岔，僅僅只做細部的結(jié)構(gòu)修改，恐難于形成與其他軌道部件的匹配，因此需要從關鍵的道岔號碼上做優(yōu)化。

除極少數(shù)使用的渡線、聯(lián)絡線大號碼高速道岔外，在中國鐵路網(wǎng)上所使用的道岔號碼大多數(shù)為3的倍數(shù)，如編組場的6號對稱道岔、9號單開道岔，站線上的12號單開道岔，正線上的12號、18號、30號道岔，均遵循著這一約定俗成的規(guī)定。400 km/h+高速道岔宜采用21號道岔。

針對21號道岔，設計三種線型方案，如表3所示。

表3 新增21號道岔線型方案表

結(jié)合車輛-道岔系統(tǒng)耦合動力學模型，計算直逆向通過21號高速道岔時尖軌側(cè)的輪軌動力作用指標，如圖6所示。

圖6 21號道岔三種線型下動力學指標對比圖

從圖6可以看出，方案二、方案三相比于方案一的動力學性能指標更優(yōu)，考慮到增加道岔長度會增加工程預算，21號道岔采用方案三進行設計。將方案三動力學指標的最大值與輪軌關系優(yōu)化后的18號道岔以440 km/h的檢算速度直逆向通過道岔的動力學指標對比，結(jié)果如表4所示。

表4 動力學指標對比表

由表4可以看出，當采用21號道岔時，輪軌相互作用力明顯減小，輪重減載率大幅減小，車輛過岔安全性指標得到提升。橫向加速度的幅值減小，車輛過岔的橫向平穩(wěn)性指標得到改善，晃車現(xiàn)象會得到明顯的改善。同時，由于輪軌垂、橫向沖擊力大大減小，使得鋼軌的壽命也能夠增加。因此，從結(jié)構(gòu)角度考慮，21號道岔能滿足動車組以400 km/h速度過岔的安全性及平穩(wěn)性指標。

2 從工程投資角度確定道岔號數(shù)

針對2臺4線代表性站型，分別采用18號道岔(650 m有效長)、21號道岔(650 m有效長)、25號道岔(650m、950m有效長)進行投資分析比較，工程投資估算如表5所示。

從表5可以看出，與18號道岔方案相比，采用21號道岔方案站坪長度僅增加112 m，2臺4線部分路基長度增加11 m，工程投資增加0.05億元；采用25號道岔650 m有效長方案站坪長度增加200 m，2臺4線部分路基長度增加43 m，工程投資增加0.11億元；采用25號道岔950 m有效長方案站坪長度增加500 m，2臺4線部分路基長度增加343 m，工程投資增加1.82億元。由1.3節(jié)內(nèi)容分析可知，動車組以400 km+的時速直向通過400 km/h高速道岔(21號)時的安全性、平穩(wěn)性、舒適性指標應與動車組以350 km/h的速度通過350 km/h高速道岔(18號)時各項指標相當，為節(jié)省工程投資，建議采用21號道岔。

3 從道岔應用角度確定道岔號數(shù)

3.1 正線銜接到發(fā)線

400 km/h高速鐵路若采用現(xiàn)有客運專線18號道岔或在客運專線18號道岔基礎上進行輪軌關系局部優(yōu)化，存在諸多風險。因此，400 km/h的線路正線上不宜再采用18號道岔。采用21號道岔行車平穩(wěn)性較好、速度更高、旅客舒適度更佳。因此，對于400 km/h的高速鐵路，為滿足更高的行車速度及行車時旅客舒適度要求，長大干線中小型車站(除全部停站、限速區(qū)段、引入既有車站等特殊工點設計外)正線道岔推薦采用21號道岔。

對于直轄市、省會等大型車站，不停站列車極少甚至沒有，同時考慮車站股道規(guī)模較大，咽喉復雜，采用21號道岔(全長83.2 m)將顯著增加咽喉長度(道岔長度、渡線長度、連接曲線、道岔間及道岔與曲線間夾直線長度、信號機距岔心距離增加)，不利于運輸組織，同時拆遷、用地及工程投資增加較大，建議采用18號道岔。

如路網(wǎng)規(guī)劃時僅作為區(qū)域性銜接線路，其新建正線線路短，中間站設站數(shù)量較少，局部地段限速350 km/h對通道運輸組織影響較小時，從減少道岔種類、有利于運營養(yǎng)護管理、節(jié)省投資角度，也可考慮采用18號道岔。

3.2 其他應用場景

道岔除應用于正線銜接到發(fā)線外，還應用在正線銜接正線、正線銜接聯(lián)絡線、正線銜接段管線、車站到發(fā)線之間等。正線與正線在區(qū)間銜接時，為避免道岔成為側(cè)向銜接正線的速度瓶頸以及對后續(xù)直向400 km/h追蹤通過列車的影響，宜采用直向400 km/h的62號道岔。在車站渡線銜接時，側(cè)向中速通過條件下，為減小車站站坪長度，宜采用直向400 km/h速度的42號道岔；側(cè)向進站或低速通過條件下，宜與車站正線銜接到發(fā)線道岔型號保持一致，采用21號道岔。正線與區(qū)間聯(lián)絡線銜接宜選用62號道岔。聯(lián)絡線長度<12 km時，采用62號道岔疏解較為困難，可選用42號道岔。正線與車站場間聯(lián)絡線銜接時，宜采用42號或25號道岔。正線與段管線銜接宜采用與車站正線銜接到發(fā)線道岔一致的道岔；車站到發(fā)線間道岔號數(shù)宜與正線銜接到發(fā)線保持一致，在平面布置困難條件，經(jīng)行車檢算滿足運營要求的前提下，個別道岔可選用18號道岔；到發(fā)線銜接其他站線或其他站線間道岔與速度400 km/h和350 km/h關聯(lián)性不大，道岔選型同350 km/h高速鐵路。

4 側(cè)向過岔速度確定

高速鐵路道岔側(cè)向最高允許通過速度是影響高速鐵路線路通過能力和線路道岔型號選取的重要因素，合理提出道岔側(cè)向最高允許通過速度建議值，對高速鐵路設計、建設和運營都具有重要意義。高速鐵路道岔側(cè)向通過速度主要由道岔平面線型、列車運行最小間隔時間及到發(fā)線有效長度確定。正線銜接到發(fā)線選定21號道岔的基礎上，本節(jié)從鐵路運營及到發(fā)線有效長度兩個方面給出21號道岔側(cè)向過岔速度的建議值。

4.1 鐵路運營對側(cè)向過岔速度的要求

決定道岔側(cè)向最高允許通過速度取值的主要列車運行工況[10]有：

工況一：前、后行高速列車先后側(cè)向通過道岔追蹤運行(高速鐵路分歧點或區(qū)間渡線處)。在該工況下，為滿足列車最高運行速度400 km/h前后行列車安全間隔距離(10.8 km+L列)的要求，當列車最小運行間隔時間為3.5 min時，道岔側(cè)向最高允許通過速度須選擇100 km/h以上。

工況二：前行高速列車側(cè)向通過道岔、后行追蹤高速列車正向通過(高速鐵路分歧點)。在該工況下，當列車最小運行間隔大于等于3 min，正常制動采用0.8的常用制動系數(shù)時，實現(xiàn)在最高運行速度400 km/h的條件下前后行列車正常安全運行，要求道岔側(cè)向最高允許通過速度大于或等于80 km/h；采用0.5的常用制動系數(shù)時，實現(xiàn)最高運行速度400 km/h條件下前后行列車正常安全運行，要求道岔側(cè)向最高允許通過速度須大于或等于100 km/h。

工況三：前行高速列車正向通過、后行追蹤高速列車由銜接線路駛?cè)敫咚倬€。在該工況下，當列車最小運行間隔大于等于3 min時，實現(xiàn)最高運行速度400 km/h條件下，前后行列車正常安全運行，要求道岔側(cè)向最高允許通過速度至少是120 km/h。

工況四：前行高速列車進站停車、后行追蹤高速列車正線通過。在該工況下，當列車最小運行間隔大于等于3 min時，實現(xiàn)在最高運行速度400 km/h條件下前后行列車正常安全運行，要求道岔側(cè)向最高允許通過速度大于或等于100 km/h。

為滿足線路行車安全和實現(xiàn)高速列車(最高速度400 km/h)最小追蹤間隔3.5 min行車需要，要求區(qū)間道岔側(cè)向最高允許通過速度大于或等于100 km/h。

4.2 側(cè)向進站速度對到發(fā)線有效長度影響

車站到發(fā)線有效長度和車站道岔側(cè)向最高允許通過速度間存在相互制約關系，車站到發(fā)線有效長度設計的長，則道岔側(cè)向最高允許通過速度可以提高；反之，車站到發(fā)線有效長度設計的短，則道岔側(cè)向最高允許通過速度需要受到一定限制，才能保證列車行車安全(主要考慮列車停車安全需要)。

350 km/h高速鐵路，選用18號道岔，列車以80 km/h速度側(cè)向進站時，現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的到發(fā)線有效長650 m理論上可滿足約460 m長動車組?？恳?；400 km/h高速鐵路選用21號道岔以100 km/h速度側(cè)向進站時，考慮條件最不利工況下制動，制動需要距離為：

(1)

列車從進站信號機處開始制動，道岔前長a為40.8 m(選用1.3節(jié)21號道岔方案三的平面線型)，假定岔心到警沖標的距離Lj為100 m，則可用于列車制動的距離為Lz為：Lz=50+a+Lj+Ly-30。制動所需距離s>可用于列車制動的距離Lz，因此，21號道岔側(cè)向100 km/h進站時，所需到發(fā)線有效長度的最小值為644 m；同理，若400 k/hm高速鐵路選用25號道岔，列車以120 km/h速度側(cè)向進站時，計算得到所需到發(fā)線有效長度的最小值為953 m。

正常制動條件下，650 m有效到發(fā)線長度能滿足18號道岔80 km/h、21號道岔100 km/h側(cè)向進站需求，而25號道岔120 km/h側(cè)向進站到發(fā)線有效長需約為950 m，存在雙向到發(fā)情況下站臺設置、動車?？俊⒙每妥咝衅ヅ淅щy，如維持650 m有效到發(fā)線長度不變，則需要提前進行制動，25號道岔120 km/h側(cè)向進站就失去了意義。因此，從節(jié)省投資，維持到發(fā)線有效長度不變的角度出發(fā)，道岔側(cè)向速度不宜大于 100 km/h。

5 結(jié)論

本文基于高速道岔設計理論，開展400 km/h高速鐵路道岔選型研究，從道岔結(jié)構(gòu)、站場條件、工程投資、鐵路運輸?shù)确矫鎸Φ啦硖枖?shù)選擇及側(cè)向過岔速度建議值進行深入探討，得出以下主要結(jié)論：

(1)開展了400 km/h高速鐵路選用18號高速道岔以及輪軌關系局部優(yōu)化后的18號道岔風險性分析研究，計算結(jié)果表明采用現(xiàn)有客運專線18號道岔或在客專線18號道岔基礎上進行輪軌關系局部優(yōu)化，存在諸多風險。因此，400 km/h的線路正線上不宜采用18號道岔。

(2)對400 km/h高速鐵路選用21號道岔的動力學指標進行評估，結(jié)果表明21號道岔能滿足動車組以400 km/h速度過岔的安全性及平穩(wěn)性要求。結(jié)合工程投資及道岔應用分析，建議長大干線中小型車站(除全部停站、限速區(qū)段、引入既有車站等特殊工點設計外)正線道岔采用21號道岔。

(3)從道岔號數(shù)選擇以及鐵路運輸和站場到發(fā)線有效長度等角度綜合考慮，建議21號道岔側(cè)向容許通過速度取為100 km/h。