鐵路道岔結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提升研究

崔 帆

（國能集團(tuán)鐵路裝備公司神維分公司府谷工務(wù)機(jī)械段，陜西 神木 719313）

鐵路運(yùn)輸是我國旅客運(yùn)輸和貨物運(yùn)輸?shù)淖钪匾绞?，在國民?jīng)濟(jì)的發(fā)展中扮演了極為重要的角色[1]。近年來，我國鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)體系全面建成，鐵路運(yùn)輸速度、運(yùn)輸效率、載重量方面都獲得了長足進(jìn)步。隨著鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，鐵軌本身及相關(guān)關(guān)鍵部件也都面臨著高疲勞強(qiáng)度、高磨損率等影響，各種病害多發(fā)或并發(fā)[2]。因此，一方面要及時(shí)監(jiān)控鐵路病害的發(fā)生，另一方面要努力改型設(shè)計(jì)、提高鐵軌及關(guān)鍵部件的使用壽命。在鐵軌總體構(gòu)成結(jié)構(gòu)中，道岔是關(guān)鍵構(gòu)成之一，并且使用頻率較高，也因此成為病害多發(fā)的薄弱環(huán)節(jié)[3]。因此，在鐵路軌道的日常維護(hù)過程中，道岔一直是重點(diǎn)監(jiān)控、檢查、維修的對(duì)象。在本文中，通過對(duì)鐵路道岔的常見病害進(jìn)行分析，有針對(duì)性地提出改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而進(jìn)行性能提升的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對(duì)比，以期得到質(zhì)量更高的鐵路道岔。

1 鐵路道岔的常見問題分析

道岔是鐵路整體結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其使用頻率較高也導(dǎo)致了其可能出現(xiàn)各種問題，主要包括：幾何尺寸問題、導(dǎo)曲部分問題、轉(zhuǎn)轍部分問題和轍叉部分問題。其中，道岔幾何尺寸問題、道岔導(dǎo)曲部分問題如圖1 所示。

圖1 道岔幾何尺寸問題和道岔導(dǎo)曲部分問題

由圖1 可知，道岔幾何尺寸問題又可以細(xì)分為4 類，分別是道岔軌距超限類的問題、道岔高低超限類的問題、道岔軌向不良類的問題和道岔水平超限類的問題。道岔軌距超限，最主要的原因是鋪設(shè)過程中，沒有達(dá)到正常的標(biāo)準(zhǔn)，比如沒有采用卡尺等工具精準(zhǔn)控制軌距。此外，由于操作不當(dāng)、設(shè)備使用不合理，從而導(dǎo)致軌距出現(xiàn)偏移。道岔高低超限的原因也很多，可能是軌基或道床發(fā)生沉降，軌道制備材料平面度不達(dá)標(biāo)等。道岔軌向不良一般是維修工作間接導(dǎo)致，維修期間只考慮了發(fā)生問題的局部位置，維修后導(dǎo)致局部軌向發(fā)生變化，與整體軌向不一致。道岔水平超限類主要是相關(guān)構(gòu)件的損耗程度不一致，并且沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)所致。

道岔導(dǎo)曲部分問題又可以細(xì)分為2 類，分別是道岔導(dǎo)曲線側(cè)磨損的問題與道岔導(dǎo)曲線不圓潤的問題。道岔導(dǎo)曲線側(cè)磨損，大多數(shù)情況是列車多次通過導(dǎo)曲線，車輪離心力導(dǎo)致的載荷沖擊所致。道岔導(dǎo)曲線不圓潤，主要是支撐距離點(diǎn)位的實(shí)際值和理論值不符所導(dǎo)致。

道岔轉(zhuǎn)轍部分的常見問題如圖2 所示。

圖2 道岔轉(zhuǎn)轍部分的常見問題

由圖2 可知，道岔轉(zhuǎn)轍部分問題又可以細(xì)分為6 類：尖軌與基本軌貼合不緊密的問題、道岔尖軌側(cè)面磨損的問題、道岔尖軌出現(xiàn)跳動(dòng)的問題、道岔尖軌扳動(dòng)不靈活的問題、道岔尖軌拱腰變形的問題和道岔尖軌出現(xiàn)爬行的問題。尖軌與基本軌貼合不緊密的主要原因是施工時(shí)沒有嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、頂鐵磨損程度嚴(yán)重、基本軌彎折點(diǎn)不準(zhǔn)確等。道岔尖軌側(cè)面磨損主要是因?yàn)榧廛夗旇F的尺寸沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，要么過長、要么過短。道岔尖軌出現(xiàn)跳動(dòng)主要是因?yàn)榧廛壍哪┒塑壙p大小不理想，存在較大縫隙。道岔尖軌扳動(dòng)不靈活，主要是由于扳動(dòng)作業(yè)的拉桿構(gòu)件或者連接桿構(gòu)件的安裝位置不正確。道岔尖軌拱腰變形與尖軌制作過程中鎖定溫度沒有達(dá)標(biāo)有關(guān)。道岔尖軌出現(xiàn)爬行問題，主要是由于固定尖軌位置的螺栓脫落或螺紋失效。

道岔轍叉部分的常見問題如圖3 所示。

圖3 道岔轍叉部分的常見問題

由圖3 可知，道岔轍叉部分問題又可以細(xì)分為5 類：道岔轍叉垂直磨損的問題、道岔轍叉偏向磨損的問題、道岔轍叉偏向傾斜的問題、道岔心翼軌側(cè)向磨損問題和道岔護(hù)軌扭曲變形的問題。道岔轍叉垂直磨損主要是因?yàn)榈啦碥壵矸磸?fù)受到列車行駛過程中的沖擊，進(jìn)而出現(xiàn)空吊現(xiàn)象所致。道岔轍叉偏向磨損問題，主要是由于列車雙向行駛的頻率不均衡所致。道岔轍叉偏向傾斜問題，主要是軌間距離調(diào)整塊構(gòu)件不合理所致。道岔心翼軌側(cè)向磨損問題，是間隔到護(hù)背距離不合理所致。道岔護(hù)軌扭曲變形問題，主要是護(hù)輪軌出現(xiàn)變形所致。

2 鐵路道岔的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于鐵路道岔常見的幾大類問題，需要對(duì)道岔進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之發(fā)生常見問題的幾率減小。本文對(duì)鐵路道岔的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要思路：總結(jié)歸納道岔常見問題及數(shù)據(jù)，將其納入遺傳算法進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，從而通過適應(yīng)度函數(shù)確定出道岔最合理的數(shù)據(jù)。這里的適應(yīng)度函數(shù)如下

式中：J 表示道岔幾何尺寸參數(shù)，Q 表示道岔導(dǎo)曲部分尺寸參數(shù)，Z 表示道岔轉(zhuǎn)轍部分尺寸參數(shù)，C 表示道岔轍叉部分尺寸參數(shù)，F(xiàn)it（J，Q，Z，C）表示綜合考慮四大類常見問題的適應(yīng)度函數(shù)，fJ表示道岔幾何尺寸問題的適應(yīng)度函數(shù)，fQ表示道岔導(dǎo)曲部分問題的適應(yīng)度函數(shù)，fZ表示道岔轉(zhuǎn)轍部分問題的適應(yīng)度函數(shù)，fC表示道岔轍叉部分問題的適應(yīng)度函數(shù)。

下一步，給出道岔幾何尺寸問題的適應(yīng)度函數(shù)fJ的具體形式如下

式中：fJ（1）表示道岔軌距超限類問題的適應(yīng)度函數(shù)，fJ（2）表示道岔高低超限類問題的適應(yīng)度函數(shù)，fJ（3）表示道岔軌向不良類問題的適應(yīng)度函數(shù)，fJ（4）表示道岔水平超限類問題的適應(yīng)度函數(shù)。

進(jìn)一步，給出道岔導(dǎo)曲部分問題的適應(yīng)度函數(shù)fQ（2）的具體形式如下

式中：fQ（1）表示道岔導(dǎo)曲線線側(cè)磨損問題的適應(yīng)度函數(shù)，fQ（2）表示道岔導(dǎo)曲線線側(cè)不圓潤問題的適應(yīng)度函數(shù)。

進(jìn)一步，給出道岔轉(zhuǎn)轍部分問題的適應(yīng)度函數(shù)fZ的具體形式如下

式中：fZ（1）表示尖軌與基本軌貼合不緊密的適應(yīng)度函數(shù)，fZ（2）表示道岔尖軌側(cè)面磨損問題的適應(yīng)度函數(shù)，fZ（3）表示道岔尖軌出現(xiàn)跳動(dòng)問題的適應(yīng)度函數(shù)，fZ（4）表示道岔尖軌扳動(dòng)不靈活問題的適應(yīng)度函數(shù)，fZ（5）表示道岔尖軌拱腰變形問題的適應(yīng)度函數(shù)，fZ（6）表示道岔尖軌出現(xiàn)爬行問題的適應(yīng)度函數(shù)。

最后，給出道岔轍叉部分問題的適應(yīng)度函數(shù)fC的具體形式如下

式中：fC（1）表示道岔轍叉垂直磨損問題的適應(yīng)度函數(shù)，fC（2）表示道岔轍叉偏向磨損問題的適應(yīng)度函數(shù)，fC（3）表示道岔轍叉偏向傾斜問題的適應(yīng)度函數(shù)，fC（4）表示道岔心翼側(cè)向磨損問題的適應(yīng)度函數(shù)，fC（5）表示道岔護(hù)軌扭曲變形問題的適應(yīng)度函數(shù)。

3 鐵路道岔的性能提升實(shí)驗(yàn)

在前面的研究工作中，針對(duì)鐵路道岔經(jīng)常出現(xiàn)的問題進(jìn)行了歸類分析，進(jìn)而依托遺傳算法進(jìn)行了鐵路道岔的適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)，包括總體適應(yīng)度函數(shù)和各分類問題的適應(yīng)度函數(shù)，從而得到了鐵路道岔的模型優(yōu)化方法。

在這一部分的工作中，將通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文獲得的鐵路道岔優(yōu)化結(jié)果。此處，主要通過使用時(shí)間、過重總量2項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)優(yōu)化前后的道岔性能進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1 鐵路道岔優(yōu)化前后的性能對(duì)比

從表1 中的第二列和第三列，可以看出10 個(gè)實(shí)驗(yàn)道岔在優(yōu)化前后使用時(shí)間的對(duì)比情況，為了進(jìn)一步直觀地展示這種對(duì)比結(jié)果，將其繪制成柱狀圖的形式，如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)道岔優(yōu)化前后使用時(shí)間的對(duì)比

圖4 中，橫坐標(biāo)代表了實(shí)驗(yàn)道岔的標(biāo)號(hào)，從1 號(hào)到10 號(hào)；縱坐標(biāo)代表了使用時(shí)間，單位為d。鐵路道岔的使用時(shí)間，與道岔質(zhì)量和通過的載重總量都有關(guān)系。從圖4中的對(duì)比情況可以明顯看出，經(jīng)過本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)整以后，優(yōu)化后道岔的使用時(shí)間比優(yōu)化前道岔的使用時(shí)間有了明顯增加。其中，增加幅度最為明顯的是5 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔、10 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔、7 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔和3 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔，即便是增加幅度最小的1 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔，優(yōu)化后也增加了26 d的使用時(shí)間。綜合上述比較結(jié)果可以充分證明，經(jīng)過本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的道岔使用時(shí)間獲得了明顯增加。

從表1 中的第四列和第五列，可以看出10 個(gè)實(shí)驗(yàn)道岔在優(yōu)化前后過重總量的對(duì)比情況，為了進(jìn)一步直觀地展示這種對(duì)比結(jié)果，將其繪制成曲線圖的形式，如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)道岔優(yōu)化前后過重總量的對(duì)比

圖5 中，橫坐標(biāo)代表了實(shí)驗(yàn)道岔的標(biāo)號(hào)，從1 號(hào)到10 號(hào)；縱坐標(biāo)代表了過重總量，單位為億t。鐵路道岔的過重總量，與道岔質(zhì)量和使用時(shí)間都有關(guān)系，當(dāng)然道岔質(zhì)量是決定性因素。從圖5 中的對(duì)比情況可以明顯看出，經(jīng)過本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)整以后，優(yōu)化后道岔的過重總量比優(yōu)化前道岔的過重總量有了明顯增加。其中，增加幅度最為明顯的是4 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔、5 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔、6 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔和1 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔，即便是增加幅度最小的9 號(hào)實(shí)驗(yàn)道岔，優(yōu)化后也增加了0.24 億t 的重量。綜合上述比較結(jié)果可以充分證明，經(jīng)過本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的道岔過重總量獲得了明顯增加。

4 結(jié)論

鐵路是我國交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于貨物運(yùn)輸發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為了確保鐵路的安全運(yùn)營，必須要提升鐵路道岔質(zhì)量，從而確保鐵路線路的穩(wěn)定工作。本文從多個(gè)方面對(duì)鐵路道岔可能出現(xiàn)的安全問題進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納、分析、總結(jié)和分類，進(jìn)而建立了基于適應(yīng)度函數(shù)的鐵路道岔承載能力提升方法。以多組道岔為研究對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：通過基于適應(yīng)度函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，鐵路道岔的承載能力有了明顯的增加，有利于鐵路線路穩(wěn)定的運(yùn)營。