50kg/m 钢轨7 号小号码道岔平面线形研究

费维周 方 潇

（浙江贝尔新轨道装备研究院有限公司，浙江杭州 311400）

1 道岔平面线形概述

道岔是铁路一条线路与两条线路过渡的连接设备，能够实现车辆的转向和变道，道岔一般由转辙器、辙叉和中间连接导轨3 个部分组成，见图1。车辆在转向和变道时其安全性、平稳性、舒适性由道岔平面线形尺寸决定。道岔平面线形也可以理解为是道岔设备的线路图。

图1 道岔部件组成示意图

2 道岔平面线形类型及特点

道岔平面线形主要有圆曲线平面线形和缓和曲线平面线形。各种平面线形的选择，体现了整组道岔设计是否技术先进和经济合理，直接关系到列车通过道岔时的运行技术状态，并涉及铺设、养护及加工制造等一系列问题。因此，道岔平面线形设计时，必须严肃、慎重，在充分调研基础上，经过多方案的比选，最终设计出符合用户要求和规范要求的道岔平面线形。圆曲线平面线形道岔长度较短，加工制造容易，铺设养护简单，但是在车辆从直线进入圆曲线或者从圆曲线进入直线时，未被平衡离心加速度增量存在突变。缓和曲线平面线形道岔长度较长，设计难度大，加工、铺设、养护困难，但是车辆在缓和曲线上，未被平衡离心加速度增量逐渐变化，提高了车辆通过道岔的平稳性和舒适性。从理论上分析，缓和曲线适用于侧向高速通过列车的大号码道岔，具有使离心加速度和离心加速度增量逐渐变化的功能，故提升了旅客的舒适度。

3 道岔平面线形关键参数设计

3.1 平面基本参数的选择

道岔平面线形设计时，首先要考虑车辆的通过速度，不同速度通过道岔侧股时，会不可避免地对轨道结构产生冲击、对旅客舒适度和列车运行平稳性产生影响；道岔侧向曲线半径大小也对旅客舒适度和列车平稳性产生影响。因此，提出了一系列指标加以控制，道岔设计常用的基本参数有以下几个方面。

ω—动能损失，车辆由直线进入道岔侧线以及在曲线中部运行时，由于惯性原因，车辆将保持原有前进方向，但是曲线迫使车辆运行方向改变，将必然发生车辆与钢轨的撞击，此时车辆一部分动能为克服钢轨外力作用而被消耗掉，即横向力冲击钢轨所做的功，这就是动能损失。ω=V2sin2β（V为速度，β为冲击角）。

α—未被平衡离心加速度，回转运动的物体将受到离心力作用。离心力与物体质量的比值，即未被平衡离心加速度，α=V2/R（R为曲线半径）。事实上，车体并非一个质点而有一定的长度，转向架也有轴距。因此，在车辆进出这些曲线变化点时，车辆所受的离心力（离心加速度）有一个渐变过程，只有当车辆的转向架全部进入圆曲线时，未被平衡离心加速度才达到最大值并与车体重心重合。

∮—未被平衡离心加速度增量，车辆由直线进入圆曲线或者由圆曲线进入直线、运行在缓和曲线上（主要指三次抛物线）时，未被平衡离心加速度是渐变的，由此产生未被平衡离心加速度增量。∮=dα/dt=（V2/R）/（L/V）。

上述参数可以保证旅客的舒适度、道岔结构的稳定性和列车运行的平稳性，车辆对道岔的冲击大小将影响道岔的使用寿命。上述参数是通过人体的舒适感实验确定的，以旅客无不良感觉的舒适度选定了上述参数的容许值[1]如下：

ω=0.65km2/h2

α=0.5 ～0.65m/s2

∮=0.5m/s3

式中，R—导曲线半径（m）；L—曲线长度（m）；S—钢轨中心距（mm）；V—车辆运行速度（km/h）。

3.2 曲线半径的选择

根据道岔运行条件，即侧向通过速度，在确保未被平衡离心加速度在容许限值范围内，计算导曲线半径最小值。同时根据未被平衡离心加速度增量的定义，检算是否在限值范围内，以便确定合适的导曲线半径。

用车体未被平衡离心加速度、未被平衡离心加速度时变率作为控制指标进行道岔平面设计，虽然保证了侧向过岔时的舒适性，但对车辆过岔的动态安全性却无法判定。因此，还需要从动力学的角度研究分析车辆过岔时的轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率等安全性指标[2]，非本文论述范围，本文重点分析道岔平面参数。

4 我国常见道岔平面线形

新中国成立初期，我国道岔品种多、轨型杂，仅单开道岔就有6、7、8、9、10、11、12、15、16、24 号共十几种序号，即使同一号数，也有多种轨型道岔，这给铁路养护维修带来极大不便，为此我国铁道部立足将道岔型号和轨型进行统一，先后经历了“50 型”“53 型”“55 型”“57型”“75 型”“92 型”“提速型”“提速改进型”“高速型”道岔，经过不断标准化、统一化，形成了目前主型道岔型号：6 号、7 号、9 号、12 号、18 号、30 号、42 号[3]。钢轨轨型主要为50kg/m、60kg/m、75kg/m 三种轨型，并且颁布了主型道岔的使用规定。其中50kg/m 钢轨6 号主要用于国铁站场编组站对称道岔，50kg/m 钢轨7 号道岔主要用于城市轨道交通地铁站场出入库道岔，60 kg/m钢轨9 号道岔主要用于城市轨道交通正线道岔和国铁进出站用道岔，60kg/m 钢轨12 号道岔主要用于国铁正线用道岔，60kg/m 钢轨18 号道岔主要用于国铁正线联络线道岔及高速铁路正线用道岔，60kg/m 钢轨30 号、42 号道岔主要用于高速铁路联络线用道岔，75kg/m 钢轨9 号、12道岔主要用于重载铁路站线和正线道岔。18 号以下的道岔多采用单圆曲线线形，18 号以上道岔多采用单圆曲线和缓和曲线复合曲线。其中7 号道岔由于占地少，多选用在车辆维修段，平面线形较为特殊，本文进行重点分析。

5 50kg/m 钢轨7 号道岔平面线形分析

5.1 道岔平面几何尺寸

50kg/m 钢轨7 号道岔平面线形几何尺寸参数如表1所示。

5.2 50kg/m 钢轨7 号道岔平面线形安全和舒适性参数

5.2.1 动能损失

根据平面线形，尖轨前端冲击角为1.35328°，导曲线后端后割，冲击角为0.723°，小于尖轨前端冲击角，故只要核算尖轨前端即可。

ω=0.3486km2/h2。

5.2.2 未被平衡离心加速度

未被平衡离心加速度：α=0.3215m/s2。

5.2.3 未被平衡离心加速度增量

未被平衡离心加速度增量：∮=0.1772m/s3。

5.2.4 欠超高

车辆在曲线上运行，产生的离心力：J=mV2/R，为了抵消离心力，一般在曲线轨道上设置外轨超高，即把曲线外轨适当抬高，借助车辆重量的水平分力抵消离心力，达到内外两股钢轨受力均匀、垂直磨耗均匀等，减小离心加速度，即增加了旅客的旅行舒适感以及提高线路稳定性和行车安全性。故J=mgh/S（g为重力加速度，h为抬高值，S为钢轨中心距，一般取值1500mm），即V2/R=gh/S[4]。

5.3 安全性及舒适性参数

安全性及舒适性参数如图2 所示。

5.4 侧股加宽内接条件

侧股加宽10mm，根据地铁B 型车，车轴数4 轴，固定轴距2.2m，转向架中心距12.6m，车轮直径0.84m，轴重14t，根据强制内接条件，轨距加宽值f=15mm，侧股加宽10mm，需要借助车轮游间才能满足车辆强制内接通过条件，建议侧股加宽到15mm 更有利于车轮通过[5]，减少侧向过岔时车轮与轨道的侧磨，减少养护维修工作量，延长轨道使用寿命。

6 结语

目前国内50kg/m7 号小号码道岔，全路站场及地铁维修段用量大概5000 组，道岔因全长短、占地少，具有很高的性价比，现场使用道岔状态稳定，养护维修工作量少，状况良好，深受设计院和用户青睐。50kg/m 钢轨7号道岔大量用于城市轨道交通车辆维修站段及国铁特殊位置，道岔平面线形满足地铁设计规范[6]中关于道岔平面线形的参数要求，但是侧股加宽10mm[7]，需要利用轮轴的横向移动满足车辆通过曲线强制内接条件，增大了车轮与轨道的磨耗，曲股易加宽到15mm。