高速铁路道岔技术.docx
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高速铁路道岔技术
10高速铁路道岔技术
10.1高速道岔类型
在高速铁路中，道岔有其特殊的地位，几乎无一例外地通过单开道岔实现两股轨道的连接。
高速道岔在其功能上和结构上与常速道岔相比，虽无原则上的区别，但要求安全性和舒适性更高。
按分界点设置方案不同，高速道岔一般分为两种类型。
第一类用于中间站、区段站的车站正线
因为通过道岔侧股时，必然是进站停车或停站后出站，所以侧向过岔仅要求满足中速运行条件。
属于这一类的有我国客运专线的18号道岔，日本新干线的18号道岔，法国高速新线的20号道岔，德国高速新线的18.5号道岔，俄罗斯的18号和22号道岔，美国的28号道岔，意大利的18.2号道岔等。
国外铁路在这些线路上夜间停运，有足够的时间养路，虽然站间距离较长，在区间也不设渡线，即在正常运营时不采用反向行车。
第二类用于区间渡线和高速侧向过岔的部位
一是因为站间距离较长，电务和工务实行天窗维护，需要反向行车；二是因为高速客运专线与既有线大站间的联络线需要高速侧向过岔。
属于这一类的有我国客运专线的42号、50号道岔，法国高速新线的tg0.0218即46号和tg0.0154即65号道岔，日本新干线的38号道岔，德国高速新线的26.5号和42号道岔，英国的tg0.0145即69号道岔等。
国内外高速铁路中高速道岔主要技术参数见表10.1.1。
表10.1.1国内外高速道岔主要技术参数
国别
轨距
S0
（mm）
道岔类型
辙叉角
（rad）
道岔号码
N
尖轨
导曲线
道岔
全长
L全（mm）
侧向过岔
速度V
（km/h）
类型
尖轨
切点顶宽b1（mm）
尖端角
β0（dcg）
长度
L尖（mm）
线形
半径
R（m）
欠超高
h欠（mm）
法国
1432
UIC60轨
单开
0.0154
65
用于渡线
切线形弹性可弯式
5.5
4,23.9,,
57700
三次
抛物线
6720~∞
85
208440
220
0.0218
46
用于渡线
切线形弹性可弯式
5.5
7,49.4,,
三次
抛物线
2123~∞
142
160
0.0300
33
割线形弹性可弯式
18,00,,
16000
圆曲线
3000
100
74000
140
0.0333
30
切线形弹性可弯式
5.5
6,28,,
圆曲线
3100
100
102060
160
0.0500
20
切线形弹性可弯式
5.5
9,38,,
18350
圆曲线
1300
91
66565
100
0.0500
20
割线形弹性可弯式
25,00,,
15000
复心曲线
2000-1300-2000
91
58172
100
0.0850
11.8
割线形弹性可弯式
12000
复心曲线
605-485-605
96
40310
70
UIC50轨
对称
0.0340
29.4
切线形弹性可弯式
9,00,,
16000
圆曲线
6000
50
88100
160
日本
1435
60轨
单开
0.0263
38
用于渡线
切线形弹性可弯式
0,00,,
42100
复心曲线
8400-4200-8400
90
36（160
km/h时）
134790
160
0.0555
18
切线形弹性可弯式
0,00,,
18000
圆曲线
1106
52
71349
70
德国
1433
UIC60轨
单开
0.0377
26.5
切线形弹性可弯式
2
4,20.9,,
31740
圆曲线
2500
80
94330
130
0.0541
18.5
切线形弹性可弯式
2
6,16.5,,
23947
圆曲线
1200
98
64818
100
S69轨
对称
0.0541
18.5
切线形弹性可弯式
9,55.22,,
20700
圆曲线
2400
96
64808
140
英国
1432
BS110A
（54.4kg/m）
单开
0.0357
28
弹性可弯式
9,59,,
18288
复心曲线
1527.4-126.5-1527.4
90
67142
96
0.0357
28
用于渡线
弹性可弯式
10,46.7,,
18288
复心曲线
2514.6-1634.9-2514.6
90
74457
110
0.0410
24
弹性可弯式
27907
复心曲线
1923.3-1650.4-1923.3
90
100
意大利
1432
0.0340
29.4
切线形弹性可弯式
0.1
0,53,,
37000
圆曲线
3000
100
109826
110
0.0550
18.2
切线形弹性可弯式
0.1
1,24,,
29550
圆曲线
1200
98
69000
100
荷兰
1432
NP46轨
单开
0.0333
30
切线形弹性可弯式
4
5,36.8,,
缓和曲线
3000~∞
100
101960
160
0.0400
25
切线形弹性可弯式
4
6,52.5,,
缓和曲线
2000~∞
100
83300
130
0.0500
20
切线形弹性可弯式
3
7,41.1,,
缓和曲线
1200~∞
100
64545
100
NP46轨
对称
0.0500
20
割线形弹性可弯式
17,00,,
13500
缓和曲线
2547-2000-2500-∞
98
57020
130
0.0666
15
割线形弹性可弯式
缓和曲线
1200~∞
98
42380
100
续表10.1.1
国别
轨距
S0
（mm）
道岔类型
辙叉角
（rad）
道岔号码
N
尖轨
导曲线
道岔
全长
L全（mm）
侧向过岔
速度V侧
（km/h）
类型
尖轨
切点顶宽b1（mm）
尖端角
β0（dcg）
长度
L尖（mm）
线形
半径
R（m）
欠超高
h欠（mm）
瑞士
1433
单开
0.0357
28
切线形弹性可弯式
3
4,30,,
螺旋曲线
3500-2350
80
100395
160
0.0400
25
切线形弹性可弯式
3
5,13.3,,
32100
螺旋曲线
2600-1600-2445
106
82500
130
0.0520
19
切线形弹性可弯式
5
11,27.3,,
21200
缓和曲线
900~∞
106
56488
100
比利时
1432
单开
0.0340
29.4
切线形弹性可弯式
5
6,17.2,,
28000
圆曲线
2990
101
101604
160
0.0420
23.8
切线形弹性可弯式
5
7,41.1,,
16000
圆曲线
2000
100
61992
130
0.0540
18.5
切线形弹性可弯式
5
9,59,,
18000
圆曲线
1185
100
64309
100
对称
0.0550
18.2
15,00,,
16000
圆曲线
2266
88
61992
130
捷克
1435
50轨
单开
0.0543
18.4
割线形弹性可弯式
9,01,,
圆曲线
1200
98
64900
100
美国
1435
132RE轨
单开
0.0500
20
割线形弹性可弯式
22,00,,
11887
圆曲线
1060
74
57849
80
140RE轨
单开
0.0420
24
割线形弹性可弯式
15,40.35,,
11887
圆曲线
3000
77
64673
140
俄罗斯
1520
P65轨
单开
0.0455
22
割线形弹性可弯式
21,41.49,,
18500
复心曲线
3308-1440-3308
51
71120
120
0.0555
18
割线形弹性可弯式
25,00,,
15500
复心曲线
1698-960-1698
45
57519
80
中国
1435
60AT轨
单开
0.0263
38
半切线形弹性可弯式
3.3
4,50.4,,
37630
圆曲线
3330
91
136200
160
0.0333
30
半切线形弹性可弯式
23.5
14,20.5,,
27980
圆曲线
2700
86
102400
140
60AT轨
单开
提速型
0.0555
18
半切线形弹性可弯式
25
27,9.9,,
15680
圆曲线
800
94
60000
80
0.0555
18
半切线形弹性可弯式
25
27,9.9,,
13500
圆曲线
800
94
56547
80
60轨
92型
单开
0.0555
18
半切线形弹性可弯式
34,2.2,,
12500
圆曲线
800
94
59976
80
10.2高速道岔结构特征
综观国内外高速道岔结构，其特征主要如下：
10.2.1转辙器
（1）转辙器尖轨采用矮形特种断面钢轨制造的藏尖式、曲线形、弹性可弯式跟端尖轨。
（2）为防止车轮轮缘冲击和扎伤尖轨尖端，使尖轨尖端埋藏在基本轨轨头侧面刨切部分，以便使尖轨轨头非工作边与基本轨工作边相密贴。
（3）为增大导曲线半径，道岔侧股设计为曲线形尖轨，曲线尖轨半径与导曲线半径相一致。
（4）曲线尖轨有切线形和割线形之分。
尖轨与基本轨的平面连接方式有普遍采用切线形曲线尖轨的趋势。
日本、法国和德国高速道岔均为切线形。
一般在尖轨顶宽2.5~5mm处作斜切以减小其薄弱部分的长度。
我国采用相离半切线形，俄罗斯采用割线形曲线尖轨。
（5）曲线尖轨尖端有冲击角和无冲击角之分。
一般半切线形曲线尖轨尖端有冲击角，如我国的高速道岔，而切线形曲线尖轨尖端有的有冲击角，如法国的高速道岔，有的则无冲击角，如日本的高速道岔，冲击角的大小直接关系到逆岔侧向过岔速度。
（6）曲线尖轨的长度一般都较长，少则10几米，长则40~50多米，它分为尖轨跟端部分、尖轨可弯部分及尖轨板动部分的长度。
为保证尖轨的转换可靠性及板动到位，常设置多根转辙杆，如法国的65号道岔，尖轨长57.5m，采用6根转辙杆；日本的38号道岔，尖轨长42.1m，也采用6根转辙杆；德国的26.5号道岔，尖轨长31.74m，采用4根转辙杆；我国的18号道岔，尖轨长21.45m，设置了3根转辙杆。
（7）尖轨跟端经模压加工成与标准钢轨相同的断面，并用焊接方法使其与相邻的钢轨连接，同时用能纵向调节的弹性扣件牢固扣压，以提高转辙器的稳固性和可靠性。
（8）直股尖轨为直线形，尖轨尖端轨距不作任何加宽，有利于高速直向过岔。
10.2.2辙叉及护轨
（1）有高锰钢整铸辙叉和可动心轨或可动翼轨之分。
为消灭辙叉有害空间及减小翼轨冲击角，加大导曲线半径，一般可采用由特种断面钢轨制成的可动心轨式高锰钢曲线辙叉，它是保证道岔直向过岔速度与区间轨道高速运行速度相一致的主要有效技术措施。
（2）可动心轨辙叉长度一般为10m左右，长则达到15~20m，比固定式辙叉长度增长很多。
（3）可动心轨辙叉一般是由可动心轨、翼轨和尾轨构成，为提高辙叉的耐磨性和整体性，多采用高锰钢铸造并经机加工制成。
（4）在构造上，心轨实际尖端较翼轨顶面低一些，心轨与翼轨轨头贴靠范围内，采用埋藏心轨尖端的轨头。
（5）在固定式辙叉中，为减小辙叉咽喉和翼轨缓冲段的冲击角，防止车轮爬轨，提高过岔速度，普遍采取加长翼轨缓冲段的长度，减小辙叉咽喉宽度，改变翼轨在辙叉理论中心处的外形。
（6）可动心轨辙叉一般不设护轨，但侧股也有设置的，一般采用H型护轨、防磨护轨或弹性护轨，增强护轨工作边横向强度。
为防止辙叉磨耗，加长护轨缓冲段长度，以减小护轨冲击角。
为更有效车轮导向，减少心轨磨耗，使护轨稍高于基本轨。
10.2.3道岔导曲线
道岔导曲线线形以圆曲线为主，也有采用复心曲线的，采用缓和曲线自然优越。
一般18号道岔多用圆曲线形导曲线，日本的38号道岔导曲线为复心曲线，大号码道岔以采用缓和曲线导曲线为佳，如法国的46号、65号道岔导曲线为单支三次抛物线形导曲线，半径最大处位于导曲线终点即曲线辙叉跟端，而瑞士的25号道岔导曲线则为螺旋曲线形。
10.2.4其他方面
（1）为能与车轮踏面形状相适应，道岔内钢轨设置轨顶坡1：
40，一般是在道岔垫板、滑床板和尖轨轨头设置坡度。
（2）为消灭道岔内钢轨接头，多采用半焊或全焊无缝道岔，以提高高速过岔的平稳性与舒适性。
（3）设置低刚度轨下胶垫，提高道岔轨道弹性。
（4）采用弹性扣件扣压道岔钢轨。
（5）道岔岔枕除采用硬质木岔枕外，现多采用混凝土岔枕或新型合成材料岔枕，以及铺设枕式或板式无砟道岔。
10.3限制高速侧向过岔速度的因素
思考高速侧向过岔设计时，首先要确定速度目标值，而侧向过岔速度主要受到导曲线欠超高、欠超高时变率和未被平衡离心加速度时变率的影响。
10.3.1欠超高
由于道岔曲线不设超高，当列车通过时将产生欠超高为
（10.3.1）
式中h欠——欠超高（mm）；
V侧——侧向过岔速度（km/h）；
R导——导曲线半径（m）。
国内外铁路道岔曲线欠超高规定见表10.3.1。
表10.3.1道岔曲线欠超高允许值
国别
最大欠超高值（mm）
德国
100
法国
150（实用130）
TGV东南线90
英国
长钢轨区间110
其他区间90
日本
一般区间90
新干线18号道岔52
新干线16号道岔58
新干线14号道岔62
新干线9号道岔93
新设计道岔100
中国
100
10.3.2欠超高时变率
由于道岔导曲线为圆曲线，将引起欠超高时变率为：
（10.3.2）
式中
——欠超高时变率（mm/s）；
——转向架中心距（m）。
10.3.3未被平衡离加速度时变率
列车通过道岔导曲线时，因欠超高而引起未被平衡离心加速度时变率为：
（10.3.3）
式中
——未被平衡离心加速度时变率（g/s）；
——轨头中心距（mm）。
图10.3.1为日本铁路和UIC（欧洲铁路联盟）对列车通过导曲线时未被平衡离心加速度时变率的实测结果，可见，当
=100~220km/h时，
=0.15~0.45g/s。
图10.3.1横向离心加速度时变率实测结果
10.4高速侧向过岔技术参数试算
10.4.1试算条件
1）允许欠超高h欠=110mm；
2）未被平衡离心加速度的时变率
=0.2g/s；
3）转辙器尖轨采用切线形弹性可弯式尖轨；
4）辙叉采用可动心轨式曲线辙叉；
5）侧向过岔速度V侧=160km/h。
10.4.2欠超高计算
据式（10.3.2）和式（10.3.3），欠超高为：
因比试算条件大，故取
=110mm。
10.4.3导曲线半径试算
据式（10.3.1），导曲线半径为：
取R导=2800m。
10.4.4尖轨尖端角试算
由图10.4.1，曲线尖轨尖端角
为：
则
（10.4.1）
式中
——曲线尖轨尖端角（deg）；
R——导曲线半径（m）；
b1——曲线尖轨切点顶宽（mm）。
据式（10.4.1）得：
图10.4.1
10.4.5辙叉号数试算
由图10.4.1，辙叉角α为：
（10.4.2）
∴
则辙叉号数N为：
10.4.6尖轨长度试算
尖轨理论起点至实际尖端间的距离A0及转辙角
分别为：
曲尖轨长度L曲尖及直尖轨长度L直尖分别为：
10.5未来的高速道岔
10.5.1高速道岔类型
未来的高速铁路运行需要下述两种道岔。
第一种为保证直向高速运行的道岔，直向过岔速度同区间轨道一致；第二种为提高侧向运行速度的道岔，主要用于渡线或联络线。
在选择高速道岔技术参数时，应考虑到道岔用途，主要因素是确保旅客舒适性、道岔部件强度和运行安全性。
10.5.2道岔系列标准化
道岔系列的标准化与各国铁路既有线提速的规划和高速铁路的发展密切相关，一般而言，可采用12、18、22、30、38、42
50和65号标准化系列。
10.5.3道岔号码与过岔速度
道岔系列与过岔速度相关，如表10.5.1所列。
表10.5.1道岔号码与过岔速度
道岔号码N
12
18
22
30
38
46
65
直向过岔速度（km/h）
120~160
160~200
160~200
200
200~250
≥250
≥300
侧向过岔速度（km/h）
50
80
120
140~160
160
160
≥200
10.5.4道岔技术研发构想
未来的高速道岔结构应着眼于下列诸项技术研发，如图10.5.1所示。
图10.5.1未来道岔的构想
（1）发展特种断面钢轨制造的藏尖式、切线形、弹性可弯式曲线尖轨，并且应确保尖轨板动到位，尖轨跟端扣着牢固，自动显示转换状态。
（2）发展消灭有害空间的弹性可弯式曲线辙叉。
（3）开发新型合成材料岔枕，以及无道床捣固和不更换岔枕的少维修道岔。
（4）采用弹性轨下垫层和弹性扣件，降低并均匀化道岔轨道刚度，减小道岔破坏程度，延长道岔设备使用寿命。
（5）开发减小尖轨、辙叉及护轨各部位冲击角的道岔结构，降低道岔轨道振动，提高过岔的平稳性与安全性。
（6）开发对称道岔，改造既有道岔，以期提高侧向过岔速度。
（7）开发道岔除雪装置。
（8）消灭道岔钢轨接头，发展无缝道岔。
（9）开发新型道岔自动化检测装置。
（10）开展道岔结构动力学仿真研究，为道岔设计提供理论基础。
10.6新建高速道岔及其相关技术
10.6.1高速道岔设计技术要求
（1）设计基本原则
Ø道岔和渡线的几何尺寸设计既要实现磨耗小又要经济；
Ø在考虑钢轨设轨底坡的情况下，按运动学和降低磨耗的要求对车轮过渡段进行优化设计；
Ø按少维修和经济性要求，优化道岔区轨道部件的减振措施；
Ø采用可少润滑的活动部件；
Ø采用具有可靠且少维修的道岔转换系统。
（2）道岔几何尺寸要求（表10.6.1）
表10.6.1道岔几何尺寸要求
道岔始端的最大横向加速度增量
≤1.0m/s3
道岔区内部的最大横向加速度增量
≤0.4m/s3
最大横向加速度
≤0.5m/s2
道岔内曲线组合
螺旋曲线—圆曲线—螺旋曲线
渡线中的曲线轨迹
无夹直线，而有直至渡线中点的螺旋曲线
曲线段长度
约为整个几何长度的1/3
转辙器的几何形状
少磨耗的FAKOP设计
钢轨内倾度（轨底坡）
1：
20
（3）道岔结构技术要求（表10.6.2）
表10.6.2道岔结构技术要求
钢轨断面
UIC60900A—品质HSH
尖轨截面
UIC60900B—品质HSH
轨枕间隔
600±20mm
尖轨设计
根端锻压成内倾度为1：
20的非焊接弹性可弯尖枕
带肩垫板支承
带肩垫板旁使用硫化弹性体弹簧，钢轨沉降约2mm。
由此得出的支承刚度取决于轨道刚度（其值在10和17.5kN/mm之间），从而使刚性部件（如辙叉）与普通的轨道支承点产生相同的沉降量。
道岔/轨道弹性过渡段
刚性轨道和软支承道岔之间的弹性过渡段长度=0.5s运行时间
基本轨固定措施
在勃兰登堡型基本轨下面装有分离式基本轨内卡装置和中间衬垫
辙叉结构类型
可动心轨辙叉，速度v=160~350km/h
钢轨长度
在道岔范围内尽量少焊接
轨枕设计
带贯穿螺栓的预应力混凝土岔枕，尺寸宽为300mm，高为220mm，最长为3.30m，较长的轨枕为分段铰接形式，装有弹性减振器。
道岔转换系统
装有多台转辙机和尖轨位置检查装置的优化转换系统。
设有备用转换设备，以提高可使用性。
锁闭系统
在转辙器内设下压力可调的HRS锁闭装置，而在可动心轨辙叉内设VCC锁闭装置（法国型式）
锁闭器轨枕
尖轨转辙器和可动心轨下为钢制带锁闭器的岔枕和一体化转辙机支承
10.6.2三种高速道岔设计技术条件
（1）V=350/220km/h的道岔
1）适用于渡线单开道岔，其设计简图见图10.6.1。
图10.6.1渡线单开道岔设计简图
2）直向过岔速度350km/h，侧向过岔速度220km/h
3）道岔实际全长180m，渡线全长414.794m
4）转辙器
●转辙器全长63m
●无焊缝尖轨长61.70m
●设有8个与锁闭器轨枕构成一体的HRS锁闭装置
●设有8个尖轨终到位置检查装置
5）辙叉
●辙叉全长28.80m
●弹性可动心轨（1：
50fb型）
●心轨上装有一台VCC锁闭装置
●设有3台转辙机转换心轨，并安装有4个终端位置检查装置
6）曲线半径17000—7300—17000m
7）无焊接连接钢轨最长63.40m，最短20.40m
（2）V=350/160km/h的道岔
1）适用于正线单开道岔或渡线单开道岔
2）直向过岔速度350km/h，侧向过岔速度160km/h
3）道岔全长130m
4）弹性可动心轨（1：
33fb型）
5）曲线半径10000—4000—10000m
（3）V=350/100km/h的道岔
1）适用于正线单开道岔
2）直向过岔速度350km/h，侧向过岔速度100km/h
3）道岔全长81m
4）弹性可动心轨（1：
22fb型）
5）曲线半径3000—1500—3000m
10.6.3尖轨过渡段几何尺寸动态优化设计要点
尖轨转辙器的车轮过渡段几何尺寸动态优化设计（FAKOP）见图10.6.2，其设计要点如下：
图10.6.2尖轨动态优化设计的过渡段
（1）车轮在尖轨转辙器上继续保持在普通轨道上运行时的正弦型运行轨迹。
（2）在道岔侧股轨道上，根据轮轨接触关系，通过有目的地控制车轮，减少尖轨的侧面磨耗。
（3）延长尖轨转辙器的使用寿命4至8倍。
（4）由于尖轨尖端和车轮过渡段的轨头断面加厚，提高了尖轨的磨耗储备量。
（5）通过对正弦运动的控制，提高了尖轨转辙器的状态稳定性。
（6）整体明显降低维修费用。
10.6.4高弹性带肩垫板设计要点
节点刚度为17.5KN/mm的带肩
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