轨道结构理论与轨道力学(高速道岔)

岔枕的设计与制造与钢轨件同等重要。 岔枕与道床、垫板及各种联结零件的组装为 轨道提供合理的弹性，也影响工务及电务系统 正常工作状态。 道岔监控系统及融雪设备。 是工务及电务系统正常工作和高速列车安全 运行的可靠保证，还是指导养护维修的依据。 道岔应结构与区间轨道配套。 道岔轨道刚度、养护维修周期、道岔前后过 渡段的处理措施、道岔零部件的使用寿命设计 等，均应与区间轨道配套。
3. 德国


80年代中期开始，有碴道床高速道岔。采用大 半径＋小半径的复合圆曲线型。 从1996年开始，逐步采用了缓圆缓的线型，无 砟道岔。 高弹性橡胶垫板、滚轮滑床台、U形夹系统。 德国道岔技术在世界上是最先进的，能满足 350km/h的行车条件。
二、高速道岔设计理念
1.系统化设计
T形连接 10mm
凸缘 /



中国：可动心轨均为单肢弹性可弯结构， 长心轨跟端固定，短心轨跟端为滑动式 斜接头，长短心轨密贴段采用栓接结构。 由于侧股存在伸缩接头，结构薄弱，不 适合侧向高速行车。 长心轨转换密贴后，可弯段附近存在 3~5mm不足位移，造成静态轨距偏小。

单肢弹性可弯心轨模型

侧向容许速度(km/h)
55
欠超高（mm）
69
14
16
1366
861
80
75
55.3
77
18
30 38
1106
3050 8400+4200+8400
70（80）
160 160
52.3
99 72
（3）夹直线长度

两道岔组成单渡线时，两反向圆曲线或缓和曲线终点 间必须插入一定长度的夹直线，目的是保证车辆在两 个连接点上的振动不叠加。
220（230） 220（230）
100.7（96）
85（84.9） 85（84.9）
33（39）
30（35） 30（35）

德国：进出站停车用14号和18.5号，渡线用26.5号及 32.5号，42号用于高速线间连接。
导曲线半径（m） 760 1200 4800+2450～∞ 6000+3700 7000+6000 侧向容许速度（km/h） 80* 100 130 160 200 欠超高（mm） 99 98 81.4 81.6 78.7
2.道岔区轨道刚度设置
德国


速度小于160km/h时，仅轨下胶垫提供弹性；当速度 160≤V＜220km/h时，刚度30kN/mm；当V≥220km/h时， 刚度为17.5kN/mm，采用弹性基板提供弹性。 以钢轨底部应力不超过75MPa作为道岔区轨道刚度的 取值，在23t轴重作用下，静刚度为17.5kN/mm。 动态刚度值约为静态刚度值的1.2~1.3倍。 道岔前后设置弹性过渡段，级差2~6级，在0.5秒内过 渡完毕。
2.与区间相同的行车舒适性

高速道岔区尽量与区间线路舒适性相同。 平面线型：采用缓和曲线有利于提高舒适度。 结构设计：尖轨采用全切线线型。合理的轨底 坡。优化尖轨降低值以提高列车运行平稳性。 采用高弹性的硫化橡胶基板，同时合理设置道 岔前后过渡段长度和刚度。
3.具足够的安全性

道岔是轨道结构的薄弱环节，安全性相对较低， 但国外在高速道岔中发生脱轨事故。 高速道岔试验速度应是按设计速度增加10%， 以保证道岔在设计速度运营时的安全。 可靠的锁闭、密贴检查设备：在尖轨及心轨牵 引点间设置密贴检查器，进行尖轨与基本轨、 心轨与翼轨的密贴状态检查。
六、电务转换设备系统

转换系统特点
中国 S700k、ZYJ7、 ZDJ9转换力6KN 多机多点 尖轨分动 法国 MCEM91 转换力7KN 一机多点 尖轨连动 德国 S700K、S700H 转换力6KN 多机多点 尖轨分动 日本 HTS电动 转换力15KN 一机多点 尖轨连动 捣固困难
国家 转辙机 转换方式
涂油和滚 轮结合

法国的滚轮滑床台

德国的滚轮滑床台及弹性夹
2.辙叉部分

辙叉单肢及双肢结构
国家 中国 单肢弹性 栓接 间隔铁 栓接 凸缘 20mm 法国 双弹性肢 栓接 大间隔铁 特殊栓接 U形铁 10mm 德国 双弹性肢 整体焊接 基板固定 日本 单肢弹性 整体铸造 帮轨固定
心轨结构
跟端结构 第一牵引点 结构方式 心轨位移
牵引点 ①不采用钢岔枕 捣固方式 ②捣固困难
①不采用钢岔枕， ①采用钢岔枕 连杆在枕上 ②捣固容易 ②捣固容易
①第一牵引点2～ 4mm②安装调 试第1点 ≤0.5其余点 ≤1mm
①第一牵引点4mm 密贴检查 ②安装调试第 标准 1点≤0.5其余 点≤1mm
同中国
①第一牵引 点4mm

高速道岔普遍采用的多机多点牵引


合理的无缝道岔技术：日本在车站咽喉区两端 设置伸缩调节器。德法通过心轨跟端结构加强、 设置限位器等措施限制尖轨及心轨伸缩位移。 转换系统的锁闭机构能允许尖轨及心轨有较大 伸缩。 可动部分等薄弱环节的强度保证：除日本38号 道岔尖轨采用焊接外，德法两国长大尖轨均不 焊接。尖轨制造过程中不允许发生扭曲，避免 在产生过大的残余应力。
4.高平顺性及低维修工作量


高平顺性是贯穿于高速道岔设计、制造、 组装、运输、铺设、养护等各个环节中 的最为重要的指导思想。 控制不足位移及可动件部分的线型 十分严格的制造与组装公差 道岔定期打磨及机械化铺设维修
5.完善的道岔动力学计算及试验


线型、轨距扩大、结构设计、刚度设计 和转换计算采用专用准静态或动力学软 件分析。 部件性能和道岔整体动力性能分别在室 内和现场进行了大量试验。
0.33～0.66 0.4～0.55 0.45～0.47 0.20～0.49 0.4 0.53～0.55
夹直线L(m)
0.4V(20m)
0.4V
0.4V
19
（2）各国大号码道岔线型和实际设计参数

法国：15.3号用于特殊情况下进站停车，正线与到发线连接用 21号或26号，46号应用于区间渡线，65号用于高速与干线的联 络线。
法国



区间轨下垫层9mm，静刚度90~120kN/mm，动刚度 150~200kN/mm，道碴刚度20~40kN/mm，轨道总刚度 57~80kN/mm。 道岔区板下6mm厚垫层，轨下4.5mm橡胶垫层，轨下 垫层静刚度200~250kN/mm，动刚度400~500kN/mm， 道床刚度40~60kN/mm，轨道总刚度75~105kN/mm。 岔区与区间线路轨道刚度的过渡在5m内完成。 道岔区刚度的确定原则为：控制岔枕的垂直位移不超 过0.5~0.7mm，钢轨的垂直位移不超过1mm。
轨道结构与轨道力学
高速道岔
一、国外高速道岔的研发历程
1. 日本

始于1964年前后，研制高速18号道岔， 1990年研制38号道岔（历时6年），其直 向试验速度和侧向试验速度分别为 240km/h和180km/h。
2. 法国

1975年开始，1981年制造第一代木岔枕高速道 岔 (46号和 65号)，直向过岔270 km/h。 第二代道岔的改进主要是采用混凝土岔枕， 1990年创造了501 km/h直向过岔的世界纪录。 目前法铁在巴黎至马赛的线路上普遍应用的是 第三代道岔，直向行车速度达到300km/h。 第四代道岔主要是在第三代的基础上采用了 NiCr减磨镀层和可调滚轮，并计划推广应用至 速度330km/h以上的新线上。
扣压件
II、III型弹条扣 Nabla弹片扣压力 压力10～ 10～12kN 13kN
5mm橡胶垫板，刚 度200kN/mm 10mm橡胶垫板， 刚度 100kN/mm 刚性台板弹片扣 压扣压力 10kN 4.5mm橡胶垫板， 刚度 250kN/mm
Vossloh弹条扣 压力10～ 12kN
6mm橡胶垫板， 无弹性
三、高速道岔设计参数 和平面线型
1.高速道岔设计轴重
国家 中国 法国 德国 日本
设计轴重
17t（货运 25t）
17t
19t（货运 25t）
17t
运输方式
客、货
客运
客、货
客运
2.平面设计参数
（1）平面设计参数标准
参数 离心加速度α(m/s2) 离心加速度时变率 ψ(m/s3) 中国 0.5 0.4 法国 德国 日本
秦沈38号道 岔心轨结构

法国：可 动心轨采 用双肢弹 性可弯、 高锰钢铸 造翼轨、 加长翼轨 结构。

德国：双肢弹性可心轨，心轨前部采用与钢轨 同一材质的钢坯经机械加工的三角块，接着为 4~5块间隔铁式顶铁，辙叉跟端下部为很长的 大垫板。
五、高速道岔扣件系统 及轨道刚度
1.扣件系统
国家 中国 法国 德国 日本

尖轨根端间隔铁
（5）尖轨转换不足位移的控制


控制标准：法国规定高速道岔不足位移应 小于1mm，高速道岔（V≥250km/h）的不足 位移应小于0.5mm。 控制措施：
国家 中国 法国 德国 日本
尖轨减少转 换阻力措施
涂油
①普遍应用涂油 ②新开发了滚轮 和NiCr涂层
滚轮方式 抬升尖轨 避免振动


电务与工务是两个相互影响的一体化系统。 电务：保证道岔正常转换与锁闭、适应道 岔尖轨与心轨的自由伸缩、保证尖轨与心轨转 换后的正常工作线型。 工务：为电务提供良好的工作环境与安装 平台、在结构设计上与电务配合。 高速道岔是高精密机械设备不是工程结构物。 设计、制造、运输、铺设与维修中，道岔 各部件的制造工差与装配误差应严格控制。
（1）尖轨类型
法国和德国高速道岔的尖轨均采用整根AT轨加工 制造，日本38号道岔的尖轨采用中间焊接的方法，与 我国秦沈客运转线38号相同。
国家 型号 中国 60D40 法国 60D 德国 Zul-60 日本 80S
材质和强度
980MPa U75V
/
900A
1100MPa
800MPa
淬火
/
淬火
按用户需要
刚性扣件
钢轨下 垫层 垫板下 垫层 滑床台及 扣压件
无 塑料垫板 防止 切割 刚性扣压 台板
6mm橡胶垫板，刚 整体硫化刚度为 度750kN/mm 17.5kN/mm 刚性台板弹片扣 压扣压力 12kN 低弹性台板弹片 扣压扣压力12kN

法国NABLA扣件

德国Vossloh扣件

德国高速道岔中的硫化基板扣件系统
国家 中国 法国 德国
夹直线 L（m）
V≤130km/h， 圆曲线间需加入夹 0.15V L≥0.4V，困难条 直线 V>130km/h，0.4V 件下不小于 两缓和曲线可直接 20m两缓和曲 两缓和曲线可直接 连接，可加入 线可直接连接。 连接，可加入 直线段 直线段
四、高速道岔结构特点
1.转辙器
不详

跟端扣件：德国和法国在尖轨跟端都采用了窄 小的弹性扣件，中国采用III型接头扣件，日本 采用刚性扣件。

跟端限位器：德国在尖轨跟端设置多个限位器。 法国不设。中国采用限位器。日本采用间隔铁 结构。
国家
中国
法国
德国
日本
尖轨跟端结构
限位器
不设
设置数量不等 的限位器
间隔铁

尖轨根端限位器

尖轨根端多个限位器
道岔号数 14 18.5 26.5 32.5 42
39.11
50
10000～4000～∞
17000～7300～∞
160
220
75.5
78.3

日本：进出站停车用18号，38号用于高速线出岔，14 号为对称道岔，用于到发线间的连接，16号用于段线， 12号用于站线。
导曲线半径（m）
516
道岔号数
12
（2）尖轨尖端形状及位置


各国道岔尖轨尖端均采用藏尖结构，藏尖深度 均为3mm。 尖轨尖端降低值。法国17mm，德国16mm， 日本22mm，中国为23mm。 法国高速道岔尖轨从顶宽22mm处开始降低， 远小于我国从50mm顶宽处开始降低，目的是 减少轮对在基本轨顶面接触点外移距离，减小 蛇行运动，提高列车运行的平稳性。
（3）尖轨轨顶坡

采用动力学理论优化轨底坡设计以减缓轮 对蛇行运动。
国家
中国
法国
德国
日本
轨底坡（尖轨、心轨轨顶坡） 1:40
1:20
1:40
1:40
（4）尖轨跟端结构

90度温差条件下尖轨伸缩位移量设计值。
国家
中国
法国
德国
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日本
尖轨伸缩量 （mm）
±40（18）
±60 （42、 62）
±30
±40
导曲线半径 （m）
820 1540 2500
道岔号数 （60kg/m钢轨）
15.3 21 26
侧向容许速度 (km/h)
80 100 130
欠超高 （mm）
92 76.6 79.8
欠超高时变率 (mm/s)
46
65 65
3000（3550）～∞
6720（7350）～∞ 6720（7350）～∞
160（170）