一种道岔侧向尖轨平面线型及设计方法.pdf

本发明涉及一种道岔曲尖轨平面线型，由直线部分和曲线部分构成：曲尖轨平面线型采用直线、曲线复合型，尖轨部分工作边的线型从尖轨实际尖端至曲线段实际起点为直线段，且曲线段实际起点处至基本轨工作边距离bq大于逆向进岔时车轮最大冲击断面宽度δ；曲线段实际起点至尖轨跟端工作边线型为曲线段；直线段与曲线段工作边产生的冲击角满足公式：（Vc·sinβc）2＜0.8（km/h）2；式中：Vc—列车侧向允许通过速度；βc冲击角。本发明可在列车侧向通过道岔时动力学指标满足要求的前提下，明显加强曲尖轨薄弱断面轨头宽度，提高曲尖轨抗磨能力，进而提高曲尖轨使用寿命。此结构可广泛应用于重载铁路道岔、城市轨道交通道岔、提速道岔等对尖轨使用寿命要求较高的道岔结构中。

1.  一种道岔曲尖轨平面线型，由直线部分和曲线部分构成，其特征在于：曲尖轨平面线型采用直线、曲线复合型，尖轨部分工作边的线型从尖轨实际尖端（6）至曲线段实际起点（5）为直线段，且曲线段实际起点处至基本轨工作边距离bq大于逆向进岔时车轮最大冲击断面宽度δ；曲线段实际起点（5）至尖轨跟端（13）工作边线型为曲线段；直线段与曲线段工作边产生的冲击角满足公式：
（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²；式中：
Vc—列车侧向允许通过速度；
βc冲击角。

2.  根据权利要求1所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，根据道岔设计原则及技术参数确定道岔总体平面布置型式，其特征包括如下步骤：
A、确定曲线段半径R；
B、设置曲线段实际起点；
C、确定曲尖轨最大冲击角βc；
D、确定曲尖轨直线段长度Lz；
E、确定尖轨曲线段长度Lq。

3.  根据权利要求2所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，其特征在于：步骤A所述的道岔曲线段半径R根据道岔侧向允许通过速度Vc计算，
Vc²/（3.6²·R）＜0.8，式中：
Vc—列车侧向允许通过速度，按列车运行需要提出。

4.  根据权利要求2所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，其特征在于：步 骤B所述曲线段实际起点（5）设置原则是：bq大于逆向进岔时车轮最大冲击断面宽度δ；
B-1、对列车运行舒适度要求越高的道岔,bq应尽量向小设置；
B-2、对列车运行舒适度要求越低的道岔，bq可尽量向大设置。

5.  根据权利要求2所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，其特征在于：步骤C所述的最大冲击角βc是步骤B曲线段实际起点（5）处曲线的切线与基本轨（1）工作边夹角,与初始冲击角β₀相等，小于尖轨跟端转辙角β。

6.  根据权利要求2所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，其特征在于：步骤C所述最大冲击角βc：按（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²计算验证，式中：
Vc—列车侧向允许通过速度；
βc—最大冲击角。

7.  根据权利要求2所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，其特征在于：步骤D所述曲尖轨直线段长度Lz，按以下公式计算：Lz=（bq-S₀）/sinβc,式中：
Bq—曲线段实际起点处至基本轨工作边距离；
S₀—尖轨尖端宽度；
βc—最大冲击角；
Lz—直线段长度。

8.  根据权利要求2所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，其特征在于：步骤E所述尖轨曲线段长度Lq是根据尖轨跟端结构型式及扣件方式经验值，先确定尖轨跟端（13）位置，进而确定尖轨曲线段长度Lq。

9.  根据权利要求2所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，其特征在于：当上述步骤形成的平面线型曲线段Lq或直线段Lz无法满足站场空间要求时，允许导曲线实际起点（5）是个折点，此时需按（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）² 设置最大冲击角βc，且需按（Vc·sinβc’）²＜0.8（km/h）²进行验证，式中：
βc’—尖轨曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置的冲击角，按如下方法获得：
a、做出尖轨直线段的延长线（9）；
b、以尖轨直线段的延长线（9）为基线找出相对于尖轨直线段的车轮最大冲击断面宽度δ，并确定该点位置（8）；
c、做出曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置（8）的切线（10）；
d、尖轨直线段的延长线（9）与切线（10）的夹角即为βc’。

10.  根据权利要求9所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，其特征在于：在满足（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²且（Vc·sinβc’）²＜0.8（km/h）²的前提下可以通过尖轨实际尖端厚度S₀、曲线段实际起点处至基本轨工作边距离bq、直线段长度Lz、最大冲击角βc和曲线段半径R主要指标的调整，更好的满足线路对舒适性和使用寿命等方面的要求，使得线型设计更符合线路运行特点。

一种道岔侧向尖轨平面线型及设计方法
技术领域
本发明涉及一种道岔侧向尖轨平面线型及设计方法，属于铁路道岔设计技术领域。
背景技术
道岔侧向尖轨是指列车侧向运行时通过的尖轨。侧向尖轨（以下简称尖轨）是道岔最重要的部件之一，列车逆向进岔时起着引导行驶的列车转向并侧向通过道岔的作用；列车顺向通过道岔产时，尖轨起到限制列车沿尖轨线型进行运动的作用。由于道岔不预设超高，列车在曲线段运行会产生离心力，在进岔与出岔过程中列车都将对尖轨产生侧向力，导致尖轨的侧磨。但是两者存在不同点在于逆向进岔时存在以冲击而强制转向过程，会对尖轨产生冲击，但受列车蛇形运动方式的影响薄弱断面（一般指15mm以下断面）接触几率相对较低，因此因磨损导致破坏几率相对较低；顺向出岔时受列车离心力的影响，会使车轮一直与尖轨曲线段接触，曲线段就会一直承受磨损，尖轨薄弱断面在一定磨损后就会使尖轨轨头抵抗横向力的强度降低，使尖轨轨头撕裂破坏，曲线段起点断面宽度越小，引起破坏的几率越高，从而降低曲尖轨使用寿命。所以说针对顺向出岔而进行的优化设计是提高尖轨使用寿命的有效措施。
解决此问题，一般从两个方面入手：一是加强尖轨表面硬度，提高材料物理性能；二是优化曲尖轨平面线型，减小侧向力和增加薄弱断面轨头宽度。
尖轨的平面线型是指曲尖轨轨头工作边一侧轨距测量点在轨距测量基准水 平面上的连接线形状，直接决定着车轮走行轨迹。目前尖轨平面线型主要有直线型（图3）和曲线型两大类（图4）。
直线型尖轨导曲线实际起点处尖轨断面宽度bq远大于逆向进岔时车轮最大冲击断面宽度δ（国标为40mm），直接延伸至尖轨跟端，从而使初始冲击角β₀、最大冲击角βc和尖轨跟端转辙角β相同。带来的好处是尖轨处于曲率无限大范围，有效消除或减少侧向力，从而使尖轨耐磨性增加，利于减缓尖轨的侧磨，同时在采取一定设计方法的情况下可使尖轨左右侧对称，从而降低加工成本和线路备件品种。缺点是较大范围保持冲击角，使导曲线后移，使得导曲线长度缩短，不利于导曲线半径的改善，使得道岔过岔速度受到较大限制，不利于在同等站场条件下，提高运营效率，还会降低旅客舒适度。
曲线型尖轨定义是bq<δ,从而使初始冲击角β₀小于最大冲击角βc，带来的好处是在同等冲击角的情况下，可使最大冲击断面至实际尖端距离缩短，从而进一步缩短道岔长度，或者在同等道岔长度下获得更好的性能，如导曲线半径增加或冲击角减小等；但是在道岔侧向出岔时车轮沿导曲线运动与离心力切线方向一致，尖轨始终处于磨损状态，且不论大断面还是小断面侧向力一致，致使尖轨均匀磨耗，不利于小断面耐磨性的提高。
发明内容
为了提高尖轨薄弱断面轨头宽度、提高曲尖轨抗磨能力、提高曲线尖轨使用寿命，本发明公开一种道岔尖轨直曲复合线型及其设计方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：这种道岔曲尖轨平面线型，由直线部分和曲线部分构成，其特征在于：曲尖轨平面线型采用直线、曲线复合型，尖轨部分工作边的线型从尖轨实际尖端（6）至曲线段实际起点（5）为直线段，且曲线段实际起点处至基本轨工作边距离bq大于逆向进岔时车轮最大冲 击断面宽度δ；曲线段实际起点（5）至尖轨跟端（13）工作边线型为曲线段；直线段与曲线段工作边产生的冲击角满足公式：
（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²；式中：
Vc—列车侧向允许通过速度；
βc冲击角。
所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，根据道岔设计原则及技术参数确定道岔总体平面布置型式，包括如下步骤：
A、确定曲线段半径R；
B、设置曲线段实际起点；
C、确定曲尖轨最大冲击角βc；
D、确定曲尖轨直线段长度Lz；
E、确定尖轨曲线段长度Lq。
所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，步骤A所述的道岔曲线段半径R根据道岔侧向允许通过速度Vc计算，
Vc²/（3.6²·R）＜0.8，式中：
Vc—列车侧向允许通过速度，按列车运行需要提出。
所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，步骤B所述曲线段实际起点（5）设置原则是：bq大于逆向进岔时车轮最大冲击断面宽度δ；
B-1、对列车运行舒适度要求越高的道岔,bq应尽量向小设置；
B-2、对列车运行舒适度要求越低的道岔，bq可尽量向大设置。
所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，步骤C所述的最大冲击角βc是步骤B曲线段实际起点（5）处曲线的切线与基本轨（1）工作边夹角,与初始冲击角β₀相等，小于尖轨跟端转辙角β。
所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，步骤C所述最大冲击角βc：按（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²计算验证，式中：
Vc—列车侧向允许通过速度；
βc—最大冲击角。
所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，步骤D所述曲尖轨直线段长度Lz，按以下公式计算：Lz=（bq-S₀）/sinβc,式中：
bq—曲线段实际起点处至基本轨工作边距离；
S₀—尖轨尖端宽度；
βc—最大冲击角；
Lz—直线段长度。
所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，步骤E所述尖轨曲线段长度Lq是根据尖轨跟端结构型式及扣件方式经验值，先确定尖轨跟端（13）位置，进而确定尖轨曲线段长度Lq。
所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，当上述步骤形成的平面线型曲线段Lq或直线段Lz无法满足站场空间要求时，允许导曲线实际起点（5）是个折点，此时需按（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²设置最大冲击角βc，且需按（Vc·sinβc’）²＜0.8（km/h）²进行验证，式中：
βc’—尖轨曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置的冲击角，βc’按如下方法获得：
a、做出尖轨直线段的延长线（9）；
b、以尖轨直线段的延长线（9）为基线找出相对于尖轨直线段的车轮最大冲击断面宽度δ，并确定该点位置（8）；
c、做出曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置（8）的切线（10）；
d、尖轨直线段的延长线（9）与切线（10）的夹角即为βc’。
所述道岔曲尖轨平面线型的设计方法，在满足
（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²且（Vc·sinβc’）²＜0.8（km/h）²的前提下可以通过尖轨实际尖端厚度S₀、曲线段实际起点处至基本轨工作边距离bq、直线段长度Lz、最大冲击角βc和曲线段半径R等主要指标的调整，更好的满足线路对舒适性和使用寿命等方面的要求，使得线型设计更符合线路运行特点。
比如可以通过尖轨实际尖端厚度S₀的调整，增加尖轨起始断面的厚度，提高使用寿命，同时可减小直线段冲击角β₀（βc）。
本发明的有益效果是，可在列车侧向通过道岔时动力学指标满足要求的前提下，由于小断面（40mm以下）处于直线段，从而减缓了因离心力作用而产生的侧向力，减小磨损；明显加强曲尖轨薄弱断面轨头宽度，提高曲尖轨抗磨能力；将承受侧向力最大部位延伸至较大断面，有利于抵抗因磨损造成的破坏，实现尖轨薄弱断面强度的有效保持。同时在一定断面宽度后采用曲线线型，利于道岔长度的缩短，减少占地面积，或者提高旅客舒适度。该线型处于直线型和既有曲线型之间，具有两种线型的优点，具有良好的综合性能。综合上述效果可较大幅度提高曲线尖轨使用寿命。此结构可广泛应用于重载铁路道岔、城市轨道交通道岔、提速道岔等对尖轨使用寿命要求较高的道岔结构中。
附图说明
图1是尖轨直曲复合线型示意图。
图2是图1的A-A断面。
图3是直线型尖轨平面示意图。
图4是曲线尖轨平面示意图。
图5是某型号重载道岔尖轨线型示意图
图6是对图5线型的改造，形成直曲复合线型
图中：
1、基本轨轨头；
2、尖轨轨头；
3、尖轨平面线型；
4、尖轨全断面宽度（b）起始位置；
5、导曲线实际起点；
6、尖轨实际尖端；
7、逆向进岔时车轮最大冲击断面；
8、曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置；
9、尖轨直线段的延长线；
10、曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置的切线；
11、轨距测量基线；
12、曲线尖轨时最大冲击断面位置的切线；
13、尖轨跟端位置；
Lz、直线段长度；
Lq、曲线段长度；
R、曲线段半径；
δ、车轮最大冲击断面宽度；
bq、导曲线实际起点至基本轨工作边距离；
b、尖轨全断面宽度；
S₀、尖轨实际尖端厚度
β₀、初始冲击角；
βc、尖轨最大冲击角；
β、尖轨跟端转辙角；
βc’、尖轨曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置的冲击角；
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进一步说明，尖轨的平面线型是指曲尖轨轨头2工作边一侧轨距测量点在轨距测量基线11水平面上的连接线形状，如图1图2所示，直接决定着车轮走行轨迹。
本发明的基本创新点是：曲尖轨平面线型采用直线、曲线复合型，尖轨部分工作边的线型从尖轨实际尖端6至曲线段实际起点5为直线段，且曲线段实际起点处至基本轨工作边距离bq大于逆向进岔时车轮最大冲击断面宽度δ；曲线段实际起点5至尖轨跟端13工作边线型为曲线段；直线段与曲线段工作边产生的冲击角满足公式：
（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²；式中：
Vc—列车侧向允许通过速度；
βc冲击角。
本发明提供一种道岔曲尖轨平面线型的设计方法，根据道岔设计原则及技术参数确定道岔总体平面布置型式，包括如下步骤：
A、确定曲线段半径R：根据道岔侧向允许通过速度Vc计算，
Vc²/（3.6²·R）＜0.65，式中：
Vc—列车侧向允许通过速度，按列车运行需要提出。
B、设置曲线段实际起点5：曲线段实际起点设置原则是：bq大于逆向进岔时车轮最大冲击断面宽度δ；
B-1、对列车运行舒适度要求越高的道岔,bq应尽量向小设置；
B-2、对列车运行舒适度要求越低的道岔，bq可尽量向大设置。
一般情况下bq应小于尖轨全断面宽度b，当站场空间受限等特殊条件下，bq也可大于尖轨全断面宽度b。
C、确定曲尖轨最大冲击角βc：βc是曲线段实际起点5处曲线的切线与基本轨1工作边夹角,与初始冲击角β₀相等，小于尖轨跟端转辙角β。
最大冲击角βc确定后：按（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²计算验证，式中：
Vc—列车侧向允许通过速度；
βc—最大冲击角。
D、确定曲尖轨直线段长度Lz：按以下公式计算：Lz=（bq-S₀）/sinβc,式中：
Bq—曲线段实际起点处至基本轨工作边距离；
S₀—尖轨尖端宽度；
βc—最大冲击角；
Lz—直线段长度。
E、确定尖轨曲线段长度Lq：根据尖轨跟端结构型式及扣件方式经验值，先确定尖轨跟端13位置，进而确定尖轨曲线段长度Lq。
至此，本发明的道岔曲尖轨平面线型的基本设计方案已经完成。
当上述技术方案形成的平面线型曲线段Lq或直线段Lz无法满足站场空间要求时，允许导曲线实际起点5是个折点，此时需按
（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²设置最大冲击角βc，
且需按（Vc·sinβc’）²＜0.8（km/h）²进行验证，式中：
βc’—尖轨曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置的冲击角，按如下 方法获得：
a、做出尖轨直线段的延长线9；
b、以尖轨直线段的延长线9为基线找出相对于尖轨直线段的车轮最大冲击断面宽度δ，并确定该点位置8；
c、做出曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置8的切线10；
d、尖轨直线段的延长线9与切线10的夹角即为βc’。
上述道岔曲尖轨平面线型的设计方法中，在满足动能损失指标：
（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²且（Vc·sinβc’）²＜0.8（km/h）²的前提下可以通过尖轨实际尖端厚度S₀、曲线段实际起点处至基本轨工作边距离bq、直线段长度Lz、最大冲击角βc和曲线段半径R主要指标的调整，更好的满足线路对舒适性和使用寿命等方面的要求，使得线型设计更符合线路运行特点。
比如可以通过尖轨实际尖端厚度S₀的调整，增加尖轨起始断面的厚度，提高使用寿命，同时可减小直线段冲击角β₀（βc）。
上述设计方法中根据道岔设计原则及技术参数确定道岔总体平面布置型式为道岔常规设计步骤，按《道岔设计手册》要求设计。
下面结合具体实例说明本发明的实用效果。
图5是现有技术某型号重载道岔尖轨线型示意图，该道岔侧向容许通过速度为Vc=50km/h，顺向出岔。
图中：导曲线实际起点位置宽度bq=26.4mm，而中国正线铁路车轮最大冲击断面宽度δ=40mm，所以bq<δ。说明该尖轨为为曲线型尖轨。
最大冲击断面7位于曲线段，尖轨最大冲击角βc=0°43′28.7″，得出（Vc·sinβc’）²=0.40（km/h）²，说明该线型满足规定要求。
但是该线型在用于重载线路站场咽喉段时侧磨严重，在运行20～25天时， 尖轨小断面轨头宽度仅剩余1.5mm～2.5mm，且发生轨头撕裂掉块，且随运行天数增加，破损位置逐渐后移，被迫下道，通过总重在3300万吨～4100万吨。尖轨使用寿命很低。
图6是本发明对图5线型的改造，形成本发明的直曲复合线型
图中：导曲线实际起点位置选择在尖轨全断面宽度起始位置，宽度bq=b=71mm，而中国正线铁路车轮最大冲击断面宽度δ=40mm，所以bq>δ。说明该尖轨为直曲复合线型尖轨。
由于既有线型改造，不能实现导曲线实际起点位置与直线段的相切关系，在导曲线实际起点5是个折点。同时为了增大薄弱断面宽度，减小尖轨最大冲击角βc对尖轨尖端宽度S₀进行了加厚处理。为此该线型主要参数如下：
尖轨最大冲击角βc=0°38′25.3″，
则（Vc·sinβc’）²=0.31（km/h）²，
尖轨曲线段相对于尖轨直线段最大冲击断面位置的冲击角
βc’=0°51′20.1″，则（Vc·sinβc’）²=0.56（km/h）²
满足（Vc·sinβc）²＜0.8（km/h）²且（Vc·sinβc’）²＜0.8(km/h)²的要求。说明线型设计满足规定要求。
本发明的效果是增加了直线段长度，减缓了离心力带来的对薄弱断面的磨损，虽然在整轨头起始断面位置增加了冲击磨损，但是该部位轨头宽，金属量大，在较大磨损的状况下，也不会引起破坏，从而大幅度提高尖轨使用寿命。
本发明的另一个效果是曲尖轨关键部位粗壮度明显增加，表明尖轨耐磨性增加，表1是两种线型粗壮度的比较：
表1：