三线套轨铁路道岔曲线形钝角辙叉设计

杨启武 邢明照 姚彬 于浩然

1.中国港湾工程有限责任公司，北京100027；2.石家庄铁道大学，石家庄050043

随着我国经济的飞速发展，与世界各国的经济往来越来越频繁，国际地位不断提高。在这样的大背景下，习近平总书记提出了一带一路倡议，即丝绸之路经济带和海上丝绸之路。构建丝绸之路经济带要创新合作模式，加强“五通”，即政策沟通、设施联通、贸易畅通、资金流通和民心相通，以点带面，从线到片，逐步形成区域大合作格局。其中，基础设施联通是基础性关键领域，而铁路联通则是设施联通的优先领域。

纵观国际铁路市场，随着我国一带一路倡议的纵深推进，一批新的国际铁路已纳入规划或正在进行前期的研究工作。国际铁路建设中面临着不同国家轨距标准不同的难题，甚至在同一国家内部也存在着不同的轨距，不同轨距铁路网衔接融合的需求巨大。欧洲、非洲、孟加拉国、越南、巴基斯坦等一带一路沿线国家轨距差异较大，主要有1 000、1 067、1 435、1 520、1 676 mm等轨距。一般的处理方法是采用1 435 mm标准轨距将宽轨距或窄轨距的线路串联起来，共用轨枕和路基，形成套轨铁路。

在各种套轨铁路中，采用1 435 mm/1 000 mm套轨形式的线路较多，其既能满足1 000 mm窄轨列车和1 435 mm标准轨列车共同使用线路的要求，又能节约土地和建设资金，减轻环境污染，提高铁路的运输能力。因1 435 mm/1 000 mm套轨铁路一般采用3根钢轨，故称为三线套轨铁路，相应的道岔称为三线套轨道岔。与既有道岔相比，三线套轨道岔形式更加多样，结构更加复杂，设计过程中面临着轨件与零部件空间布置的难题，其中辙叉设计更为突出。本文针对辙叉的设计问题进行深入研究。

1 钝角辙叉平面设计

1.1 三线套轨道岔形式分析

三线套轨铁路中的标准轨线路和米轨线路按照直行、朝共用轨转向、朝非共用轨转向三种方式进行组合。三线单开套轨道岔可分为14种结构形式，其中最典型的两种道岔结构形式（图1）为：①套轨朝共用轨一侧转向，套轨直行；②套轨朝非共用轨一侧转向，套轨直行。

图1 三线单开套轨道岔典型形式

由图1可知，无论哪种形式的三线套轨道岔均存在钝角辙叉。钝角辙叉能够实现标准轨列车跨越米轨线路、米轨车跨越标准轨线路。

1.2 机车及道岔设计参数

CK1E、CK1F、CKD7F型米轨机车主要设计参数见表1［1］。标准轨机车的主要设计参数参照《道岔构造与设计》［2］。

表1 米轨机车主要设计参数

道岔设计时，采用轨距1 435 mm/1 000 mm的三线套轨，轨缝长度为8 mm。钢轨为60 kg/m钢轨。导曲线半径350 m。岔枕为混凝土枕。直向过岔速度90 km/h，侧向过岔速度50 km/h。

1.3 辙叉及护轨主要尺寸计算

钝角辙叉平面尺寸见图2。其中：tg1、tg2、tg3分别为曲线护轨平直段轮缘槽宽度、缓冲段终端轮缘槽宽度、开口段终端轮缘槽宽度；lp1、lp2、lp3分别为钝角辙叉护轨工作边长度、钝角辙叉护轨轮缘槽展宽部分工作边长度、钝角辙叉开口部分长度；lc1、lc2、lc3分别为钝角辙叉心轨非工作边有效部分长度、钝角辙叉心轨非工作边轮缘槽展宽部分长度、钝角辙叉开口部分长度；x1、x2、x3分别为曲线护轨平直段长度、曲线护轨缓冲段长度、曲线护轨开口段长度；D1为查照间距。

图2 钝角辙叉平面

1）辙叉理论角计算

三线套轨道岔中的导曲线后无后插直线，且导曲线伸入到辙叉，钝角辙叉只能采用曲线形。

根据标准轨距的尖轨工作边曲率半径R'与标准轨到米轨的距离S0的几何关系（图3），可求得曲线辙叉理论角α0［3］。α0=cos-1(R'-S0)/R'=cos-1(350 935-435)/350 935=2.853°。

图3 曲线辙叉理论角

道岔号数为cotα0=20.06。可见，岔号数较大时须对护轨进行单独设计。

2）轮缘宽度及查照间距计算

计算辙叉咽喉轮缘槽宽度t1时，考虑标准轨距的误差为3 mm，标准轨距为1 435 mm，则计算轨距取1 438 mm；标准轨轮背距离最小值1 350 mm，轮缘厚度最小值22 mm，轮对车轴变弯后将导致车轮内侧的距离减小2 mm［2］。因此，t1=1 438-(1 350+22-2)=68 mm。

计算查照间距D1时，由于车轴的弯曲，轮背内侧的距离将变大，取经验值2 mm；标准轨轮背距离最大值为1 356 mm，轮缘厚度最大值为33 mm。因此，D1=1 356+33+2=1 391 mm。

3）曲线护轨轮缘槽宽度及长度计算

曲线辙叉比直线辙叉构造复杂，养护维修困难。辙叉曲线工作边一侧须安装曲线护轨，护轨的轮缘槽要适当加宽，因此道岔的正线和侧线护轨不同。

计算护轨轮缘槽宽度tg1时，护轨的侧面磨耗限度取经验值2 mm。根据导曲线半径和查照间距，计算得出曲线护轨的轮缘槽加宽值为3 mm。因此，护轨平直段轮缘槽宽度tg1=1 435-1 391-2+3=45 mm。缓冲段终端轮缘槽宽tg2的计算条件与辙叉咽喉轮缘槽宽度t1的条件相同，tg2=t1+3=71 mm。开口段终端轮缘槽宽tg3取经验值93 mm［2］。

曲线护轨平直段从正对辙叉咽喉处起，到正对叉心宽50 mm处止。展宽段的弯折角度β0取1.54°。因此，护轨平直段长度为x1=(t1+50)/tanα0+600=2 968 mm；缓冲段长度为x2=(tg2-tg1)/tanβ0=(71-45)/tan1.54°=967 mm。护轨开口段长度x3取150 mm。

4）钝角辙叉护轨长度及辙叉趾距和跟距计算

参照标准轨的计算方法计算米轨的查照间距D'1、护轨的平直段轮缘槽宽度t'g1和缓冲段终端轮缘槽宽t'g2。米轨轨距为1 000 mm，轮背距离最小值924 mm，轮缘厚度最小值20 mm。可以算得D'1=955 mm；t'g1=1 000-955-2=45 mm；t'g2=1 000+3-(924+20-2)=61 mm。

为使米轨车轮的轮缘能够顺利进入钝角辙叉护轨的轮缘槽内，其钝角辙叉护轨长度lp分三段计算，即lp=lp1+lp2+lp3。计算时，心轨实际尖端的宽度v0取经验值10 mm［2］，护轨冲击角βy取经验值0.916 8°［2］。因此，lp1=2v0/sinα0+t'g1/sinα0=1 065 mm。lp2=(t'g2-t′g1)/sinβy=1 125 mm。lp3取经验值100 mm［2］。

同样，钝角辙叉心轨非工作边侧长度也分三段计算。lc1=40/sin(α0/2)=803 mm；lc2=lp2=1 125 mm。lc3仍可采用100～150 mm［2］，取经验值100 mm。

计算米轨钝角辙叉最小趾距n'min和最小跟距m'min。n'min=lp1+lp2cosβy+100=2 290 mm；m'min=lp1+lc1+lc2cosβy+150=3 143 mm。

按照上述方法，将标准轨线路相应数据代入，可得标准轨钝角辙叉的最小趾距nmin=1 740 mm，最小跟距mmin=2 900 mm。

根据既有辙叉的尺寸，本结构的趾距n和跟距m初步均取3 300 mm［4］。

1.4 问题分析

根据套轨道岔配轨图（图4）进行配轨计算。

图4 套轨道岔配轨示意

计算米轨直向线路钝角辙叉趾端到前轨缝的距离l'。l'=R'sinα0-n-δ=14 159 mm。其中，δ为轨缝长度。钝角辙叉前基本轨长度lj=12 500 mm。算得辙叉前端连接轨长度l3=1 659 mm，不符合连接轨长度要求（辙叉前端连接轨长不得小于4 500 mm［2］），故须将l3与前基本轨直接相连。

计算标准轨侧向线路钝角辙叉趾端到前轨缝的距离l1'。计算时转辙角β取1.64°。l′1=l″1-n-δ=R'sin(α0-β)-n-δ=7 429-3 300-8=4 121 mm。其中l″1为钝角辙叉咽喉至标准轨尖轨跟端的距离。l′1不满足连接轨长度的要求，又因该连接轨前为尖轨，无法采用上文中的方法将连接轨与尖轨直接相连，须对与其相连的钝角辙叉进行特殊设计，形成两趾距不相等的钝角辙叉。根据钝角辙叉最小尺寸要求，将该钝角辙叉的两趾距分别定为2 900、3 300 mm，跟距均为3 300 mm，即将钝角辙叉趾距的400 mm与l′1进行合并，最终l′1取4 521 mm，满足规范要求且辙叉的趾距和跟距均大于最小趾距和最小跟距［2］。

2 曲线形钝角辙叉构造设计

根据计算结果设计的非对称钝角辙叉如图5所示。该辙叉有两对心轨，每对心轨中有一根长心轨和一根短心轨。

图5 非对称钝角辙叉（单位：mm）

曲线形钝角辙叉由翼轨、心轨、一根护轨、紧固件和连接件组成，结构布置如图6所示。为了支承辙叉并保持辙叉位置的轨距，保证车轮过辙叉的平顺性，在心轨、护轨以及翼轨底部与轨枕之间安装固定铁垫板。铁垫板左端边缘与左长心轨轨头宽50 mm处对齐，右端边缘与右长心轨轨头宽50 mm处对齐。为了控制轮缘槽宽度，在各部轮缘槽的变化点处设置间隔铁，如在辙叉的咽喉（A⁃A截面）、长心轨的理论尖端（B⁃B截面）、辙叉心轨轨头宽50 mm、辙叉翼轨轮缘槽展宽部分末端、护轨平直部分的两端、护轨轮缘槽展宽部分末端（C⁃C截面）等处设置间隔铁［5］。

图6 曲线形钝角辙叉的结构布置

为了防止车轮通过钝角辙叉有害空间时护轨发生倾覆、扭曲以及纵横向移动，在翼轨外侧轨腰与铁垫板顶面之间固定安装轨撑，并在铁垫板处设置附加护轨。在外侧轨底与铁垫板之间固定安装辙叉扣铁，在翼轨、护轨和附加护轨轨腰之间安装间隔铁。在护轨、翼轨和间隔铁之间安装紧固螺栓及紧固螺母，使其能够形成一个整体，以确保辙叉结构稳定牢固，如图6（b）所示。

为了防止长心轨翘起，在护轨轨腰与心轨尖端之间以及心轨与基本轨轨腰之间均安装间隔铁［6］。在护轨、心轨尖端、基本轨和间隔铁之间安装紧固螺栓，在紧固螺栓端部安装紧固螺母，如图6（c）所示。

为控制轮缘槽的宽度，保持辙叉结构的稳定性，提高机车运行的平稳性，在护轨轨腰与长心轨轨腰之间安装间隔铁［6］。在右短心轨轨腰与护轨轨腰之间安装间隔铁。在护轨、间隔铁、长心轨、短心轨、间隔铁和基本轨之间安装紧固螺栓，在紧固螺栓端部安装紧固螺母，如图6（d）所示。

3 辙叉跟端及护轨构造设计

为保证轮缘槽宽度，并确保车轮滚压在心轨或翼轨上时心轨与翼轨能够一起下沉，须在辙叉跟端处设置间隔铁，间隔铁通过长螺栓与后部钢轨相连接。因套轨道岔辙叉跟端布置空间受限，须在跟端位置设置大垫板以支撑辙叉［7］，使其成为整体并保持套轨道岔两种轨距不变。

参照图1所示形式，曲线形钝角辙叉及护轨的结构布置如图7所示。

图7 钝角辙叉及护轨结构布置

在钝角辙叉及护轨空间受限的位置设置间隔铁、铁垫板、轨撑等扣压装置。“套轨朝共用轨转向，套轨直行”的道岔中仅有米轨直行和标准轨转向要通过钝角辙叉；“套轨朝非共用轨转向，套轨直行”的道岔中仅有米轨转向和标准轨直行要通过钝角辙叉，故在钝角辙叉处设置两根护轨即可。

护轨的缓冲段采用H形间隔铁［8］（A⁃A截面），间隔铁通过长螺栓与钢轨连接，在其两侧支撑钢轨的轨头，保证护轨平直段轮缘槽宽度并使轨底具有一定宽度。

护轨的平直段不仅采用H形间隔铁（B⁃B截面），还在护轨的外侧设置轨撑，并安装护轨垫板，以保持查照间距，防止护轨轨头的横向移动。

4 结语

本文针对现有辙叉设计方案无法适用于三线套轨铁路道岔的问题，分析了三线套轨铁路道岔形式，结合世界各国铁路轨距的分布特点，拟定设计参数，按照规范要求对钝角辙叉进行了特殊设计。将钝角辙叉的趾长与短连接轨进行合并，使得钝角辙叉的趾长与跟长不等，形成一种曲线形钝角辙叉，并在多处设置铁垫板、间隔铁、轨撑、扣铁等连接件以加强钝角辙叉的整体性，提高过岔的稳定性和安全性，便于辙叉及护轨的组装，简化安装程序，节约成本。本文采用的设计理论和设计标准是我国的设计理论和标准，推广到国外时须依据铁路属地国标准进行进一步的属地化设计。