李金城，丁军君，杨九河，李 芾

(1.西南交通大学机械工程学院，成都 610031； 2.中国铁路成都局集团有限公司，成都 610031)

引言

道岔作为铁路轨道中的重要组成部分起着连接两股轨道、跨越交叉线路的作用，但与区间线路相比岔区存在尖轨、心轨、翼轨和护轨等部件，结构复杂，轮轨间存在两点、三点接触，轮轨关系多变，为病害多发区域，岔区线路不仅包含区间线路的技术难点而且更具有特殊性，岔区的研究涉及机械工程、轨道工程、控制工程、设备检测及材料工程等学科，是公认的反映铁道工程行业技术水平的重要标志[1]。最初的道岔仅仅是为了实现交叉线路的跨越与两股轨道的连接功能，结构形式简单，因此车辆过岔速度低。而伴随车辆运行速度的提升，低速道岔已不能满足高速列车的过岔需求，为使高速列车安全、平稳的过岔，高速道岔应运而生。

1 高速道岔发展概况

目前世界上拥有自主研制高速道岔的国家有日本、法国、德国和中国。日本于20世纪60年代便开始了18号高速道岔的研制，90年代研制了直向过岔速度240 km/h的38号道岔，且在后续的发展中逐渐完善了两种道岔。法国和德国已分别于20世纪70年代、80年代展开对高速道岔的研究，迄今为止，法国已拥有了4代高速道岔，德国高速道岔也已发展至第3代。相比上述3个国家，我国高速道岔的研发起步较晚，21世纪初我国才正式开始高速道岔的研制，至今已研制了直向过岔速度350 km/h的18号、42号高速道岔，并在哈大高铁长春西站试铺了国内唯一的1组62号特大号融冰除雪道岔[2]。

1.1 日本高速道岔

自1964年10月，日本在建设第一条高速铁路的同时已开始18号高速道岔的研制工作，之后相继开发制造了30号、38号道岔，经过不断的完善，日本18、30、38号高速道岔已得到了较大的提升。

日本高速道岔基本轨型采用60 kg/m钢轨，尖轨为90S藏尖式弹性可弯尖轨，尖轨顶面设置1∶40轨顶坡，采用多机多点牵引转换方式，采用滚珠滑床板以降低转换阻力。辙叉长短心轨为高锰钢整铸结构，翼轨采用高锰钢整铸框架式，如图1所示。可动心轨道岔侧股设置防磨护轨，采用刚性扣压实现钢轨与岔枕的连接。虽然日本高速道岔发展较早，但由于没有在道岔中采用焊接式跨区间无缝线路技术且未进行相关的高速过岔实验，因此其高速道岔只在日本使用，未能在全球范围内得到推广。

图1 高锰钢整铸框架式辙叉

1.2 法国高速道岔

自20世纪70年代初法国政府批准TGV高速铁路建设，Cogifer公司与法国国家铁路公司于1975年展开了高速道岔的研制工作，1981年成功研制了第一代高速道岔，在之后的几十年的时间内经历了4次较大的更新，法国形成了18号道岔、21号道岔、26号道岔、46号道岔和65号道岔等一系列高速道岔，其中65号高速道岔仍保持直向过岔501 km/h、侧向过岔230 km/h的世界纪录，法国有砟高速道岔如图2所示。

法国高速道岔基本轨型采用UIC60轨，尖轨为UIC60A藏尖式可弯尖轨，尖轨设置1∶20轨顶坡，使用多机多点牵引转换方式，采用减磨滑床板减小转换阻力，辙叉长短心轨采用嵌入拼接式，翼轨为整铸高锰钢摇篮式结构，如图3所示。法国高速道岔研制较早，且具有成熟的实际运用经验，除中国、日本以外的大多数国家和地区的高速铁路均采用德、法两国的高速道岔，我国郑西、合宁、合武客运专线使用了200余组法国高速道岔。

图2 法国有砟高速道岔

图3 整铸“摇篮式”辙叉

1.3 德国高速道岔

1971年，德国开工建设第一条高速铁路汉诺威—维尔茨堡铁路，德国BWG公司自20世纪80年代研制德国第一代高速道岔，在运用过程中发现“大半径曲线+小半径曲线”的复合曲线方式存在严重磨耗，于90年代展开道岔平面布置方案的研究，并在此次的道岔研制中首次采用了动态轨距优化技术FAKOP，成功减缓了车辆过岔时的蛇行运动并提高了尖轨的耐磨性，形成了德国第二代高速道岔，目前我国京津、武广客专线仍在使用BWG高速道岔。

德国高速道岔基本轨型采用UIC60轨，尖轨为Zul-60藏尖式可弯尖轨，基本轨设置1:40轨底坡，尖轨顶面通过加工形成1∶40轨顶坡，采用多机多点牵引转换方式和辊轮减磨滑床板，辙叉心轨前端是由钢坯机加工而成的整体结构而后端与长短心轨焊接，翼轨由标准钢轨刨切而成，可动心轨道岔直侧股均不设置护轨，扣压件主要采用Vossloh弹条扣件。德国的高速道岔型号主要有18.5号、26.5号、32.5号、42号和50号等，德国无砟高速道岔如图4所示。

图4 德国无砟高速道岔

1.4 中国高速道岔

20世纪 80年代前我国道岔发展较慢，80年代矮型特种断面的引入加速了道岔的研制进程，特别是90年代92型道岔和提速道岔的研制使我国道岔技术得到了突飞猛进的发展。2005年我国正式开始高速道岔的研制，2005年至2006年完成了250 km/h的18号道岔的研制，之后两年的时间内完成了350 km/h的18号道岔的开发并于2011年完成设计了侧向通过速度220 km/h的62号高速道岔。

我国高速道岔基本轨采用CHN60轨，尖轨为藏尖式60D40可弯尖轨，设置1∶40轨顶坡，并通过优化尖轨顶面降低值改善了车辆过岔平稳性与安全性，转辙器区牵引方式采用多机多点方式并采用辊轮滑床板减缓转换阻力和磨耗。由于固定型辙叉不能满足高速道岔的性能要求，因此辙叉结构采用特种断面翼轨与60D40钢轨组合式可动心结构，如图5所示，中国高速道岔如图6所示。

图5 可动心轨道岔辙叉结构

图6 中国高速道岔

20世纪我国道岔的研制发展较慢，特别是高速道岔与世界水平有较大差距，但进入21世纪后，我国高速道岔得到快速发展，中国道岔速度与世界道岔速度的对比如图7所示。随着我国高速道岔简化统型，德国50号及法国所有高速道岔仅在已铺设岔位限制使用，今后新建线路已不再采用。

图7 中国道岔速度与世界道岔速度

2 国外岔区动力学发展

道岔动力学由区间动力学发展而来，其研究过程与区间动力学的发展过程相似，在车辆、轨道的简化方式及轮轨关系的处理方面实现了由简到繁的过程，在引入、消化及验证经典轮轨接触理论的同时提出了适用于岔区的轮轨及车辆动力学模型，仿真质量得到了大幅提升，为车辆、轨道的制造加工提供了依据。

最初岔区动力学主要针对车辆过岔时的横向与垂向受力进行分析。20世纪80年代， 日本学者Yasuo为了解车辆经过道岔心轨区域时横向冲击力产生的原因及特点，对运行速度160 km/h客车经过辙叉时的振动进行监控，研究了车辆运行速度、轮对横移量、轮轨间隙和护轨横向刚度对车辆过岔时横向力的影响[3]。为研究车辆过岔时的垂向动力行为，Andersson C采用Rayleigh-Timoshenko梁单元模拟岔区钢轨和枕木，利用扩展空间向量求解轮轨接触力，提出辙叉区轨道不连续是造成轮轨冲击的主要原因，轮轨冲击随车辆运行速度的提升显著增大[4]。随后Drozdziel借助区间线路的仿真思路，对岔区轨道参数及参数偏差对轮轨动力学性能的影响进行分析，通过MATLAB-SIMULINK联合仿真对轮轨间横向力、垂向力等进行计算，并将仿真结果与车辆过岔时的测量结果进行对比，提出岔区轨道参数的偏差是造成仿真结果与实际测量值存在差异的重要原因[5]。

21世纪初，德国学者Gunter Schupp利用动力学仿真软件SIMPACK建立了采用S1002踏面的铁路客车模型，在考虑了道岔尖轨和心轨处的变截面情况及可能存在的护轨和轮背接触的情况下，对车辆通过EW 60-300-1:9道岔时的动力学性能进行计算，对车轮在不同截面时的轮轨接触位置、接触状态、接触应力和脱轨系数等指标进行了对比分析[6]。

在道岔的仿真计算中，区间线路的经典轮轨接触理论也不断被引入岔区计算中，AYASSE根据半空间赫兹理论对轮轨接触斑进行修正离散，应用Kalker方程计算轮轨区接触压力分布并与多点赫兹接触计算结果进行对比分析，证明该方法能够产生与半赫兹接触理论相似的动态结果，并可更快、更加准确地得到想要的接触状态，在后续的轮轨磨耗和滚动接触疲劳的计算中具有广泛的应用前景[7]。Sebes计算分析了赫兹及半赫兹接触理论，认为半赫兹接触理论更适用于道岔区域的轮轨接触分析，建立了三维变截面轨道，对比分析了轨道在理想状态下和存在实测不平顺时车辆通过可动心辙叉的轮轨作用力及接触应力，提出应用磨耗后轮轨型面进行分析更具有实际研究意义，如图8所示[8]。

图8 轮轨垂向力与接触应力[8]

在吸收经典轮轨接触理论的同时国外学者也在不断提出新的岔区计算模型， Afli建立了适用于振动频率在500 Hz以下的岔区轮轨接触数学模型，模型考虑了单个车轮在岔区变截面轨道过渡时的状态，同时模型考虑了轨道弹性及轮轨廓形对于轮轨磨耗的影响，并以城轨车辆过岔为例，计算了车辆过岔时的轮轨作用力，如图9[9]所示将模型计算结果与线路实测数据进行对比，证实了该模型的正确性。Hiensch以荷兰9号道岔侧向过岔时的磨耗情况为例对各种影响因素进行分析，认为车辆的过岔方向和轮轨间摩擦系数对尖轨和心轨磨耗影响较大，而对车辆运行速度、牵引力大小、轨距加宽和道岔布局的影响较小，认为适当的轮缘润滑可以有效减小岔区侧磨[10]。

图9 城轨车辆过岔时的轮轨作用力[9]

3 国内岔区动力学研究

由于道岔轨头型面存在很大变化，轮轨接触关系复杂，20世纪80年代之前，我国关于道岔的研究大都停留在道岔使用状态的调研及道岔型面设计等方面[11]，直到80年代后，针对岔区动力学的研究逐渐展开。

20世纪80年代初顾经文采用集中参数法对车辆通过固定辙叉时的振动特性进行计算[12]，但由于岔区结构复杂，而集中参数计算模型相对简单、考虑参数较少，不能真实的反映岔区该有的结构特点和质量分布，仿真结果不甚理想。张远荣采用点支承变截面梁对道岔辙叉部分的垂向振动进行分析[13]，但模型只考虑了心轨处单一的垂向特征，未考虑道岔其他组成部分及道岔的横向振动特性，尚未形成岔区轮轨耦合系统。

20世纪90年代，任尊松分析了车辆-道岔相互作用力学模型，建立了12号道岔模型，将尖轨、心轨、基本轨和护轨简化为两端自由的等截面Eluer梁，对车辆过岔时的振动性能、轮轨响应、辙叉响应和岔枕振动及车辆侧逆向过岔时的护轨冲击进行计算[14-16]，但文中道岔不能真实考虑轨道变截面的影响，存在一定的局限性。为研究提速道岔的适用性，王平对客货车过岔性能进行研究，分析时对岔区结构做出自由度减缩假设，将尖轨与基本轨视为一股，采用横向及垂向不平顺激励模拟道岔存在的固有不平顺，对可动心轨道岔和固定辙叉道岔进行对比分析，研究了车辆运行速度和轴重等因素对车辆过岔性能的影响[17]。

受计算机及仿真软件发展的限制，上述的分析计算中未考虑道岔实际的变截面情况，而是以简单的轨道不平顺激励模拟，进入21世纪以来仿真设备及商业软件发展迅速，使道岔仿真得到进一步发展。2000年任尊松建立了考虑尖轨和基本轨、翼轨和心轨等部分空间变截面的道岔模型，针对岔区轮轨力分布和尖轨与心轨处的轮轨接触状态及护轨冲击进行计算[18]。孙加林分析了国外大号码道岔的研制与使用现状，利用动力学软件NUCARS建立了秦沈客运专线18号及38号道岔模型及先锋号列车模型，针对单圆曲线和三次抛物线线型进行计算分析，认为大号码道岔采用三次抛物线线型能有效降低辙叉区轮轨间作用力[19]。

岔区轮轨接触关系复杂，区间线路中的单点接触和两点接触不足以表达轮轨间可能存在的接触状态，岔区轮轨间可能存在单点、两点和三点接触，如图10所示。复杂的轮轨接触关系增加了岔区计算分析的困难，但同时岔区轮轨接触状态的明确也为岔区动力学的进一步研究提供了基础。

图10 岔区轮轨接触状态

相比区间线路，岔区固有不平顺使轮轨接触更加恶劣，为了解岔区不平顺组成和其对车辆过岔时的影响，国内学者对岔区不平顺进行了研究。管震舜、全顺喜等针对岔区结构不平顺和几何不平顺进行分析，计算了典型几何不平顺对岔区轮轨接触位置的影响，建立车-岔耦合动力学模型，对车辆通过道岔时的振动性能进行分析[20-21]。岔区尖轨、心轨存在顶面加宽、轨顶降低等设计以保证顺利引导车轮实现过渡，但该设计引起的结构不平顺同样不可避免，在后续的研究中众多学者针对高速道岔尖轨与心轨部位的不平顺与轮轨接触进行了进一步分析，LM、LMA踏面在18号道岔尖轨、心轨处的垂向固有不平顺如图11所示。

图11 18号道岔固有不平顺

针对道岔尖轨线型，曹洋以18号道岔及42号道岔为例，从动力学性能及轮轨磨耗方面对各种线型的适用性进行分析，计算结果表明：切线及半切线型尖轨用于18号道岔时，车辆具有较好的动力学性能且降低了轮轨磨耗[22]。王树国针对CRH380AL、 CRH380BL和CRH2型动车组经过京沪高速铁路42号道岔时出现的晃车现象，利用NUCARS软件对这一现状进行了分析，认为转辙区尖轨降低值与设计值偏差过大造成了晃车现象，并通过更换轨下橡胶垫板或尖轨下滑床台调整尖轨降低值解决了实际问题[23]。

王平应用迹线法和有限元法对磨耗后的LM踏面与12号道岔的静态轮轨接触进行分析，对比了标准型面和磨耗型面在特定断面的接触位置、接触斑大小和接触应力，对疲劳裂纹产生位置进行预测，对岔区钢轨型面的设计提供理论基础[24]。张文仁针对250 km/h客运专线18号道岔的曲尖轨侧磨情况进行调研，根据尖轨侧磨深度不同建立了4种道岔模型，对车辆通过不同道岔模型时的轮轨作用力、脱轨系数、轮重减载率等进行分析，为18号客运专线道岔的磨耗限值提供了依据[25]。

车辆过岔时，轮轨接触点存在较大跳跃，轮轨垂向载荷在基本轨与尖轨、翼轨与心轨之间转移。为分析岔区轮轨接触点和轮载在岔区钢轨的分布情况，王平分析了LM、LMA踏面在18号单开道岔运行时轮轨接触点的变化，如图12所示，岔区轮轨接触点的位置变化与不平顺变化规律一致，在轮载发生转移之前随尖轨、心轨顶宽加宽而外移，轮载发生转移时接触点存在突变，而后又随尖轨、心轨顶宽加宽而外移[26]。

图12 不同踏面运行于18号道岔时轮轨接触点变化

针对车辆过岔时轮载在基本轨与尖轨间的过渡问题，任尊松以Hertz非线性弹性接触理论，分析了车轮与两股钢轨同时接触的2点接触问题，在后续的研究中提出多点接触的计算方法并验证其在实际运用中的可行性[27-28]。马晓川在上述的基础上以LMA踏面为例，分析了道岔转辙区尖轨与基本轨的垂向相对位移对轮轨间垂向载荷转移的影响，指出考虑了尖轨与基本轨的垂向相对位移之后轮轨间作用力在转辙区的分布基本呈现非线性变化[29]。

4 岔区轮轨关系分析

岔区钢轨廓形在转辙区与辙叉区连续变化，同一车轮运行于不同位置时的轮轨接触状态存在较大差异，过于集中的轮轨接触关系容易造成轮轨间的跳跃现象和过度磨耗，而较为均匀的接触更有利于车辆平稳地通过岔区，延长轮轨使用寿命。

直尖轨/基本轨、翼轨/心轨间的轮轨廓形及降低值均存在一定的差异，以350 km/h客运专线18号道岔和LMA车轮踏面的匹配为例，采用迹线法对车轮在各典型断面的轮轨匹配关系进行分析，如图13所示。

当尖轨、长心轨顶宽较窄时，轮轨接触点主要集中在与之相邻的基本轨、翼轨区域，车轮与基本轨的接触点主要集中在基本轨的轨顶区域，而与翼轨的接触点集中在轨距角圆弧的末端，只有在横移量较大时，如横移量达到10～12 mm，车轮轮缘与尖轨、心轨侧面有部分接触。随着顶宽的不断加大，轮轨接触点逐渐向尖轨、心轨区域转移，当直尖轨顶宽达到40 mm、长心轨顶宽为50 mm时，轮轨接触线已经全部集中在相应的尖轨、心轨区域而不再和基本轨、翼轨接触，此现象和岔区降低值完全吻合。车轮与直尖轨顶宽40 mm断面和翼轨顶宽50 mm断面接触时轮轨接触相对均匀，而在其他断面接触位置相对集中，因此当车轮完成轮重转移，完全运行于尖轨、心轨区域时，轮轨接触状态较好，而在之前的过渡区域轮轨接触过于集中，容易造成轮轨的集中磨耗。

图13 岔区不同断面轮轨匹配关系

5 结论与展望

道岔的发展历程是岔区线型和钢轨型面不断优化的过程，岔区动力学分析为道岔的设计与研究提供了理论基础。动力学研究与轮轨廓形的研究证实了复杂的岔区钢轨廓形增加了轮轨间的相互作用力，同时轮轨间过于集中的匹配关系更加剧了岔区磨耗，过大的磨耗会恶化轮轨关系，导致岔区钢轨损坏。进一步的研究中应构建有效的岔区轮轨磨耗预测模型，分析岔区磨耗因素，通过调控相关因素减小岔区磨耗，保持良好的岔区轮轨接触关系。

在后续的轮轨关系研究中考虑岔区两股轨道间横向及垂向的相对运动，考虑不同磨耗车轮在岔区的轮轨匹配情况，通过更加准确的动力学仿真，优化岔区轨面廓形，使车轮在岔区轮重转移区域拥有更为良好的分布，减小车辆过岔振动和道岔磨耗。

建设高效快速的高速道岔检测技术，对岔区结构不平顺进行监测，同时研发道岔专用养修机具实现对岔区廓形的定期维护打磨，维持良好的岔区廓形，形成高速道岔全寿命周期能效保持技术体系是仍需继续研究的方向。