高速铁路道岔轮轨接触理论与设计优化研究

高速道岔是高速铁路建设的关键技术之一，要求具有高安全性、高平稳性。本项目重点开展道岔区轮轨静态接触理论研究，主要分析了道岔区轮轨关系设计对等效锥度、轮对倾角、单轮对蛇行运动的影响规律，提出了道岔动力参数设计方法；建立了列车/道岔耦合系统动力学理论，对道岔动力参数设计法进行了校核，并对高速列车的过岔安全性与平稳性进行了仿真分析与评估；本项目基于前期研究的轮对横移测试、道岔区轮轨接触几何状态可视化测试、共同承载钢轨的动载分配测试、高速道岔实车动力测试等试验研究，对所建立的道岔区轮轨接触理论、动力设计方法、仿真评估体系进行了验证；最后基于所建立的理论，开展高速道岔尖轨及心轨顶面降低值、水平藏尖、转辙器部分轨距加宽、辙叉部分翼轨加高设计等轮轨关系的设计优化研究，得到如下结论： （1）转辙器及辙叉部分尖轨顶面宽度及高度的变化，会导致轮轨接触点位置随沿线路方向变化，从而形成竖向及横向的结构不平顺，这是列车与道岔系统振动的激振源之一；（2）道岔各种结构不平顺均限制了侧向过岔速度的提高，为了减缓列车侧向过岔时的轮轨动力作用，可采用双肢弹性心轨及整体叉心式结构；（3）轮对在转辙器部分的横向平稳性较辙叉部分差得多，车轮轮缘必将与钢轨贴靠，轮对横向位移越大，对钢轨的横向冲击作用越厉害，因此在道岔轮轨关系的设计中，应尽可能降低轮对过岔时的蛇行运动幅值；（4）降低尖轨顶面降低值和减小尖轨开始承载的断面对提高车体的横向稳定性是有利的。（5）通过对等效锥度、轮对倾角、动力附加力、蛇行运动振幅四项动力学参数的比较认为我国高速道岔辙叉应按水平藏尖9mm进行设计。

高速道岔是高速铁路建设的关键技术之一，要求具有高安全性、高平稳性。本项目重点开展道岔区轮轨动静态接触理论研究；通过分析道岔区轮轨关系设计对等效锥度、轮对倾角、单轮对蛇行运动的影响规律，提出道岔动力参数设计方法；通过所建立的列车/道岔耦合系统动力学，对道岔动力参数设计法进行校核，对高速列车过岔安全性与平稳性进行仿真分析和评估；基于课题组前期研究的轮对横移测试系统、轮轨接触几何状态可视化装置，开展试验技术研究，通过现场列车高速过岔时的轮轨横移测试、道岔区轮轨接触几何状态可视化测试、共同承载钢轨的动载分配测试等试验研究，对所建立的道岔区轮轨接触理论、动力设计方法、仿真评估体系进行验证；最后开展高速道岔尖轨及心轨顶面降低值、基本轨弯折、水平藏尖、钢轨刨切轮廓、轨底坡等轮轨关系的设计优化研究，为进一步提高我国高速道岔行车平稳性和380km/h及以上超高速道岔的研制提供理论与技术支撑。

第一章概述

第一节高速道岔的技术要求与特点

第二节国外高速铁路道岔技术

第三节我国高速铁路道岔技术

第二章道岔平面线形设计理论

第一节高速道岔的设计条件与结构选型

第二节道岔平面线形与基本参数法

第三节高速道岔总布置图设计

第四节轮轨系统动力学在道岔平面线形设计中的应用

第三章列车道岔系统动力学理论及应用

第一节道岔区轮轨接触几何与轮轨蠕滑

第二节列车道岔系统动力学理论

第三节道岔区轮轨关系研究设计

第四节道岔区轨道刚度研究设计

第五节道岔不平顺动力学分析

第六节道岔动力学仿真评估与试验验证

第四章道岔转换计算理论

第一节道岔转换结构与转换原理

第二节道岔转换计算理论

第三节高速道岔转换研究设计

第四节高速道岔转换试验研究

第五节高速道岔夹异物动力仿真研究

第五章道岔部件研究设计与受力分析

第一节道岔钢轨件强度检算

第二节道岔铁垫板强度检算

第三节道岔扣件系统研究设计与受力分析

第四节道岔轨下基础研究设计

第五节道岔转换设备受力分析

参考文献

王平编著的《高速铁路道岔设计理论与实践》系统全面介绍了高速铁路道岔设计相关知识，本书内容对高速道岔基础理论研究及设计方法的普及和提高起到了有益的推动作用。该书对从事铁路轨道工程教学、科研、设计及工程管理人员具有重要的参考价值。

道岔是实现列车转线或跨线运行必不可少的轨道设备，是影响行车平稳性与安全性的关键基础设施，是我国高速铁路建设中的关键技术之一。因高速道岔(编者注：铁路行业将“高速铁路道岔”习称“高速道岔”)要求具有高速度、高安全性、高平稳性、高舒适性和高可靠性，2005年以前在我国是一项空白技术。为满足我国高速铁路大规模建设的需要，铁道部制定了“引进法国技术、中德合资生产、自主研发”并行的高速道岔技术路线。

在铁道部科技司和工程管理中心的领导下，2005年组织了“用、产、学、研”高速道岔联合攻关课题组，由西南交通大学、中国铁道科学研究院、中铁工程设计咨询集团有限公司、北京全路通号总公司、中铁山桥集团有限公司、中铁宝桥集团有限公司、北京交通大学等十多家单位组成的联合课题组，历时六年，多学科联合攻关，历经理论研究、结构设计、试制生产、试铺试验等研发过程，完成了具有自主知识产权的时速250公里和350公里的18号、42号、62号有砟及无砟轨道基础系列高速道岔的研制，并在武广、沪杭等高速铁路线上铺设，通过了最高试验速度410公里/小时、运营速度350公里/4,时的考核，已在哈大(哈尔滨一大连)、京郑(北京一郑州)、郑武(郑州一武汉)等高速铁路线上大规模推广应用，市场份额已达75%以上。

我国高速铁路道岔的成功研制，为我国高速铁路建设提供了关键基础设备，显著推动了道岔行业的技术进步，打破了德、法两国对国际高速道岔市场的垄断，开始出口到国外，并迫使德、法两国的高速道岔在我国大幅度降低销售价格，为我国高速铁路建设节约了数十亿元的直接投资。

金属矿业在近代工业文明的进程中可谓居功至伟，但它对生态环境的破坏给人类带来巨大冲击。我国金属矿山颇多，金属矿开采已成为各行业中最严重的污染源和灾害源之一。矿山设计优化理论和方法一直以经济效益和生产效率为目标，结果往往是造成更大的生态环境冲击。.本项目基于金属矿产生产系统的资源代谢、生态足迹理论和采矿学等，开展交叉研究；从源头减量视角出发，紧紧结合金属矿床开采系统及其生产工艺过程，开展矿床开采的生态压力度量、开采工艺与生态压力的耦合关系、生态压力的成本化、生态化设计优化理论和方法等关键问题的研究，革新矿山设计理念，逐步构建生态化设计优化原理和方法体系。目前，金属矿山生态化设计在国内外几乎还是空白，本项目具有前沿性和开拓性，其成果不但有重要学术价值，而且对金属矿山节能、减排、降耗，推进金属矿业的可持续发展具有重大现实意义。