第1章绪论1.1 国内外窄轨铁路的发展世界铁路的标准轨距为1435mm，小于1435mm的称为窄轨距[1]。

日本由于国土是一狭长地带且地势陡峭,修建窄轨铁路可节省大量投资,故自1872年始建第一条铁路直至20世纪中叶均按窄轨(1067mm)标准修建铁路。

20世纪50年代初期,日本经济进入战后复兴时期，1964年10月东海道新干线(东京—新大阪)正式开业。

1970年由“日本国有铁道法”决定的重点工程山阳新干线(新大阪—博多),设计最高速度为250km/h,最小曲线半径4000m,于1975年全线开通运营。

继东海道新干线和山阳新干线又陆续修建了东北(东京—盛冈)、上越(大宫—新泻)、长野(高崎—长野)等新干线。

目前标准轨距的新干线总长约2000km[2]。

澳大利亚1980年有窄轨2683km。

南非铁路是由英国留下来的窄轨系统，但是由于重视重载运输，重视以当代重载技术改造运量大的铁路，所以创造了窄轨铁路承运重载列车的世界水平[3]。

在我国窄轨距主要用于工矿企业铁路，目前除在云南省境内有1000mm轨距，只用于货运及短途客运外，河南周口郸城现有一条窄轨线路，每天有两趟客运列车往来郸城和许昌之间。

另外开封电厂经新郑至登封间也有一条窄轨线路，不作客运，以运煤为主。

窄轨铁路轨距规定为600、762、900mm三种[4,5]，广泛应用于工矿企业和长大地下工程施工中[6]。

1.2 道岔的现状及其发展中存在的问题1.2.1 道岔的现状道岔是轨道的连接设备，其功能同样是承受、传递由机车车辆运行引起的各种荷载及引导车轮在轨道上行驶。

与普通轨道不同的是在道岔范围内由一股轨道分支成两股或多股，必须通过转辙器(或可动辙叉)可动部件的转换为机车车辆提供转线的可能。

在轨线平面交叉点，设置构造较为复杂的辙叉以满足两向轮缘通过的要求。

道岔除构造本身的特殊性外，由此引起的轨线刚度急剧变化，具有量值远非区间轨道所能比拟的平剖面几何不平顺，轨下基础的非等弹性等，导致其与机车车辆相互作用的荷载及变形复杂，量值大，从而影响列车容许通过速度、部件和零件的使用寿命及养护维修工作量。

因此，道岔与钢轨接头、小半径曲线始终是工务的三大薄弱环节。

建国以前，我国的道岔有相当数量的日、美、德等国的产品，直至50年代还从波兰、苏联进口以缓解供需矛盾。

我国自行设计、制造道岔始于50年代中期。

在当时的运输条件、对道岔这个薄弱环节的认识、技术水平及制造手段等因素影响下，结构标准及技术要求具有很大的局限性。

随后虽然经历了旧有道岔小型技术改造、统一辙叉号数、制订及多次修订技术标准，但始终处于结构陈旧、仍然集中多种薄弱点而不能适应运输发展要求的被动状态。

为摆脱设备落后的困扰，一方面工务部门对标准道岔进行小改，旨在作力所能及的结构加强，同时强化养护维修，随时保持良好的轨下基础条件(加强捣固)和各部几何尺寸，防止爬行，另一方面研制开发新型道岔结构，为升级换代创造条件。

从60年代起，大力开展研制工作，诸如:高锰钢整铸辙叉;50AT、6o AT钢轨及用以制作的尖轨和可动心轨，H型、槽形断面护轨结构，刚性可调式轨撑及钢轨扣件，50、60kg/m轨12号、18号可动心轨辙叉等。

同时，对于道岔组成部件的制造工艺及设备，先后引进了高锰钢辙叉的真空造型工艺(V法及VRH法)及部分设备、机加工设备及工艺，尖轨加工设备及软件。

研制开发了AT轨跟端成形加工工艺及设备，道岔钢轨件中频感应热处理工艺及设备等。

在可动部件转换技术方面，研制开发了双锁闭型电液及电动转换设备，试验外锁闭装置。

经过坚持不懈的努力，在各级领导的关怀、支持和组织下，依靠科技进步，在我国铁路道岔的结构发展、制造工艺及装备的完善、对养护的重视和措施、致力于使转换设备与新型道岔结构相适应等方面，取得了长足的进展，道岔这个薄弱环节有所加强。

但离满足当前运输特别是其日益发展的要求相差甚远。

1.2.2 道岔存在的问题尽管在加强道岔结构、完善制造工艺和手段及养护维修工作已取得巨大成就，但就当前的运输条件而言仍不能适应，更难满足其发展要求。

与发达国家相比，差距是明显的。

当前存在的主要问题有:道岔结构方面：道岔主要部件如尖轨、基本轨、导轨及辙叉长度受制造场地、工艺、设备及运输条件等的限制，如60AT尖轨长11.3m，对于可弯式跟端结构过于勉强，很难确保与基本轨之间的最小轮缘槽达到设计要求的。

转换时克服可弯部分弯曲弹性变形的阻力在转换阻力中所占比重较大，制造方面：高锰钢辙叉的铸造缺陷难以避免，直接影响使用寿命。

目前生产的高锰钢辙叉质量始终不稳定，因破损失效的产品在通过总重方面的离散度极大。

影响的因素可能有:氧化法或返回法冶炼，钢水的净度，浇注温度及速度，一个钢水包的浇注顺序，浇冒口系统及冷铁设置，型砂及清砂方法多水韧处理升温、保温曲线、辙叉在加热炉内的位置及流动水温控制，机加工余量的大小，运营及养护条件[4]。

铺设及转换：由于我国道岔铺设多用人力，道外预铺调整合适后拉上道不仅难以刚好对齐道岔前后轨缝中心，而且几个拉动点不可能均匀同步而不可避免产生扭曲变形，与木岔枕的联结有可能松动，尤其在拉上道后离岔位有一定距离时，情况更为严重，转换设备中挤切销的可靠性难以控制，不挤就断的现象时有发生;现有转换设备的安装装置直接与钢轨刚性联结，轮轨相互作用的冲击、振动对拉杆、转辙机和相关杆件产生直接的影响，恶化了转换设备的工作环境。

1.2.3 关于我国铁路道岔发展的意见根据铁路发展的技术政策，结合现况及存在间题，参考国外经验，关于我国道岔的发展，提出以下意见:1.对于既有干线技术改造，由于车站及道岔位置已基本固定，应继续改进正线用60及75kg/m轨12号道岔结构，使之更好地适应客(准高速)、货(重载)混流的运行条件，以避免引起大量的改建工程。

对于新建高速客运专线，要研究开发用于正线一到发线的直向高速18号及用于渡线的直向高速、侧向准高速的42~43号(取决于线间距)单开道岔，必要时引进。

2.无论是既有线改造还是新建客、货混运干线，正线道岔的辙叉，应积极发展可动心轨式结构。

在新建高速客运专线上，正线道岔必须采用轨线连续的可动心轨辙叉。

可动心轨辙叉不仅因消灭“有害空间”而明显改善轮轨相互作用的条件，提高运行平顺性和旅行舒适度，而且可与相邻钢轨等寿命，养护维修工作量可较同轨型高锰钢辙叉减小47%以上(不计高锰钢辙叉更换工作量)。

关于可动心轨辙叉结构，日本在1964年10月东海道新干线投入运营时采用50T轨18号高锰钢铸造可动心轨、翼轨及叉跟座，因铸造缺陷难以避免，在运营中也出现裂纹。

因此在改铺60kg/m轨及往后新建的山阳、东北新干线均采用905轧制轨焊接心轨及标准60kg/m加工翼轨并组合的结构，基础有木岔枕及板式结构两种。

目前国外仅法国及前苏联初期采用高锰钢铸造翼轨，而德、俄及英等国分别采用轧制特种断面翼轨及普通钢轨翼轨。

3.在重载、高速线路的正线道岔中可动心轨辙叉作为发展方向毋庸置疑，但其制造及在既有线更换由于数量大而需有很长的过程。

在此期间还要长期、大量使用固定式辙叉。

此外，固定式辙叉在除正线以外的各种线路上，预计不可能被其他辙叉结构型式取代。

可见在相当长的时期内，固定式辙叉仍有其发展前途。

4.既有60AT12号单开道岔的尖轨应加长至13.5m左右。

跟端经锻压成形加工并热处理后，在铺设时通过与导轨焊接消灭轨缝。

藏尖式结构要重新设计。

5.道岔范围内全部设置弹性扣件。

6.正线道岔大力发展预应力混凝土岔枕，研究解决固定螺栓的型式问题。

1.3 设计的主要方法及内容本设计以轨距600mm，43kg/m钢轨9号单开道岔为主要研究对象，结合施工有轨运输“车辆蛇行运动大、设备的使用环境条件、维修保养差、道岔部件易于损坏[3]”的特点进行分析，并重点分析其一定速度通过时的强度、稳定性等需要，和要求具有较长的使用期限以及养护和维修工作量等问题。

从而找到设计思路和方法并对主要内容进行设计。

采用直线尖轨、直线型普通钢轨组合式辙叉，零件较少、结构简单、尖轨扳动灵活的间隔铁鱼尾板式的尖轨跟端形式。

设计内容如下：(1)确定道岔构件的结构形式，由于直线尖轨便于铺设修理和更换，制造简单，需要的尖轨动程和跟端轮缘槽宽度小，选直线尖轨，采用普通钢轨组合辙叉；(2)进行单开道岔总体设计，包括转辙器、导曲线半径、辙叉和护轨、道岔几何尺寸、岔枕布置、侧向过岔速度；(3)进行单开道岔详细设计。

设计依据主要是参照国家现执行标准，其中整体道岔尺寸根据场地、材料等单独设计，对连接部件、间隔铁、垫板、螺栓等小部件的设计尽量使用原标准部件或由旧轨抽换下来的零部件，经济实用，不需专门制造。

根据窄轨道岔的用途和功能本设计采用爬坡式直线尖轨转辙器、组合式直线辙叉，通过对道岔主要尺寸的确定、导曲线半径、各部分轨距、辙岔护轨的尺度、导曲线支距以及配轨的计算得出单开道岔前长6201mm，道岔后长7127mm，尖轨长度4375mm，对在特殊情况下,结合现场实际进行选择窄轨运输铁路道岔结构设计参数进行改善[7]。

1.4 主要创新点及难点本设计的主要创新点是：(1)尖轨轨底要重叠在基本轨的轨底上，因此，轨底要进行刨切。

当尖轨横向摇动时，尖轨轨底被垂直刨切的部分与滑床板之间形成死角。

易被碎石、泥沙等杂物堵塞，且难以清除。

基于上原因，本文在尖轨设计时，不进行轨底的垂直刨切，改成平接形式，消除了死角，还增强了尖轨的刚度和横向摆动的稳定性，并延长了尖轨的使用寿命。

(2)一般道岔中的钢轨根数决定于道岔的长度和道岔采用的钢轨长度。

一组单开道岔，除转辙器、辙叉和护轨外，一般有8根连接轨分四股，每股2根[8]。

本设计将同股钢轨的两根并为一根。

这样即可以节省钢轨的截取，又可以给制造带来方便。

本设计的主要设计难点是：设计侧重点在于窄轨单开道岔的转辙器和辙叉，主要包括各自的主要尺寸设计，如辙叉角、辙叉全长、有害空间等，及各个部件的详细尺寸设计，如护轨翼轨尺寸设计、长短心轨设计等；另外对提速道岔的发展，提出了一些自己的见解。

第2章道岔总体设计2.1 转辙器设计转辙器由两根基本轨、两根尖轨及各种联结零件组成。

其作用是引导车轮从一线进入另一线。

有轨运输的特点是车辆蛇行运动大，设备的使用环境条件，维修保养差，道岔部件易于损坏。

为此，采用直线型尖轨转辙器，和曲线尖轨比较，车轮轮缘对尖轨的冲击角大，尖轨尖端易磨耗，这可以用尖轨补强板的方法予以加强。

2.1.1 基本轨转辙器基本轨由标准钢轨断面的钢轨制成，一侧为基本轨，一侧为尖轨。

“75”型及以前各型道岔尖轨采用贴尖式，基本轨轨头不刨切，为普通断面基本轨；“92”道岔尖轨采用藏尖式，基本轨轨头需要刨切，为特种断面基本轨。

本设计采用普通断面基本轨，且转辙器不设轨顶坡，基本轨的轨头下颚不刨切斜坡的形式，因为它有如下好处：(1)导引机车车辆的车轮走行方向；(2)传布机车车辆的垂直荷载到岔枕上；(3)当尖轨密贴基本轨时，承受车轮轮缘冲击尖轨而产生的水平力，和车轮在尖轨上滚动的垂直力；(4)保持尖轨由正位扳到反位，或者由反位扳到正位的辙跟设备的稳定性；(5)防止尖轨的爬行。