軌道幾何形位是指軌道各部分的幾何形狀、相對位置和基本尺寸。軌道幾何形位按照靜態與動態兩種狀況進行管理。靜態幾何形位是軌道不行車時的狀態，可採用道尺及小型軌道檢查車等工具測量。動態幾何形位是行車條件下的軌道狀態，可採用軌道檢查車測量。我國鐵路軌道幾何形位的管理，實行靜態管理與動態管理相結合的模式。
基本介紹
- 中文名：鐵路軌道幾何形位
- 外文名：track geometry
- 定義：軌道的幾何形狀、相對位置和尺寸
- 屬於：鐵路軌道
- 管理：靜態管理與動態管理相結合
- 作用：保持列車運行的平穩性和舒適性
主要根源,基本要素,軌距,水平形位,軌底坡,特點,軌距加寬,外軌超高,緩和曲線,
主要根源
鐵路軌道直接承載車輪並引導列車運行，軌道的幾何形位與機車車輛輪對的幾何尺寸必須密切配合，因而軌道幾何形位的控制對於保證列車運行安全是非常重要的。另外，隨著鐵路列車提速及高速鐵路技術的套用，為了保持高速列車運行的平穩性和舒適性，也必須對軌道的幾何形位實行嚴格控制。
國內外的理論計算和試驗研究表明，軌道不平順是引起機車車輛線上路上產生振動的主要原因。被認為是微小的不平順，在300km/h高速運行條件下所激發的車體振動便可能超過允許限度。例如，幅值10mm、波長10m接連不斷的高低不平順，在常速下所引起的車體和輪軌動力作用都很小，但當速度達到300km/h時，就可使車體產生垂向加速度為1.76rn/s2，頻率為2Hz的持續振動；又如，幅值僅為5mm、波長10m的軌向不平順，在常速下所引起的振動更小，而在300km/h時，卻可能使車體產生橫向加速度為0．65m/s2，頻率為2Hz的振動。而根據國際振動環境標準IS02631的規定，對於振動頻率為1~2Hz，累計持續時間為4小時的車體振動環境，保持舒適感不減退的允許加速度限值規定為：橫向0.17m/s2，垂向0.34～0.49.m/s2。可見以上數據已遠遠超過所規定的允許限值。
另外，軌道不平順又是加劇輪軌作用力的主要根源。焊縫不平順、軌面剝離、擦傷、波形磨耗等短波不平順幅值雖然很小，但在高速行車條件下也可能引起很大的輪軌作用力和衝擊振動。例如，一個0.2mm的迎輪台階形微小焊縫不平順，300km/h時所引起的輪軌高頻衝擊作用動力可達722kN，低頻輪軌力達321kN，從而加速道碴破碎和道床路基不均勻沉陷，形成中長波不平順，並引起強烈的噪聲。另一方面，軌面短波不平順所引起的劇烈輪軌相互作用，還可能引發鋼軌及輪軸斷裂，導致惡性脫軌事故發生。
由此可見，嚴格控制鐵路軌道幾何形位對於保證列車運行的安全性、平穩性和舒適性都具有十分重要的意義，也是鐵路軌道結構有別於其他工程結構的顯著特徵。
基本要素
軌道有直線軌道和曲線軌道兩種平面幾何形式。除此之外，還有軌道的分支與交叉。在軌道的直線部分，兩股鋼軌之間應保持一定的距離，稱之為軌距；兩股鋼軌的頂面應位於同一水平或保持一定的相對高差，稱之為水平；軌道中線位置應與它的設計位置一致，稱之為方向（或軌向）；兩股鋼軌軌頂所在平面（即軌面）線上路縱向應保持平順，稱之為前後高低（或軌面平順性）；為使鋼軌頂面與錐形踏面的車輪相配合，兩股鋼軌均應向內傾斜鋪設，稱之為軌底坡。在軌道的曲線部分，除應滿足上述要求外，還應根據機車車輛順利通過曲線的要求，將小半徑曲線的軌距略以加寬；為抵消機車車輛通過曲線時出現的離心力，應使外軌頂面略高於內軌頂面，形成適當的外軌超高；為使機車車輛平穩地自直線進入圓曲線（或由圓曲線進入直線），並為外軌逐漸升高、軌距逐漸加寬創造必要的條件，在直線與圓曲線之間，應設定一條曲率漸變的緩和睦線。
綜上所述，直線軌道幾何形位的基本要素包括：軌距、水平、方向、前後高低和軌底坡；曲線軌道幾何形位的基本要素除以上五項規定之外，還有以下三個特殊構造，即曲線軌距加寬、曲線外軌超高及緩和曲線。
軌距
為兩根鋼軌頭部內側間與線路中線垂直方向上的距離，在軌頂面以下規定的部位量取。由於軌頭斷面的圓弧及側面斜度的不同，這個部位在不同的國家規定有不同的數值，如中國為16毫米（圖1），聯邦德國為14毫米，法國為15毫米，蘇聯為10毫米。輪對上左右兩車輪內側面之間的距離，加上兩個輪緣厚度，稱為輪對寬度。輪對寬度應略小於軌距，使輪緣與鋼軌內側保持必要的間隙，以利於在軌道上行駛的車輛輪對都能順利通過，而不使輪對楔住在軌道內，也不致引起車輛過度的擺動。
中國規定直線地段的標準軌距為1435毫米，允許誤差為+6～-2毫米；軌距變化必須和緩，每米距離內不可有大於2毫米的差異。隨著車速日益提高，世界各國正研究縮小鋼軌與輪緣間的間隙，以增加行車的平穩性。如英國在混凝土枕軌道上已採用1432毫米（木枕軌道仍為1435毫米）的軌距。蘇聯自1971年起採用1520毫米（原為1524毫米）。
水平形位
直線地段兩軌應保持同一高度，使兩軌負荷均勻，允許有一定誤差。中國鐵路的規定，是按線路種類的不同，分別為不大於4～6毫米。軌道不允許有三角坑存在，即在一段不太長的距離內，不允許左右兩軌高差交替變化，以致引起車輛劇烈搖幌。對於不同線路種類，中國鐵路規定，在18米距離內，不許有超過4～6毫米的三角坑存在。過大的三角坑會使個別車輪懸空，輪緣爬上軌面，而發生脫軌事故。
軌底坡
車輪輪箍和鋼軌接觸的面為1/20的圓錐面。為了使車輪壓力的合力線更接近於鋼軌中軸線，以減小偏磨，鋼軌不是豎直鋪設，而是略向軌道中心傾斜。這種傾斜度稱軌底坡。中國鐵路過去採用1/20的軌底坡（直線地段）。自1965年起改為1/40。其原因是車輪踏面(輪箍和鋼軌接觸的面)經過一段時間的磨耗後，斜度已接近於1/40。
特點
曲線地段軌道幾何形位
曲線軌道構造與直線地段有不同特點：①曲線半徑較小時，軌距適當加寬；②外軌增設超高；③曲線兩端與直線連線處設定緩和曲線。
軌距加寬
車車輛進入曲線軌道時，因慣性作用，仍然力圖保持其原來行駛方向，僅當前軸外輪碰到外軌，並受到外軌引導，才沿著曲線軌道行駛。這時車輛的轉向架與曲線在平面上保持一定的位置和角度。可能出現三種不同情況：第一種情況是當軌距足夠寬時，只有前軸外輪的輪緣受到外軌的擠壓力（稱導向力），後軸則居於曲線半徑方向，兩側輪緣與鋼軌間都有一定的間隙，行車阻力最小;第二種情況是當軌距不夠寬時，後軸（或其他一軸）的內輪輪緣也將受到內軌的擠壓（圖2），產生了第二導向力，行車阻力較前者增加；當軌距更小時，可能出現第三種情況，此時不但中間某軸內輪受內軌擠壓，而且後軸外輪也受到外軌擠壓，車輪被楔住在兩軌之間，不僅行車阻力大，甚至可能把軌道擠開。因此小半徑曲線上軌距必須加寬。在確定軌距加寬時，須根據鐵路機車車輛的軸數和軸距，計算軌距能允許車輛以何種情況通過曲線。確定軌距加寬的原則是：①保證最常用的車輛轉向架能以第一種情況自由通過曲線；②保證軸距較長的多軸機車能以第二種情況通過，而不致出現第三種情況。根據上述原則算出的曲線軌道的軌距，減去直線上的標準軌距，稱軌距加寬值。中國軌距加寬值，按照曲線不同半徑，過去分為三級加寬，後改為兩級加寬，每級5～10毫米。但包括6毫米容許誤差在內，軌距最大不得超過1456毫米，以保證輪對平穩、安全地通過曲線。
外軌超高
列車在曲線上行駛對軌道產生離心力，使外軌承受較大的壓力，發生嚴重的側面磨耗，並使旅客感覺不適，嚴重時甚至造成列車傾覆事故。為此，須將外軌抬高一定程度，藉助於因車體內傾所產生的重力內向分力來平衡這種離心力（圖3）。外軌抬高的數量，稱外軌超高度。由列車通過時離心力的大小確定。離心力與車速平方成正比，與曲線半徑大小成反比，因此半徑越小，車速越大，離心力越大，需設的超高就越大。在車速和曲線半徑都為已知的情況下，藉助於上述各力的平衡關係，按使兩軌垂直磨耗均等的條件，可得外軌超高的計算公式為：
式中超高h以毫米計；速度v以公里/時計；半徑R以米計。
由於通過曲線的各種列車的車速和車重各不相同，車速高的偏磨外軌，低速車則偏磨內軌，為了達到兩軌磨耗均等，可採用下面的平均速度v來計算超高：
式中N為列車次數；P為列車重量；
為列車實際速度。
若按兩軌磨耗均等的原則設定超高，因所受的離心加速度過大，有時會使高速列車中的旅客感覺不舒適。因此，還要根據旅客舒適度條件進行檢驗，如不能滿足要求時，應再調整超高。旅客感受的外側離心加速度ɑ按下式作近似計算：
式中ɑ以米/秒計，其餘仍如上述。
由於具體條件不同，各國規定的允許離心加速度有些差別。一般而言，離心加速度如不超過0.6米/秒，旅客不致有不舒適的感覺。中國鐵路規定:在山區鐵路，其值不得大於0.6米/秒；平原區域或複線不得大於0.4～0.5米/秒（見鐵路線路平面）。實際設定超高時，取其整數到5毫米，最大超高為150毫米；單線上下行速度懸殊時不超過125毫米，以防臨時停車，內軌受過大偏壓。
緩和曲線
設於圓曲線與直線相接處，使圓曲線的軌距加寬及外軌超高，可以在緩和曲線範圍內逐漸完成。緩和曲線的曲率是漸變的，從零變至與圓曲線曲率相同；超高也是漸變的，因而列車由直線進入曲線時，車體所受的離心力與向心力也是漸變的。為使這兩種力處處平衡，可推導出這曲線的線型是一空間的高次方程。
在縱斷面上，如果外軌超高按直線規律遞增，即為各國常用的三次螺旋線。然而它在直緩點（直線與緩和曲線連線點）及緩圓點（緩和曲線與圓曲線連線點）上仍不免有力的突變。為了消除這種突變，超高的遞增率可採用高次方程表示，使外軌作成曲線型的順坡。如聯邦德國在高速線上採用兩個二次代數式，日本的高速線上採用餘弦型曲線順坡，都屬於這一類型。中國自50年代以來，對緩和曲線理論作過大量研究，提出多種類型，有的曾在一些鐵路上試鋪過，取得一定效果。
