北京城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號單開道岔的設計研究

張東風,蔣 昕,侯愛濱

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院,北京 100055)

1 概述

國內城市軌道交通建設方興未艾,建設規(guī)模不斷增大,近年來,各城市軌道交通網絡不斷展開,城市軌道交通線路往郊區(qū)發(fā)展,市郊線設計速度一般高于市內線路,因而對道岔直、側向通過速度和旅客舒適度有了新的要求。城市軌道交通行車密度越來越高,不斷要求提高折返能力。目前在城市軌道交通線路中,正線大多使用9號道岔[1],為更好地貫徹“以人為本”的精神,盡可能發(fā)揮城市軌道交通作為客運主要載體的作用,對于道岔號數的使用有加大的需求,以提高道岔的直、側向通過速度,這已成為城市軌道交通發(fā)展的一個趨勢。

隨著北京城市軌道交通建設的發(fā)展,多條新建線路的陸續(xù)開建,由于受不同線路的速度及線位等因素限制,目前,北京城市軌道交通的道岔類型主要以9號系列道岔為主,已不能完全滿足各條新建線的使用要求,例如,15號線設計時速120 km,亦莊線宋家莊站受站前折返能力的限制,需采用12號單開道岔及交叉渡線等等。因此,迫切需要完善北京城市軌道交通用道岔的類型,提高列車的側向容許通過速度,降低列車通過時的沖擊振動,減小噪聲,減少現場的養(yǎng)護維修工作量,以滿足運量不斷增長的需要[2]。研發(fā)12號道岔能夠較好地滿足北京城市軌道交通軌道的運行工況需要,將縮短列車的折返時間,提高行車運行速度和對運量的儲備。

2 道岔平面設計

北京城市軌道交通12號道岔的平面設計經過比選采用了目前國鐵既有線上使用最多、最為成熟的固定型提速60 kg/m鋼軌12號單開道岔(專線4249)的平面線型。

2.1 道岔平面主要尺寸

12號道岔的平面主要尺寸與專線4249《60 kg/m鋼軌12號單開道岔》(國鐵用)基本相同,主要尺寸見表1,其中,道岔采用單圓曲線平面線型,平面主要尺寸見圖1[3]。

表1 12號道岔的主要尺寸

圖1 12號道岔平面主要尺寸示意(單位：mm)

2.2 尖軌平面線型的確定

以前在設計曲線尖軌時,使用最多的是半切線型尖軌,它介于直線尖軌和切線型尖軌之間,即兼顧了切線型平順性好的特點，又能使尖軌尖端不太薄。所以在國鐵和城市軌道交通使用半切線型比較普遍[4]。

相離型曲線尖軌起源于1986年,經過多年的實踐證明,這種線型對減輕尖軌的側磨極為有利,在列車軸重、運行速度、行車密度一定的條件下,尖軌耐磨性最好。選用相離型曲線尖軌,并采用適當的相離,就會兼有彈性可彎曲線尖軌穩(wěn)定性好、可適用于跨區(qū)間無縫線路、養(yǎng)護維修工作量少、旅客舒適度高和直線尖軌耐磨性好的特點[8]。因此本設計采用相離型曲線尖軌，見圖2。

圖2 相離型曲線尖軌示意(單位：mm)

2.3 岔枕布置

(1)采用混凝土短軌枕,轉轍器部分的短軌枕垂直于直股鋼軌,轍叉部分的短軌枕垂直于角平分線,其余垂直于鋼軌。

(2)第一、二牽引點的岔枕間距為650 mm,短軌枕的設計寬度及溝槽深度應滿足電務轉換設備的安裝要求,同時考慮尖軌的自由伸縮。

3 道岔結構設計

3.1 道岔主要結構特點

(1)道岔不設軌底坡,道岔兩端設順坡墊板過渡。

(2)尖軌采用60AT鋼軌制造。

(3)尖軌跟端為彈性可彎式,設置1個間隔鐵與基本軌連接。這里需要說明的是尖軌跟端的傳力結構,一種是設置間隔鐵,一種是設置限位器,根據國鐵提速道岔的使用經驗,認為設置間隔鐵使用效果要優(yōu)于限位器,故該道岔尖軌跟端設置了間隔鐵[5，9]。

(4)尖軌設置2個牽引點,設計動程分別為160、70 mm,在正常養(yǎng)護情況下,尖軌理論總扳動力不大于6 000 N[9]。

(5)固定轍叉采用高錳鋼整鑄式,可利用既有國鐵60 kg/m鋼軌12號單開道岔用轍叉。

(6)趾、跟端均采用接頭夾板固定聯結,轍叉下設置墊板。

(7)護軌為分開式,采用50 kg/m鋼軌制造,護軌頂面高出基本軌頂面12 mm,護軌軌頭工作邊側面進行表面淬火[10]。

(8)采用無螺栓φ18 e型扣壓件扣壓(圖3)。這是由于北京城市軌道交通大部分線路使用的DTⅦ2型扣壓件也是無螺栓φ18e型扣壓件,考慮到該道岔主要用于新建城市軌道交通線路,為與線路扣件一致,方便現場備料,故該道岔采用了無螺栓φ18e型扣壓件。

圖3 無螺栓φ18e型扣壓件

(9)轉轍器基本軌和護軌基本軌內側的扣壓均采用彈片扣壓[6]。且為防止鋼軌外翻,轉轍器基本軌外側部分設置了軌撐,以加強基本軌的穩(wěn)定性,同時又在軌撐中心位置增設了螺栓孔,防止軌撐縱向竄動(圖4)。

圖4 軌撐及彈片

(10)轉轍器設置輥輪滑床板, 可以顯著降低尖軌與滑床臺板的摩擦力,從而減小扳動力,減小尖軌后端不足位移[5](圖5)。需要說明的是這種輥輪滑床板相對高速道岔用輥輪滑床板結構較為簡單,且為獨立安裝于兩岔枕之間,安裝、拆卸均較為方便,比較適合用于城市軌道交通線路。

圖5 輥輪滑床板

(11)轉轍器設置防跳限位裝置, 防止尖軌在斥離狀態(tài)下隨著列車的振動而跳動,確保行車安全[6，8](圖6)。這種防跳限位裝置在國鐵提速道岔上使用較多,技術成熟,使用效果良好。

圖6 防跳限位裝置

(12)鐵墊板與混凝土短軌枕的連接,仍采用M30螺釘,但在螺釘與鐵墊板間加設調距蓋板(材料為尼龍66),其主要作用一是緩沖鐵墊板與螺釘之間的相互作用,避免鐵墊板螺釘孔的磨損和變形,二是可以調整軌距,軌距的調整量為-4～+2 mm,以解決以前滑床板和護軌部分軌距難以調整的難題(圖7)。

圖7 調距蓋板

(13)鋼軌軌下和轍叉下設置12 mm厚橡膠墊板,墊板下設置12 mm厚橡膠墊板。這種雙層墊板的設置,能有效地減少車輛的振動、降低噪聲。

(14)軌距塊配置(表2)。

(15)調距蓋板配置(表3)。

3.2 混凝土短軌枕

混凝土短軌枕采用無擋肩岔枕,短軌枕內預埋塑料套管與道岔鐵墊板連接。見圖8。本道岔用混凝土短軌枕共5種長度、38種規(guī)格。

表2 軌距塊配置

表3 調距蓋板配置

圖8 混凝土短軌枕斷面示意(單位：mm)

3.3 工電接口

(1)轉轍機安裝在基礎角鋼上。

(2)道岔采用分動外鎖閉裝置。

(3)尖軌設置2個牽引點,設計動程分別為160、70 mm。

(4)牽引點處岔枕間距為650 mm。

4 道岔設計創(chuàng)新點

(1)借鑒客運專線高速道岔設計技術,轉轍器設置輥輪滑床板, 可以顯著降低尖軌與滑床臺板的摩擦力,從而減小扳動力,減小尖軌后端不足位移。

(2)轉轍器設置防跳限位裝置, 防止尖軌在斥離狀態(tài)下隨著列車的振動而跳動,確保行車安全。

(3)在鐵墊板上使用調距蓋板,方便現場對軌距的調整,尤其是轉轍器滑床板部分和護軌軌撐部分的軌距調整。

(4)借鑒客運專線高速道岔轉換裝置技術,外鎖閉裝置在鎖閉框、鎖閉桿、鎖鉤之間設置導向、防跳動等機構,從而達到轉換靈活、可靠,避免卡阻現象。

(5)轉換安裝裝置中,表示桿接頭采用活絡接頭,較好的適應過車引起的振動。螺栓基本采用防松螺栓,從而減少維護工作量。

5 下一步研究工作

由于此次12號道岔研發(fā)時間有限,周期較短,且許多新結構還需要做試驗等因素,該道岔在許多方面仍然采用了既有技術。在以下3個主要方面提出優(yōu)化設計方案,有待以后進一步研究,優(yōu)化設計。

5.1 合金鋼拼裝轍叉

目前國內城市軌道交通主要采用高錳鋼整鑄轍叉,其具有結構簡單、整體性強的特點,可以滿足一般使用要求。不可否認高錳鋼具有良好的沖擊韌性,經初期磨耗后,硬度有較大提高,比較適合制造轍叉[7]。但正是由于高錳鋼初期硬度較低,需經過列車的不斷輾壓來提高硬度,然而用在城市軌道交通領域,由于城市軌道交通列車軸重輕(一般軸重≤14 t),使高錳鋼轍叉硬度提高緩慢,造成高錳鋼轍叉初期磨耗較快。同時高錳鋼轍叉整體鑄造時,容易產生內部鑄造缺陷,在列車頻繁的沖擊作用下,會逐漸產生裂紋并向外擴展。有相當數量的高錳鋼轍叉,其絕大部分在沒有達到磨耗限度之前提前破損,便不得不提前下道,使高錳鋼的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮[7]。

隨著我國城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展,跨區(qū)間無縫線路成為當今城市軌道交通發(fā)展的主流,這就要求道岔范圍內和其相鄰的鋼軌接頭都焊接起來成為無縫道岔,然而由于高錳鋼的轍叉和高碳鋼的鋼軌現場難以相互焊接,而廠內焊接造價較高,所以在跨區(qū)間無縫線路中使用高錳鋼整鑄轍叉成為技術障礙,而且由于高錳鋼整鑄轍叉使用壽命短,不宜在跨區(qū)間無縫線路上頻繁更換使用[7]。

為此根據城市軌道交通的特點,建議采用合金鋼叉心拼裝式轍叉。合金鋼叉心拼裝式轍叉是由合金鋼鍛造叉心、翼軌(一般采用U75V熱處理鋼軌制造),耐磨性提高、連心軌(普通鋼軌制造)及間隔鐵通過橫向高強螺栓組合而成為整體。該轍叉具有強度高、耐磨耗的特點,同時由于其翼軌與叉后連心軌均為普通鋼軌制造,可直接與線路鋼軌焊接。

合金鋼叉心拼裝式轍叉是新一代的轍叉結構,已廣泛應用于國鐵。該轍叉使用壽命質量保證≥200 Mt,約為高錳鋼整鑄轍叉使用壽命的2倍以上,但價格與高錳鋼轍叉相當,故合金鋼叉心拼裝式轍叉的性價比優(yōu)勢明顯,若推廣使用,將產生巨大的經濟效益。此外,由于合金鋼叉心拼裝式轍叉使用壽命的延長,將減少更換次數,從而降低工務養(yǎng)護維修工作量。

5.2 轉轍器基本軌和護軌基本軌內側的扣壓

借鑒客運專線高速道岔設計技術, 轉轍器基本軌和護軌基本軌內側的扣壓,采用彈性夾扣壓,基本軌外側不設軌撐[5，6]。采用彈性夾扣壓的優(yōu)點是扣壓力大,安裝和拆卸均較為方便(圖9),此彈性夾同樣可應用于護軌墊板(圖10)。

圖9 轉轍器滑床板用彈性夾

圖10 轍叉護軌墊板用彈性夾

國鐵提速道岔在滑床板范圍的基本軌內側普遍采用彈片扣壓,安裝和拆卸不便(此次設計的道岔仍采用彈片扣壓)。

但由于城市軌道交通用道岔均不設置軌底坡,且尖軌為60AT鋼軌,尖軌與基本軌高差為24 mm,較客專道岔(客專道岔設置1∶40軌底坡,且尖軌為60D40鋼軌,尖軌與基本軌高差為36 mm)小12 mm,故采用彈性夾扣壓需重新研究滑床板結構形式,重新做試驗等等。

5.3 高錳鋼轍叉下設置高彈性墊板

由于固定型轍叉存在有害空間,列車車輪通過高錳鋼轍叉時必須克服這種垂直幾何不平順,引起車體的振動和搖擺[10]。當車輪或轍叉磨耗時,更加劇這種狀況。為減輕沖擊振動,提高旅客乘座舒適度,延長轍叉使用壽命,可在高錳鋼轍叉下設置高彈性墊板(可借鑒高速道岔硫化墊板技術,橡膠金屬一體化的彈性墊板,墊板靜剛度可以在20～60 kN/mm之間設定,該墊板具體型面尺寸及剛度均需要通過試驗來不斷優(yōu)化)。

6 結語

目前,研發(fā)的12號道岔已在北京城市軌道交通亦莊線宋家莊車站成功應用,很好地解決了宋家莊站受站前折返能力限制的問題,亦莊線開通運營1年多時間,12號道岔使用情況良好。北京城市軌道交通12號道岔的設計研發(fā),較好地填補北京城市軌道交通道岔系列的空白,可為幾條設計時速≥100 km/h的新建線行車組織提供技術儲備,大大提升線路提速空間。隨著北京新建軌道交通線路速度提高、折返時間縮短的要求越來越普遍,12號道岔將會推廣使用,其應用前景十分廣闊。

[1] 高曉新.地鐵正線用道岔平面及號數的探討[J].都市快軌交通,2004(3)：29-31.

[2] 許有全,高亮.城市軌道交通用道岔有關問題的探討[J].鐵道標準設計,2003(5)：5-7.

[3] 沈長耀.60 kg/m鋼軌12號提速單開道岔的研制[J].鐵道標準設計,1996(5)：1-5.

[4] 于春華.城市軌道交通道岔總體方案研究[J].鐵道標準設計,2006(S1)：170-172.

[5] 侯愛濱. 時速250 km客運專線鐵路60 kg/m鋼軌18號單開道岔結構設計[J].鐵道標準設計,2006(6)：1-4.

[6] 侯愛濱.時速200 km、60 kg/m鋼軌12號單開道岔的設計[J].鐵道標準設計,2005(8)：4-6.

[7] 張東風,蔣昕.合金鋼叉心拼裝式轍叉的結構設計[J].鐵道標準設計,2008(2)：4-7.

[8] 田德倉.秦沈客運專線60 kg/m鋼軌18號單開道岔設計[J].鐵道標準設計,2000(S1)：63-65.

[9] 許有全.既有線提速以來鐵路軌道技術的發(fā)展[J].鐵道標準設計,2004(07)：114-116.

[10] 劉語冰.鐵路道岔論文集[M].北京：中國鐵道出版社,2004.