重慶市軌道交通6號線60 kg/m鋼軌曲線形組合道岔的設(shè)計(jì)

雷 潔，李文博

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006)

1 概述

普通單開道岔主線為直線，側(cè)線向主線左或右側(cè)分支為曲線，這種道岔是常見的形式，在線路上占著絕對大的比例;曲線道岔則是指將岔前直線或曲線軌道向一側(cè)或兩側(cè)分支為2條曲線的道岔，只有在地形十分特殊的條件下才使用，分為對稱道岔與非對稱道岔，其中對稱道岔在車站駝峰下使用較為普遍，同側(cè)曲線道岔在國內(nèi)使用則較少。

重慶6號線一期工程，需在大劇院站和江北城站之間做1個(gè)過渡工程，即在300 m半徑曲線雙線上布置1組單渡線道岔，幾年后將道岔拆除或固定作為正線運(yùn)營。

通過分析縱斷面圖，道岔只能設(shè)置在25‰坡度上，且在25‰坡度上的同里程位置，左右線軌面高程相同，能夠滿足道岔在左右線路上的布置要求。雙線為不同心的兩支緩和曲線，線間距從4.6 m過渡到10 m。單渡線道岔由2組道岔組成，左側(cè)為對稱道岔，右側(cè)為同側(cè)曲線形道岔。對稱道岔兩側(cè)曲線半徑均為300 m;曲線道岔主曲線半徑為300 m，側(cè)股曲線半徑為150 m。如圖1所示。

為了保證區(qū)間線路與道岔的正常過渡，左右側(cè)道岔前后至少20 m范圍內(nèi)鋼軌外股不能設(shè)置超高。

圖1 線路示意(單位:m)

2 道岔設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)及原則

(1)《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔技術(shù)條件》(TB/T412－2004)。

(2)《線路縱斷面圖》和《線路平面圖》。

(3)道岔容許通過速度:正線方向不大于35 km/h，側(cè)線方向不大于20 km/h。

(4)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇:動能損失ω≤0.65 km2/h2;未被平衡的離心加速度a≤0.5 m/s2;

未被平衡的離心加速度增量φ≤0.5 m/s3，尖軌尖端此值不大于1.0～1.3 m/s3。

2.2 道岔主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)對稱道岔軌距為1 435 mm;曲線道岔主線路軌距為1 435 mm，側(cè)線路軌距為1 450 mm。

在兩道岔之間的連接段5 000 mm范圍內(nèi)，軌距由1 435 mm過渡為1 450 mm。

(2)基本軌、導(dǎo)曲線軌采用60 kg/m鋼軌;尖軌采用60AT鋼軌;轍叉采用高錳鋼轍叉，護(hù)軌采用UIC33槽型鋼。

(3)道岔區(qū)不設(shè)置軌頂坡或軌底坡，道岔前后通過順坡墊板與區(qū)間線路相接。

(4)扣件采用Ⅲ型彈條分開式可調(diào)扣件，通過軌距塊調(diào)整軌距，軌距塊材質(zhì)采用玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66。

(5)軌下基礎(chǔ)按整體道床設(shè)計(jì)，采用合成軌枕，通過螺紋道釘與墊板相連。

(6)尖軌前端藏尖，曲線形單開道岔部分跟部為彈性可彎結(jié)構(gòu)，對稱道岔尖軌跟部為活接頭結(jié)構(gòu)，尖軌跟端設(shè)置1個(gè)間隔鐵。

(7)電務(wù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用內(nèi)鎖閉結(jié)構(gòu)。曲線形單開道岔電務(wù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)按2個(gè)牽引點(diǎn)設(shè)置，第一牽引點(diǎn)動程為160 mm，第二牽引點(diǎn)動程為80 mm。對稱道岔電務(wù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)按一點(diǎn)牽引設(shè)置，牽引點(diǎn)動程為160 mm。

(8)對稱道岔尖軌采用曲線尖軌，從尖軌寬度56.7 mm斷面到尖軌尖端為直線，之后為R300717.5 mm曲線。曲線形單開道岔尖軌采用半切線型尖軌，半切點(diǎn)處尖軌軌頭寬度為27 mm。

(9)尖軌工作邊、非工作邊的斜度均為1∶4。

(10)為保證在列車運(yùn)行條件下尖軌頂寬20 mm斷面之后開始承載，減緩尖軌磨損，曲線形單開道岔及對稱道岔直、曲尖軌頂面縱坡數(shù)值見表1。

表1 尖軌頂面縱坡數(shù)值 mm

(11)為了加強(qiáng)基本軌的穩(wěn)定性，減小基本軌的外傾和減小軌距擴(kuò)張，對稱道岔基本軌外側(cè)部分設(shè)置軌撐，軌撐滑床板處調(diào)整軌距采用軌撐調(diào)整楔，可以調(diào)整軌距2 mm，同時(shí)滑床板在安裝時(shí)設(shè)計(jì)了軌距調(diào)整片，確保鋪設(shè)時(shí)能夠保證軌距，如圖2所示。

圖2 軌撐滑床板示意

(12)連桿采用可調(diào)連桿，通過旋轉(zhuǎn)中間的螺紋套筒調(diào)節(jié)連桿的長度。

(13)對稱道岔和曲線形單開道岔轍叉心均采用高錳鋼轍叉，對稱道岔高錳鋼轍叉工作邊一側(cè)為直線，一側(cè)為曲線。曲線形單開道岔高錳鋼轍叉工作邊一側(cè)為R299.282 5 m圓弧，另一側(cè)為R150.717 5 m圓弧。

(14)鋼軌及高錳鋼整鑄轍叉下設(shè)5 mm厚橡膠墊板，鐵墊板下設(shè)10 mm厚橡膠墊板。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)的評估分析

曲線道岔因?qū)€半徑較小，道岔導(dǎo)曲線與岔前岔后曲線間的連接條件較差，常常形成不同半徑的同向曲線或反向曲線，同時(shí)因道岔號碼較小，在轉(zhuǎn)轍器及轍叉部分形成的結(jié)構(gòu)不平順較大，輪軌間的橫向作用較大，行車安全性及平穩(wěn)性均較低，駝峰下的曲線對稱道岔曾在國內(nèi)發(fā)生過多次脫軌事故，因此設(shè)計(jì)難度很大，需對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行評估分析。

3.1 導(dǎo)曲線半徑

對稱道岔曲線半徑為300 m，最高通過速度為44 km/h，欠超高為76.1 mm，小于容許限值90 mm;未被平衡離心加速度為0.497 m/s2，小于容許限值0.65 m/s2;道岔入口處的未被平衡離心加速度增量為0.41 m/s3，小于容許限值1.0 m/s2;動能損失值為0.43 km2/h2，小于容許限值0.65 km2/h2。

曲線道岔主線半徑及通過速度與對稱道岔相同。側(cè)線半徑為150 m，最高通過速度為30 km/h，欠超高為70.8 mm，小于容許限值90 mm;未被平衡離心加速度為0.46 m/s2，小于容許限值0.65 m/s2;道岔入口處的未被平衡離心加速度增量為0.26 m/s2，小于容許限值1.0 m/s2;動能損失值為0.26 km2/h2，小于容許限值0.65 km2/h2。

檢算結(jié)論:設(shè)計(jì)原則中所規(guī)定的正線及側(cè)線容許通過速度均小于上述容許最高通過速度。

3.2 夾直線長度

對稱道岔與曲線道岔兩反向圓線間夾直線長度為18.4 m，大于120 km/h以下的列車振動疊加容許限度0.4V(V為渡線方向允許通過速度)，也滿足車輛橫擺限度即1節(jié)車輛長(14.8 m)的要求。

3.3 道岔布置

對稱道岔與曲線道岔均未布置在緩和曲線及豎曲線上，滿足道岔布置要求。

3.4 軌底坡

對稱道岔及曲線道岔均未設(shè)置軌底坡或軌頂坡，對于列車通過速度低于120 km/h的道岔是可行的，有利于降低制造難度及造價(jià)，區(qū)間線路設(shè)置1/40軌底坡，通過設(shè)置帶1/60、1/80軌底坡的墊板完成過渡，軌底坡的變化率分別為1/120、1/240，滿足鐵路線路規(guī)定的小于1/80～1/120的要求。

3.5 超高

受道岔結(jié)構(gòu)及輪軌關(guān)系的限制，道岔一般不設(shè)置超高，即使設(shè)置，容許超高量也很小，對改善行車舒適性的作用十分有限。因此本次設(shè)計(jì)的對稱道岔與曲線道岔均未設(shè)置超高，而區(qū)間線路設(shè)置有超高，兩者間設(shè)置有20 m的不設(shè)超高的隔離段，大于1節(jié)車的長度14.8 m，可以避免在道岔范圍內(nèi)形成因超高引起的三角坑。

3.6 曲線加寬

以地鐵車輛兩軸轉(zhuǎn)向架按自由內(nèi)接通過曲線檢算，所需最小軌距為

式中，qmax為最大輪對寬度，取為1 424 mm;f0為曲線外矢距，為L2/2R，地鐵車輛轉(zhuǎn)向架固定軸L為2 200 mm，對于R=300 m曲線半徑外矢距為8.1 mm，對于150 m曲線半徑外矢距為16.1 mm。

按此檢算，對于300 m曲線半徑可采用標(biāo)準(zhǔn)軌距1 435 mm，對于150 m曲線半徑需加寬10～15 mm。

本設(shè)計(jì)中，對稱道岔軌距采用1 435 mm;曲線道岔主線軌距采用1 435 mm，側(cè)線采用1 450 mm，岔前與標(biāo)準(zhǔn)軌距的過渡范圍為3 335 mm，軌距變化率為4.50‰，岔后與標(biāo)準(zhǔn)軌距的過渡范圍為5 000 mm，軌距變化率為3.33‰。

軌距加寬值均在容許限度內(nèi)，軌距變化率均在容許限度6‰以內(nèi)。

3.7 尖軌頂面降低值

普通道岔尖軌頂面降低值的設(shè)計(jì)以尖軌強(qiáng)度及行車安全性、平穩(wěn)性為控制條件，尖軌頂面縱坡越小，輪載過渡范圍越短，所形成的道岔結(jié)構(gòu)不平順越小，行車安全性與平穩(wěn)性越好，但尖軌受力大，通常以尖軌頂寬20 mm處開始承載、頂寬50 mm處完全承載為設(shè)計(jì)控制條件，頂寬20 mm處降低3～5 mm。

對于曲線道岔，還有一個(gè)控制條件，即是結(jié)構(gòu)不平順中的三角坑4 mm限值。當(dāng)列車由岔前圓曲線進(jìn)入時(shí)，外側(cè)車輪將貼靠外軌運(yùn)行，因此在與岔前曲線同向的道岔轉(zhuǎn)轍器尖軌尖端范圍內(nèi)，車輪均是貼靠尖軌運(yùn)行的，如圖3所示。這樣若尖軌降低值過小，則在尖軌頂寬15 mm附近尖軌頂面就有可能開始承載，這對尖軌受力不利。同時(shí)，若轉(zhuǎn)向架后輪對外側(cè)車輪也貼靠尖軌運(yùn)行，輪緣接觸角較小的情況下(此時(shí)只有輪緣一個(gè)接觸點(diǎn)，輪軌踏面不接觸;因尖軌頂面輪廓軌距角處圓弧半徑較小，易導(dǎo)致輪緣接觸角減小)將致使車輪抬高，若接觸角為65°，磨耗型踏面的車輪抬高量可達(dá)6 mm左右，造成轉(zhuǎn)向架前輪對外側(cè)車輪與鋼軌脫離接觸，形成類似三角坑的結(jié)構(gòu)不平順，嚴(yán)重時(shí)將造成列車脫軌。車輪接觸點(diǎn)越早脫離基本軌，尖軌與車輪輪緣角越小，所形成的三角坑越大，如在尖軌頂寬30 mm處完全承載，就有可能使前輪對外側(cè)車輪與鋼軌形成4 mm以上的離縫，為安全計(jì)，尖軌頂面降低值應(yīng)盡可能取較大值，故曲尖軌頂寬20 mm處降低值取為5 mm。

圖3 車輪輪緣與尖軌的貼靠狀態(tài)

3.8 道岔轉(zhuǎn)換力

道岔尖軌轉(zhuǎn)換分析模型如圖4所示?？紤]特殊結(jié)構(gòu)外形和關(guān)鍵性細(xì)節(jié)部位，如尖軌與心軌的截面特性、牽引點(diǎn)位置、動程等，考慮到轉(zhuǎn)換過程中的線性和非線性因素，如摩擦力、密貼反力、頂鐵反力、扣件阻力等。密貼段的密貼作用、頂鐵反力作用及扣件支撐采用非線性彈簧單元模擬。尖軌與心軌采用非線性變截面梁單元模擬?？奂捎梅蔷€性彈簧單元進(jìn)行模擬，跟端以前長、短心軌之間的間隔鐵結(jié)構(gòu)采用彈簧單元進(jìn)行模擬，跟端間隔鐵采用等截面梁單元進(jìn)行模擬。

圖4 道岔轉(zhuǎn)換力計(jì)算模型

曲線道岔轉(zhuǎn)換力計(jì)算值為:正位至反位，一動轉(zhuǎn)換力668 N，二動轉(zhuǎn)換力3 755 N，轉(zhuǎn)換不足位移1.0 mm;反位至正位，一動轉(zhuǎn)換力607 N，二動轉(zhuǎn)換力2 157 N，轉(zhuǎn)換不足位移1.0 mm。轉(zhuǎn)換力在6 000 N容許范圍內(nèi)。

對稱道岔轉(zhuǎn)換力計(jì)算值為:正位至反位轉(zhuǎn)換力2 982 N;反位至正位轉(zhuǎn)換力2 025 N。轉(zhuǎn)換力在容許限度6 000 N以內(nèi)。

經(jīng)過以上參數(shù)評估分析，得出結(jié)論:當(dāng)?shù)罔F車輛以容許速度通過對稱道岔及曲線道岔時(shí)，安全性與平穩(wěn)性均在容許限度內(nèi)。

4 結(jié)論

重慶市軌道交通6號線60 kg/m鋼軌曲線形組合道岔目前已制造并試鋪完成，在制造過程中，對導(dǎo)曲線鋼軌及接頭夾板均進(jìn)行了預(yù)彎，保證了曲線道岔的線形準(zhǔn)確。本道岔在國內(nèi)為首組對稱道岔和同側(cè)曲線道岔組合道岔，為以后曲線道岔的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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