中低速磁浮交通小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔設(shè)計(jì)研究

牛均寬，王紅霞

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006)

中低速磁浮交通小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔設(shè)計(jì)研究

牛均寬，王紅霞

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006)

為了減小中低速磁浮交通單渡線(xiàn)道岔區(qū)線(xiàn)路的線(xiàn)間距，降低工程總體造價(jià)，研究設(shè)計(jì)一種小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔。詳細(xì)介紹這種小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔設(shè)計(jì)的完整思路和隨動(dòng)移梁裝置、梁端抬軌裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并闡述防止單渡線(xiàn)道岔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)梁端對(duì)接不發(fā)生干涉的方法及梁間合理的預(yù)留間隙。該設(shè)計(jì)采用UG軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)轍驅(qū)動(dòng)仿真模擬，為中國(guó)首條中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)示范線(xiàn)工程化設(shè)計(jì)提供技術(shù)保障，為其他新型城市軌道交通制式小線(xiàn)間距道岔的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)理念和方法。

中低速磁?。粏味删€(xiàn)道岔；小線(xiàn)間距；隨動(dòng)裝置

1 概述

跨座式單軌交通系統(tǒng)以重慶2號(hào)線(xiàn)、3號(hào)線(xiàn)為代表，高速磁浮軌道交通系統(tǒng)以上海龍陽(yáng)路到浦東機(jī)場(chǎng)線(xiàn)為代表、中低速磁浮軌道交通系統(tǒng)以北京S1線(xiàn)為代表，其共同特點(diǎn)是車(chē)輛采用不同制式騎跨在一根線(xiàn)路軌道梁上[1]，線(xiàn)路可以低置，也可以高架，在城市內(nèi)選址比較靈活，多用于解決城市內(nèi)旅客的出行問(wèn)題。本文討論的城市軌道交通系統(tǒng)即指由單根軌道梁承擔(dān)車(chē)輛運(yùn)行的軌道交通模式。隨著城市軌道交通走向成熟及建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，線(xiàn)路中的道岔設(shè)計(jì)已經(jīng)逐步向系列化方向發(fā)展。線(xiàn)路中包含了單開(kāi)、三開(kāi)、單渡線(xiàn)、交叉渡線(xiàn)等多種道岔類(lèi)型，既能輕松完成車(chē)輛的轉(zhuǎn)轍換線(xiàn)，又能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在線(xiàn)路上的折返、會(huì)讓、摘掛等運(yùn)營(yíng)需求。

城市軌道交通系統(tǒng)的單渡線(xiàn)道岔通常是由2組單開(kāi)道岔和中間垛梁組合形成。以北京S1線(xiàn)上圖1所示的中低速磁浮單渡線(xiàn)道岔為例，中間有垛梁2時(shí)，無(wú)論道岔轉(zhuǎn)到直線(xiàn)位還是側(cè)線(xiàn)位時(shí)都要能保證車(chē)輛過(guò)岔的3種限界要求，這樣道岔的線(xiàn)間距就應(yīng)足夠?qū)?，即線(xiàn)間距K不能小于2×半梁寬+車(chē)寬+2S(安全間隙)，北京S1線(xiàn)中低速磁浮單渡線(xiàn)道岔的線(xiàn)間距K=6.23 m。對(duì)于修在城市里的軌道，過(guò)寬的線(xiàn)間距缺點(diǎn)是顯然的：首先土地占用面積大[2]；其次車(chē)站為適應(yīng)道岔要建造得很大，影響美觀(guān)；另外為了和線(xiàn)路對(duì)接岔前和岔后需要設(shè)置緩和曲線(xiàn)[3]，影響車(chē)輛運(yùn)行速度。因此根據(jù)工程需要研究設(shè)計(jì)一種小線(xiàn)間距的單渡線(xiàn)道岔，以適應(yīng)道岔區(qū)線(xiàn)路設(shè)計(jì)的需要，從而以圓滿(mǎn)消除道岔區(qū)線(xiàn)間距過(guò)大造成的諸多弊端。

圖1 常規(guī)間距單渡線(xiàn)道岔結(jié)構(gòu)布局(單位：m)

2 小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔方案設(shè)計(jì)

中低速磁浮交通小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔設(shè)計(jì)方案：如圖2所示，采用2個(gè)單開(kāi)道岔對(duì)接，去掉中間垛梁，線(xiàn)間距由6.23 m縮小為4.6 m。車(chē)輛在道岔直線(xiàn)位完全滿(mǎn)足車(chē)輛通過(guò)的限界要求[4，5]，并能安全通過(guò)道岔[6]；車(chē)輛在側(cè)線(xiàn)位置時(shí)無(wú)法通過(guò)，為此設(shè)計(jì)增加道岔避讓梁，將原本固定的梁3設(shè)計(jì)為可移動(dòng)梁，移開(kāi)一定距離滿(mǎn)足車(chē)輛過(guò)岔對(duì)于線(xiàn)間距需求，這樣側(cè)線(xiàn)位車(chē)輛也可以通過(guò)。道岔的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是單渡線(xiàn)道岔向側(cè)線(xiàn)位轉(zhuǎn)動(dòng)，避讓梁移開(kāi)，側(cè)線(xiàn)位接通；單渡線(xiàn)道岔向直線(xiàn)位轉(zhuǎn)動(dòng)，避讓梁轉(zhuǎn)回到直線(xiàn)位，直線(xiàn)位接通。

圖2 小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔結(jié)構(gòu)布局(單位：m)

3 隨動(dòng)移梁裝置設(shè)計(jì)

移動(dòng)避讓梁，需要?jiǎng)恿?，考慮了2套設(shè)計(jì)方案：方案一在2個(gè)避讓梁下方安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)[7]、減速器、曲臂等裝置，并在道岔平臺(tái)上設(shè)置驅(qū)動(dòng)預(yù)埋基礎(chǔ)；方案二由于道岔主梁的運(yùn)動(dòng)方向和對(duì)應(yīng)避讓梁的運(yùn)動(dòng)方向相同，道岔梁向側(cè)向位轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，避讓梁向同側(cè)讓開(kāi)，道岔梁向直向位轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，避讓梁回到直線(xiàn)位，據(jù)此設(shè)計(jì)了一套隨動(dòng)移梁裝置如圖3所示，借著道岔主梁轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)隨動(dòng)裝置帶動(dòng)避讓梁轉(zhuǎn)動(dòng)。由于方案二結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，因此本文做重點(diǎn)介紹。

圖3 小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔隨動(dòng)移梁裝置連接示意(單位：m)

3.1 隨動(dòng)移梁裝置的動(dòng)作原理

隨動(dòng)移梁裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，如圖4中上圖表示道岔的直線(xiàn)位置，下圖表示道岔轉(zhuǎn)到的側(cè)線(xiàn)位置。設(shè)計(jì)研究時(shí)采用UG運(yùn)動(dòng)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)位置和機(jī)構(gòu)連接關(guān)系的精確模擬。分析時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)連接副定義如下：道岔梁1、避讓梁2、隨動(dòng)連桿3與地面鉸接；推桿4和道岔梁1、隨動(dòng)連桿3鉸接；推桿5和隨動(dòng)連桿3、避讓梁2鉸接。動(dòng)作原理如下：當(dāng)?shù)啦砹?轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，道岔梁1推動(dòng)推桿4，推桿4推動(dòng)隨動(dòng)連桿3轉(zhuǎn)動(dòng)，隨動(dòng)連桿3推動(dòng)推桿5，推桿5推動(dòng)避讓梁2轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)啦砹恨D(zhuǎn)到側(cè)向位時(shí)，避讓梁2同時(shí)被推開(kāi)，側(cè)線(xiàn)位接通。當(dāng)?shù)啦砹?由側(cè)向位轉(zhuǎn)回到直線(xiàn)位時(shí)，避讓梁2同時(shí)被拉回直線(xiàn)位，線(xiàn)路直線(xiàn)位被接通。通過(guò)計(jì)算模擬，合理設(shè)置隨動(dòng)連桿3的長(zhǎng)度和安裝位置，達(dá)到合理的避讓梁轉(zhuǎn)動(dòng)距離，從而滿(mǎn)足車(chē)輛通過(guò)時(shí)要求的線(xiàn)間距。

圖4 隨動(dòng)移梁裝置連接機(jī)構(gòu)

3.2 隨動(dòng)移梁裝置結(jié)構(gòu)

隨動(dòng)移梁裝置如圖5所示，1道岔梁連接架與道岔梁相連；5避讓梁連接架與避讓梁相連；7推桿Ⅰ一端通過(guò)鉸軸與1道岔梁連接架相連，7推桿Ⅰ另一端通過(guò)鉸軸與隨動(dòng)連桿3相連；4推桿Ⅱ一端通過(guò)鉸軸與5避讓梁連接架相連，4推桿另一端通過(guò)鉸軸與隨動(dòng)連桿3相連；隨動(dòng)連桿3一端通過(guò)固定鉸軸安裝在基礎(chǔ)上，另一端放在支撐滾輪2上，支撐滾輪放在6圓形軌道上。

圖5 隨動(dòng)移梁裝置結(jié)構(gòu)示意

4 對(duì)接梁轉(zhuǎn)動(dòng)防干涉研究

4.1 道岔對(duì)接梁端間隙的研究

道岔是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不能發(fā)生干涉現(xiàn)象，互相對(duì)接的梁與梁之間應(yīng)該留有一定的間隙。間隙過(guò)大會(huì)影響車(chē)輛運(yùn)行，間隙過(guò)小會(huì)發(fā)生干涉，因此如何將間隙設(shè)置在合理的范圍是應(yīng)考慮的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。梁端間隙由以下間隙組成。

(1)梁的熱脹冷縮間隙[8]m1：確定方法，首先應(yīng)根據(jù)碳鋼的線(xiàn)脹系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到一個(gè)理論值，這個(gè)理論值是基于鋼板材料得到的，由于道岔梁是焊接的箱體結(jié)構(gòu)，線(xiàn)脹系數(shù)與鋼板不完全相同，可能有一定誤差，但總體不會(huì)大于鋼板的熱脹冷縮值，這里按鋼板理論值選取。比如對(duì)于中低速磁浮道岔24 m的鋼梁，熱脹系數(shù)=10.6×10-6mm/℃，在-20～60 ℃的溫差變化下：m1=24 000×10.6×10-6×80=20.352 mm。

(2)對(duì)角干涉間隙m2：有一定寬度和長(zhǎng)度的梁在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為防止梁轉(zhuǎn)到對(duì)角時(shí)發(fā)生干涉，應(yīng)當(dāng)留出一定的干涉間隙，同樣以北京S1線(xiàn)中低速磁浮道岔24 m長(zhǎng)、2.2 m寬的梁為例，按圖6用做圖法求出一端固定，一端活動(dòng)梁對(duì)接的干涉間隙m2=23.3 mm；兩端均活動(dòng)梁的干涉間隙m2=46.6 mm。

圖6 對(duì)角干涉間隙(單位：mm)

(3)保證間隙m3：保證間隙一般一根梁為5 mm，這個(gè)間隙主要考慮制造誤差、安裝誤差等造成的尺寸誤差，通過(guò)保證間隙的設(shè)置將誤差的影響予以排除。

(4) 總間隙m總

A：當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)梁與固定梁對(duì)接時(shí)，考慮工作溫度在-20～60 ℃，安裝時(shí)的環(huán)境溫度在0～40 ℃，總間隙m總=knm1+m2+m3，其中熱脹冷縮間隙按插值法計(jì)算，kn值為插值系數(shù)

中低速磁浮單開(kāi)道岔已經(jīng)順利完成各項(xiàng)通車(chē)試驗(yàn)，預(yù)留的轉(zhuǎn)動(dòng)梁與固定梁對(duì)接間隙已經(jīng)得到驗(yàn)證，不會(huì)影響車(chē)輛運(yùn)行，為了運(yùn)行安全上述間隙值作為今后設(shè)計(jì)的指標(biāo)值予以保證。

B：當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)梁對(duì)接時(shí)總間隙為上述總間隙的兩倍。

4.2 小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔梁端間隙的縮小

單渡線(xiàn)道岔去掉中間垛梁以后就是2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)梁對(duì)接，符合上節(jié)B項(xiàng)間隙數(shù)值，在20 ℃安裝道岔的轉(zhuǎn)動(dòng)間隙達(dá)到81.02 mm才能不發(fā)生干涉，中低速磁浮車(chē)輛不能允許有這么大的間隙[9]，制動(dòng)塊會(huì)陷入間隙中，發(fā)生事故；對(duì)于其他單軌車(chē)輛這么大的間隙既影響車(chē)輛通過(guò)的平穩(wěn)性和安全性，因此應(yīng)當(dāng)想辦法將間隙縮小。

逐項(xiàng)分析間隙的消除辦法：首先熱脹冷縮間隙是必須保證的，無(wú)法消除，因?yàn)檫@屬于物理學(xué)的基本原理；其次對(duì)角干涉間隙，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以通過(guò)在梁轉(zhuǎn)動(dòng)之前將梁端軌道抬起一定角度，使2個(gè)軌道不在同一個(gè)平面，就不會(huì)發(fā)生干涉，當(dāng)梁轉(zhuǎn)動(dòng)到位之后再將軌道放下，達(dá)到消除對(duì)角間隙的目的，因此對(duì)角干涉間隙可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)消除。最后保證間隙m3屬于偶然誤差，一般也不能沒(méi)有。通過(guò)以上分析，在對(duì)角間隙消除的情況下，總間隙為C項(xiàng)。

C：當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)梁對(duì)接，有抬軌道機(jī)構(gòu)，總間隙為m總=2knm1+2m3，通過(guò)計(jì)算可知在20 ℃安裝時(shí)間隙為34.42 mm，達(dá)到了小于40 mm的設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠滿(mǎn)足磁浮車(chē)輛通行的要求。

4.3 非同步轉(zhuǎn)動(dòng)

當(dāng)2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)梁對(duì)接，如果不用抬軌機(jī)構(gòu)，采用2個(gè)梁不同步轉(zhuǎn)動(dòng)的方案，即一個(gè)梁轉(zhuǎn)過(guò)之后另一個(gè)梁再轉(zhuǎn)，如果對(duì)時(shí)間要求不高、間隙可以適度放大的交通系統(tǒng)模式，采用對(duì)接梁非同步轉(zhuǎn)動(dòng)的方案將會(huì)省掉抬梁機(jī)構(gòu)。

D：當(dāng)2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)梁對(duì)接，無(wú)抬軌道機(jī)構(gòu)，非同步運(yùn)轉(zhuǎn)，總間隙分m總=2knm1+2m2+2m3。

通過(guò)以上研究可以總結(jié)出表1作為設(shè)計(jì)參考。

表1 20 ℃安裝道岔梁對(duì)接間隙

5 活動(dòng)端抬軌機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7所示，活動(dòng)端抬起機(jī)構(gòu)由三部分組成：活動(dòng)端抬軌2、 電動(dòng)推桿3、限位開(kāi)關(guān)4，活動(dòng)端抬軌左端通過(guò)安裝在一組單開(kāi)道岔梁端的鉸軸座鉸接、右端通過(guò)固定安裝在另一組單開(kāi)道岔梁端的導(dǎo)向支撐軌連接，單渡線(xiàn)道岔通過(guò)電動(dòng)推桿、限位開(kāi)關(guān)在兩組單開(kāi)道岔相互轉(zhuǎn)轍對(duì)接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)活動(dòng)端的翻轉(zhuǎn)抬起和對(duì)接位置檢測(cè)。

圖7 活動(dòng)端抬軌機(jī)構(gòu)

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上研究，完成了中低速磁浮交通小線(xiàn)間距單渡線(xiàn)道岔的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)是在為北京S1線(xiàn)中低速磁浮線(xiàn)解決工程實(shí)際需求開(kāi)發(fā)完成的[10]，此單渡線(xiàn)道岔通過(guò)設(shè)計(jì)在不增加額外驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上只是增添簡(jiǎn)單的隨動(dòng)移梁機(jī)構(gòu)、抬軌機(jī)構(gòu)，在保證可靠性基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了小空間布局下的車(chē)輛過(guò)車(chē)需求的大位移大線(xiàn)間距要求。這樣車(chē)站布局簡(jiǎn)單易行，岔前、岔后無(wú)需設(shè)置緩和曲線(xiàn)，線(xiàn)路選址可以更加靈活，更重要的是大大降低了工程的總體造價(jià)[11]。此項(xiàng)研究設(shè)計(jì)受到了業(yè)主和同行的高度認(rèn)可和評(píng)價(jià)，目前在北京S1線(xiàn)、長(zhǎng)沙磁浮線(xiàn)2條中低速磁浮線(xiàn)路的單渡線(xiàn)道岔上推廣應(yīng)用，此設(shè)計(jì)其理念和經(jīng)驗(yàn)為其他新型制式城軌交通系統(tǒng)在寸土寸金的大都市[12]環(huán)境友好地推廣應(yīng)用必將產(chǎn)生較大影響。

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Design and Research on Single Crossover Turnout with Small Distance between Tracks for Medium-Low Speed Maglev Transit

NIU Jun-kuan， WANG Hong-xia

(China Railway Baoji Bridge Group Co.， Ltd.， Baoji 721006， China)

To minimize the distance between tracks in turnout area for single crossover of medium-low speed maglev transit lines and to reduce the overall project cost， a type of single crossover turnout with small distance between tracks is developed and designed. This paper introduces in detail the complete design concept and the design structure of follow-up beam-moving device and rail-lifting device at the beam end， and expounds the method to prevent the interference of beam end abutment when the single crossover turnout is switched， as well as the proper reserved clearance between beams. Turnout switching is simulated with UG software so as to provide technical support for engineering design of the first medium-low speed commercial maglev line in China， and also provide design concept and method for the design of turnout with small distance between tracks for other new urban rail transit systems.

Medium-low speed maglev; Single crossover turnout; Small distance between tracks; Follow-up device

2015-01-26；

2015-03-24

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2011KTCG01-02)

牛均寬(1971—)，男，高級(jí)工程師，1996年畢業(yè)于北京理工

大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:niujunkuan@126.com。

1004-2954(2015)11-0014-04

U237； U213.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.004