城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號對稱道岔設(shè)計

王國術(shù)

(中鐵十四局集團(tuán) 第五工程有限公司，山東 濟(jì)寧 272100)

國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)方興未艾，各城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)不斷展開。城市軌道交通線路向郊區(qū)發(fā)展，市郊線路設(shè)計速度一般高于市內(nèi)線路，因而對道岔直、側(cè)向通過速度和旅客舒適度有了新要求。城市軌道交通行車密度越來越高，要求不斷提高折返能力。目前城市軌道交通的道岔類型主要以3號、6號小號碼[2]系列道岔為主，已不能滿足新建線路的使用要求。為盡可能發(fā)揮城市軌道交通作為客運(yùn)主要載體的作用，有必要加大道岔號數(shù)以提高道岔的直、側(cè)向通過速度。這已成為城市軌道交通發(fā)展的一個趨勢[1]。

新研制的12號對稱道岔應(yīng)用在城市軌道交通中，能夠縮短道岔區(qū)段長度，減少地下開挖面積，有效地降低土建工程造價[3]，提高列車的側(cè)向容許通過速度。60 kg/m鋼軌12號對稱道岔開始在城市軌道交通線路實際工程中應(yīng)用，使用效果良好。

1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則

①軌距1 435 mm。

②道岔不設(shè)軌底坡，道岔兩端設(shè)順坡墊板過渡。

③尖軌采用60AT鋼軌制造，護(hù)軌為UIC33槽形軌，護(hù)軌頂面高出基本軌頂面12 mm。

④采用接頭夾板固定聯(lián)結(jié)。

⑤轍叉采用合金鋼轍叉。

⑥道岔區(qū)采用Ⅲ型彈條扣件(鐵座采用國鐵Ⅲ型鐵座，彈條采用國鐵專線3328-3型)。這是由于沈陽軌道交通線路使用Ⅲ型彈條扣件。為與線路扣件一致，方便現(xiàn)場備料，故該道岔采用了Ⅲ型彈條扣件。

⑦軌距塊設(shè)計安裝號數(shù)：非工作邊安裝9號軌距塊；工作邊安裝11號軌距塊；鋼軌接頭處安裝接頭軌距塊。

⑧鋼軌軌下及轍叉下設(shè)置5 mm厚橡膠墊板，墊板下設(shè)置10 mm厚橡膠墊板。這種雙層墊板的設(shè)置，能有效減少車輛的振動，降低噪聲。

2 道岔的平面設(shè)計

2.1 道岔的平面線型設(shè)計

道岔的平面線型包括4種類型：單圓型、復(fù)圓型、圓緩型和緩圓緩型[4-5]。鐵路所使用側(cè)向容許通過速度較低的道岔一般選用半徑較小的單圓曲線型。結(jié)合國內(nèi)常用單開道岔的設(shè)計經(jīng)驗，對于新研制的12號對稱道岔，由于側(cè)向容許通過速度僅為60 km/h，在這里采用單圓曲線的平面線型。

2.2 尖軌平面線型的確定

常見的尖軌平面型式為直線型尖軌和曲線型尖軌。比較兩者，曲線型尖軌單開道岔具有導(dǎo)曲線半徑顯著增大、道岔全長顯著縮短、車輪對尖軌的沖擊較小、可使尖軌使用壽命加長等優(yōu)點，故推薦采用曲線型尖軌。

曲線尖軌分為切線型、半切線型、割線型及相離型[6]。其中切線型、割線型尖軌尖端較薄，12號曲線尖軌采用半切線型。該對稱道岔用于折返線，使用頻繁，順向出岔較多時尖軌的磨耗較為嚴(yán)重。根據(jù)提速以來國鐵12號道岔的使用經(jīng)驗，采用相離型曲線尖軌對減輕曲尖軌的磨耗較為有利，能夠顯著延長尖軌的使用壽命，同時該線型也可以減小尖軌的沖擊角，因此采用相離半切線型曲線尖軌。

2.3 道岔平面主要尺寸

該道岔主要尺寸：道岔全長L=37 907 mm；道岔前端長度a=16 838 mm；道岔后端長度b=21 069 mm；尖軌尖端前基本軌長度q=4 395 mm；尖軌長度l0=12 400 mm；導(dǎo)曲線半徑R=700 m；轍叉趾距n=2 192 mm。

道岔設(shè)計如圖1所示。

圖1 60 kg/m 12號對稱道岔設(shè)計(單位：mm)

2.4 牽引點的布置

為保證基尖軌密貼及線型的穩(wěn)定性，尖軌設(shè)置2個牽引點，拉桿中心距尖軌尖端430 mm。第1牽引點設(shè)計動程為90 mm，第2牽引點設(shè)計動程為48 mm。尖軌牽引點設(shè)計要充分考慮牽引點間密貼及牽引點后不足位移因素，在尖軌薄弱斷面牽引點距離為 4 200 mm。

2.5 岔枕布置

1)采用無擋肩混凝土短岔枕，轉(zhuǎn)轍器及轍叉部分垂直轍叉角平分線，其余均垂直于鋼軌。

2)岔枕間距按600 mm模數(shù)進(jìn)行布置，局部位置作了調(diào)整，在第1、第2牽引點的岔枕間距為690 mm，短軌枕的設(shè)計寬度應(yīng)滿足電務(wù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的安裝要求。

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)轍器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

①尖軌采用60AT彈性可彎式尖軌。

②跟端軋制成60 kg/m鋼軌斷面形式，過渡段長度為150 mm，成型段長度為450 mm。

③尖軌前端按藏尖式設(shè)計，藏尖厚度為3 mm，尖軌藏尖補(bǔ)充刨切長度為120 mm。尖軌前端的藏尖結(jié)構(gòu)(見圖2)既減少尖軌尖端沖擊角，又明顯增加尖軌前端厚度，增加耐磨性。

圖2 尖軌藏尖結(jié)構(gòu)(單位：mm)

④尖軌尖端降低值既要滿足鋼軌及輪緣發(fā)生最大垂直磨耗時不會軋傷尖軌尖端，又要防止尖軌與基本軌偶有不密貼時車輪爬上尖軌。

為合理設(shè)置輪載轉(zhuǎn)移及運(yùn)行平順性，對頂面降低值應(yīng)給予控制，采用如下尖軌頂面縱坡設(shè)計：0,20,40 mm 斷面處降低值分別采用23,3,0 mm，如圖3所示。

圖3 尖軌頂面縱坡(單位：mm)

⑤尖軌工作邊和非工作邊斜度均為1∶4；基尖軌密貼區(qū)段的斜面貼合配合藏尖結(jié)構(gòu)，能夠提高列車逆向運(yùn)行的安全性，加強(qiáng)尖軌尖端附近區(qū)域的穩(wěn)定性。

⑥尖軌設(shè)置2個牽引點，第1牽引點設(shè)計動程為90 mm，第2牽引點設(shè)計動程為48 mm。

⑦在尖軌軌頭水平刨切之后基本軌軌腰上設(shè)置頂鐵，起保持尖軌支距的作用，并使基本軌與尖軌共同承受水平力。

⑧尖軌跟端采用彈性可彎式，對工作邊軌底進(jìn)行刨切，降低尖軌理論彎折點區(qū)域的橫向剛度，從而減小扳動力。為了防止尖軌爬行及更好地傳遞溫度力，跟端采用間隔鐵型式。由于該道岔軌下基礎(chǔ)是整體道床結(jié)構(gòu)，在間隔鐵兩側(cè)及尖軌與導(dǎo)軌連接的接頭夾板范圍設(shè)置安裝箱，便于螺栓拆卸，達(dá)到尖軌易更換的目的。尖軌跟端結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 尖軌跟端結(jié)構(gòu)

圖5 合金鋼組合轍叉

3.2 固定型合金鋼轍叉

采用合金鋼組合轍叉，如圖5所示。合金鋼鍛造心軌組合轍叉是針對整鑄式高錳鋼轍叉在使用中失效的主要形態(tài)為裂紋、剝離掉塊和壽命散度大的情況而研制的，在國內(nèi)廣泛使用。合金鋼叉心拼裝式轍叉是由合金鋼鍛造叉心、翼軌、叉跟軌以及間隔鐵通過橫向高強(qiáng)度螺栓組合而成為整體。該轍叉具有強(qiáng)度高、耐磨耗的特點，同時由于其翼軌與叉跟軌均由普通鋼軌制造，可直接與線路鋼軌連接。

轍叉全長 5 992 mm，趾端長度 2 192 mm，跟端長度 3 800 mm。心軌為鍛造合金鋼叉心，與叉跟軌拼接。翼軌為標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌。叉跟軌為標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌。

4 列車通過道岔時的動力學(xué)特性分析

采用多體動力學(xué)理論，建立有軌電車-道岔動力學(xué)模型，計算有軌電車通過12號對稱道岔時的動力學(xué)響應(yīng)，分析道岔動力學(xué)特性。動力學(xué)模型的建立方法參見文獻(xiàn)[7]。

有軌電車以速度60 km/h逆向通過60 kg/m 12號對稱道岔時，輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、減載率、輪軸橫向力和車體橫向加速度時程曲線如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)50 m處為尖軌尖端，80 m處為心軌尖端。由圖可見：有軌電車進(jìn)入道岔區(qū)后，在0.382°轉(zhuǎn)轍角作用下形成輪軌橫向沖擊荷載，輪軌橫向力達(dá)到40 kN。轍叉區(qū)存在有害空間，輪載在心軌與翼軌間過渡時形成明顯的輪軌沖擊荷載，輪軌垂向力峰值達(dá)到122.7 kN，為靜輪載的2倍。輪軸橫向力峰值為67 kN，減載率、脫軌系數(shù)的峰值分別達(dá)到0.61,0.62，安全性指標(biāo)均小于限值要求。在未平衡超高作用下，車體橫向加速度最大值為0.42 m/s2，屬于合格等級。因此，上述道岔區(qū)各項動力學(xué)指標(biāo)均滿足運(yùn)營要求。

圖6 有軌電車以速度60 km/h逆向通過60 kg/m 12號對稱道岔時動力學(xué)指標(biāo)時程曲線

5 結(jié)語

軌道交通用60 kg/m鋼軌12號對稱道岔設(shè)計，在縮短道岔區(qū)段長度，減少地下開挖面積，降低土建工程造價，提高列車的側(cè)向容許通過速度和對運(yùn)量的儲備等方面進(jìn)行了改進(jìn)。目前60 kg/m鋼軌12號對稱道岔已經(jīng)在沈陽有軌電車2號線運(yùn)營，根據(jù)用戶信息反饋，對稱道岔運(yùn)行正常，尚未發(fā)生因道岔本身結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的故障。

60 kg/m鋼軌12號對稱道岔的設(shè)計研發(fā)，較好地填補(bǔ)城市軌道交通道岔系列的空白，可為新建線行車組織提供技術(shù)儲備。本道岔的平面型式及結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)揮了曲線尖軌道岔的優(yōu)勢，同時滿足國家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，在城市軌道交通工程中應(yīng)用前景廣闊。

[1]張東風(fēng)，蔣昕，侯愛濱，等.北京城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號單開道岔的設(shè)計研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2012,50(9):30-33.

[2]陳漫，劉成，王平.有軌電車6號道岔尖軌轉(zhuǎn)換有限元分析[J].鐵道建筑，2017,57(1):135-137.

[3]唐志堅,馮毅,雷潔，等.駝峰站場用對稱道岔的設(shè)計改進(jìn)與應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2006,50(5):19-20.

[4]趙衛(wèi)華,王平,曹洋.基于輪軌動力學(xué)的緩和曲線型道岔平面線型設(shè)計[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2015,12(5): 999-1002.

[5]王樹國,葛晶,孫家林.高速鐵路道岔平面設(shè)計參數(shù)與側(cè)線線型的研究[J].鐵道建筑,2014,54(1):91-94.

[6]許有全.客運(yùn)專線60-18號道岔設(shè)計方法的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2006.

[7]王樹國,司道林,王猛,等.高速鐵路道岔尖軌降低值對行車平穩(wěn)性的影響機(jī)理研究[J].中國鐵道科學(xué),2014,35(3):28-33.