城市軌道交通7號(hào)單開(kāi)道岔結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)

楊亮 王樹(shù)國(guó) 游彥輝 樊小平 王璞

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司，北京 102202）

隨著我國(guó)城市人口數(shù)量的增長(zhǎng)，城市軌道交通越來(lái)越重要。2018年底我國(guó)人口超千萬(wàn)的城市有14座，已開(kāi)通地鐵的城市有39座。道岔是城市軌道交通中的關(guān)鍵設(shè)備和薄弱環(huán)節(jié)，由于歷史原因，地鐵道岔設(shè)計(jì)缺少前瞻性規(guī)劃，造成道岔型號(hào)雜亂，技術(shù)水平參差不齊，影響了運(yùn)能提高及運(yùn)輸安全。線路運(yùn)營(yíng)中道岔的故障率和維修量占到軌道總維修量的約50%。

城市軌道交通中7號(hào)道岔主要鋪設(shè)在站場(chǎng)，在車輛出庫(kù)、入庫(kù)時(shí)使用［1］。城市軌道交通7號(hào)單開(kāi)道岔均采用50 kg/m鋼軌制造。這些道岔主要問(wèn)題有：多數(shù)道岔型號(hào)老舊，生產(chǎn)年代久遠(yuǎn)，有些道岔還在使用木岔枕，腐爛現(xiàn)象嚴(yán)重，軌距保持能力不足；曲尖軌前端厚度不足，磨耗、掉塊現(xiàn)象多發(fā)；尖軌與基本軌不密貼，尖軌爬行現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；轍叉多采用高錳鋼整鑄而成，叉心磨耗、掉塊等現(xiàn)象普遍。近年也有不少設(shè)計(jì)單位對(duì)道岔進(jìn)行優(yōu)化，但都屬于在線型不變的基礎(chǔ)上對(duì)軌件、配件進(jìn)行加強(qiáng)，沒(méi)有從本源上解決問(wèn)題。近十年來(lái)我國(guó)重載道岔和高速道岔技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，取得一系列創(chuàng)新成果［2-7］，尤其是為延長(zhǎng)道岔使用壽命先后開(kāi)發(fā)了直曲復(fù)合型尖軌、合金鋼材料轍叉等，通過(guò)重載和提速線路試驗(yàn)壽命可以提高2～3倍，效果顯著。本次優(yōu)化通過(guò)設(shè)計(jì)新線型來(lái)彌補(bǔ)前期設(shè)計(jì)的不足，同時(shí)借鑒重載、高速道岔先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)城市軌道交通領(lǐng)域道岔的發(fā)展與提升。

1 設(shè)計(jì)原則與技術(shù)指標(biāo)

1.1 設(shè)計(jì)原則

1）道岔長(zhǎng)度與站場(chǎng)主流道岔型號(hào)一致。由于城市軌道交通7號(hào)道岔主要鋪設(shè)在站場(chǎng)，站場(chǎng)在城市中占地較大，土地價(jià)格高昂，有些城市的部分站場(chǎng)還上蓋物業(yè)，一旦站場(chǎng)建設(shè)完成就很難擴(kuò)建，因此7號(hào)道岔的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度要跟主流的圖號(hào)的長(zhǎng)度保持一致以方便日后的更換、維修。經(jīng)調(diào)研城市軌道交通中7號(hào)道岔圖號(hào)使用最多的是中鐵山橋SC319，后期有些設(shè)計(jì)單位對(duì)此線型的細(xì)部作了更改，如更改扣件類型、軌枕間距等，形成了各自的圖號(hào)，但在線型上與SC319保持一致。這些圖號(hào)有北京城建的城軌252、鐵科軌道的CNR5198、中鐵上海設(shè)計(jì)院的STY-DC11、北京市政的BJ4-400、中鐵設(shè)計(jì)的ZS9761等。本次設(shè)計(jì)道岔前長(zhǎng)、后長(zhǎng)、總長(zhǎng)都與SC319的長(zhǎng)度保持一致，在線型方面進(jìn)行優(yōu)化。

2）通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化延長(zhǎng)道岔使用壽命。對(duì)城市軌道交通中大量使用的傳統(tǒng)型道岔，在不增加成本或少量增加成本的前提下，通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有道岔線型結(jié)構(gòu)，提高軌件強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命，減少日常維修量。如通過(guò)調(diào)整尖軌尖端到道岔始端的距離（Q值），調(diào)整導(dǎo)曲線理論起點(diǎn)距直股鋼軌工作邊相離值、調(diào)整導(dǎo)曲線理論終點(diǎn)距轍叉?zhèn)裙晒ぷ鬟呄嚯x值來(lái)增加曲尖軌直線段長(zhǎng)度及半切點(diǎn)軌頭厚度，提高尖軌耐磨性，延長(zhǎng)其使用壽命。

3）使用新材料、新工藝。近年來(lái)新材料、新工藝在軌道交通中開(kāi)始逐步使用且取得了優(yōu)異的效果，比如合金鋼材料轍叉以及復(fù)合材料岔枕［8-11］。本文除了設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的高錳鋼整鑄轍叉、混凝土岔枕外還設(shè)計(jì)了合金鋼組合轍叉和玻纖增強(qiáng)聚氨酯樹(shù)脂（FFU）復(fù)合材料岔枕，為現(xiàn)場(chǎng)使用提供多種選擇。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

靜軸重≤17 t；直向運(yùn)行速度≤80 km/h，側(cè)向運(yùn)行速度≤25 km/h；動(dòng)能損失W≤0.65 km2/h2；未被平衡的離心加速度α≤0.56 m/s2；未被平衡的離心加速度時(shí)變率β≤1.0 m/s3。

2 道岔線型設(shè)計(jì)

2.1 線型方案平面參數(shù)

城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號(hào)單開(kāi)道岔（圖號(hào)SC319）主要結(jié)構(gòu)特征為：總長(zhǎng)23627mm，前長(zhǎng)11194mm，后長(zhǎng)12 433 mm，導(dǎo)曲線半徑150 m，未平衡的離心加速度為0.32 m/s2，欠超高49.2 mm，尖軌采用相離半切式線型，轉(zhuǎn)轍器端導(dǎo)曲線理論起點(diǎn)與直基本軌工作邊割距為4 mm；端導(dǎo)曲線理論終點(diǎn)與轍叉心軌延長(zhǎng)線割距為12 mm。新設(shè)計(jì)的7號(hào)道岔全長(zhǎng)、前長(zhǎng)、后長(zhǎng)均與SC319原設(shè)計(jì)相同，現(xiàn)場(chǎng)可以互換，通過(guò)調(diào)整尖軌尖端距道岔始端距離（Q值）、導(dǎo)曲線始端與直基本軌工作邊割距、導(dǎo)曲線理論終點(diǎn)與轍叉心軌延長(zhǎng)線割距等參數(shù)得到最優(yōu)的2種線型方案。3種線型方案參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原設(shè)計(jì)與方案一、方案二參數(shù)對(duì)比

續(xù)表2

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

采用動(dòng)力學(xué)軟件建立地鐵車輛與道岔耦合模型，計(jì)算對(duì)比分析列車通過(guò)3種線型時(shí)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，為道岔平面線型的選擇提供指導(dǎo)。

我國(guó)地鐵車輛主要有A型車、B型車2種。B型車最為常見(jiàn)，車體較小，軸重較輕。近年來(lái)隨著城市人口爆發(fā)式增長(zhǎng)，車體寬、軸重大的A型車越來(lái)越受歡迎，特別是新建線路已多選擇A型車作為運(yùn)營(yíng)車輛。A型車運(yùn)行時(shí)對(duì)道岔影響更大，因此計(jì)算時(shí)采用A型車的參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 地鐵A型車參數(shù)

計(jì)算時(shí)車輛側(cè)向過(guò)岔最高速度為25 km/h，分析了逆向進(jìn)岔和順向出岔2種工況。逆向進(jìn)岔時(shí)列車由尖軌尖端駛?cè)氩韰^(qū)，通過(guò)導(dǎo)曲線后由轍叉駛離；順向出岔時(shí)列車從轍叉跟端進(jìn)入岔區(qū)，通過(guò)導(dǎo)曲線后從尖軌尖端駛離。車輛在岔區(qū)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示，計(jì)算后提取了列車過(guò)岔時(shí)輪軌橫向力、垂向力、脫軌系數(shù)、減載率等關(guān)鍵參數(shù)，如圖2—圖5和表3所示。

2.3 線型設(shè)計(jì)

圖1 車輪過(guò)岔時(shí)動(dòng)力學(xué)模型

圖2 車輛逆向進(jìn)岔時(shí)輪軌橫向力

圖3 車輛順向出岔時(shí)輪軌橫向力

圖4 車輛逆向進(jìn)岔時(shí)導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)

圖5 車輛順向出岔時(shí)導(dǎo)向輪脫軌系數(shù)

通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果對(duì)比分析可以看出方案一優(yōu)于方案二，也優(yōu)于原始設(shè)計(jì)方案，故選方案一作為本設(shè)計(jì)的優(yōu)化線型。本方案Q值為1 930 mm，導(dǎo)曲線始端與轉(zhuǎn)轍器直股工作邊相離值為10 mm，導(dǎo)曲線末端與心軌側(cè)股工作邊相割值為12 mm，道岔曲線半徑為150 m。

按照GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定導(dǎo)曲線半徑150 m需有10 mm加寬，加寬后導(dǎo)曲線處側(cè)股軌距為1 445 mm，在導(dǎo)曲線末端前2.5 m范圍軌距逐漸由1 445 mm過(guò)渡到1 435 mm。優(yōu)化后的線型如圖6所示。

表3 車輛過(guò)岔時(shí)主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)值對(duì)比

圖6 城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號(hào)道岔優(yōu)化后線型（單位：mm）

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)轍器

城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號(hào)單開(kāi)道岔借鑒重載道岔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)在直基本軌和曲線尖軌一側(cè)采用了“刨切基本軌，加厚尖軌”技術(shù)方案。這是將基本軌工作邊部分去除，使曲線尖軌前端厚度增加?；拒壒ぷ鬟吶コ笮纬搔冉牵鄳?yīng)曲線尖軌尖端角度為α+θ，如圖7所示。本設(shè)計(jì)α角為1∶40；θ角為1∶100。

圖7 直基本軌刨切和曲線尖軌尖端沖擊角

在曲尖軌前端薄弱地段加寬5 mm，實(shí)現(xiàn)方式為直基本軌自尖軌尖端前端30 mm開(kāi)始切削，在500 mm范圍內(nèi)由0增加到5 mm。加寬后的效果如圖8所示。加厚尖軌可增加尖軌前端薄弱斷面的耐磨性，同時(shí)直曲組合曲線尖軌可使磨耗最大區(qū)段后移至尖軌斷面較為粗壯的位置，避免曲線尖軌前端薄弱斷面的過(guò)度磨耗。

圖8 刨切直基本軌加厚尖軌原理（單位：mm）

尖軌設(shè)計(jì)成直曲組合型線型，同時(shí)盡量延長(zhǎng)尖軌直線段長(zhǎng)度。尖軌直線段越長(zhǎng)，半切點(diǎn)寬度越厚，尖軌耐磨性越好，車輛過(guò)岔時(shí)運(yùn)行越平穩(wěn)。通過(guò)更改尖軌尖端距道岔始端距離（Q值）、導(dǎo)曲線始端與轉(zhuǎn)轍器相割值、導(dǎo)曲線末端與心軌相割值3個(gè)參數(shù)改變直曲組合型曲線尖軌直線段長(zhǎng)度。優(yōu)化后尖軌直線段長(zhǎng)度為2 134 mm，比原設(shè)計(jì)1 574 mm長(zhǎng)560 mm，如圖9所示。

圖9 尖軌直線段長(zhǎng)度（單位：mm）

尖軌跟端活接頭結(jié)構(gòu)在舊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用較多，病害也比較多，如鋼軌錯(cuò)牙、螺栓折斷、尖軌縱移等，給現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修帶來(lái)很大麻煩。為保持尖軌使用穩(wěn)定與可靠，消除活接頭連接方式在使用過(guò)程中出現(xiàn)的各種病害，此次尖軌跟端設(shè)計(jì)成彈性可彎結(jié)構(gòu)。在尖軌跟端2 089 mm范圍內(nèi)對(duì)軌底進(jìn)行刨切，最大刨切深度50 mm，以減小轉(zhuǎn)換過(guò)程中的扳動(dòng)阻力，結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 尖軌跟端彈性可彎結(jié)構(gòu)

3.2 固定轍叉

50 kg/m鋼軌7號(hào)單開(kāi)道岔采用固定型轍叉，本次固定型轍叉設(shè)計(jì)2種結(jié)構(gòu)形式：高錳鋼整鑄轍叉和合金鋼組合轍叉。

3.2.1 高錳鋼整鑄轍叉

我國(guó)城市軌道交通主要采用高錳鋼整鑄轍叉。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整體性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足一般使用要求。高錳鋼具有良好的沖擊韌性，經(jīng)初期磨耗后，硬度有較大提升，比較適合制造轍叉。

將轍叉翼軌在心軌共同承載區(qū)段加高，有利于匹配列車輪緣高度，提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性，最大抬高值為4.8 mm。圖11為設(shè)計(jì)的高錳鋼整鑄轍叉結(jié)構(gòu)。

圖11 高錳鋼整鑄轍叉結(jié)構(gòu)

3.2.2 合金鋼組合轍叉

近些年隨著新材料的研發(fā)出現(xiàn)了合金鋼組合轍叉，合金鋼材質(zhì)為貝氏體或奧貝氏體鋼，已廣泛使用于國(guó)鐵特別是重載鐵路。合金鋼轍叉表面硬度可達(dá)38～45 HRC，室溫沖擊韌性≥70 J/cm2（20℃），通過(guò)質(zhì)量約為200 Mt，約為高錳鋼整鑄轍叉的2倍。但其價(jià)格與高錳鋼整鑄轍叉相當(dāng)，故合金鋼轍叉具有更高的性價(jià)比。

合金鋼組合轍叉的主要平面尺寸與高錳鋼整鑄轍叉相同，現(xiàn)場(chǎng)可與高錳鋼組合轍叉互換，兩者互換時(shí)須同時(shí)更換轍叉下墊板。圖12為翼軌焊接合金鋼組合轍叉，心軌和心軌對(duì)應(yīng)的翼軌處采用合金鋼材質(zhì)，翼軌其他地方和叉跟軌采用U71Mn或U75V在線熱處理軌制造。

圖12 合金鋼組合轍叉結(jié)構(gòu)

3.3 岔枕與扣件系統(tǒng)

3.3.1 岔枕

7號(hào)道岔共有57跟岔枕，最短岔枕長(zhǎng)2.3 m，最長(zhǎng)的為4.7 m。岔枕布置均垂直于直股鋼軌，但轍叉部分的岔枕垂直于角平分線，牽引點(diǎn)處岔枕間距為650 mm，其余部分的岔枕間距多為580 mm。

混凝土岔枕在現(xiàn)場(chǎng)最為常用，圖13為混凝土岔枕斷面設(shè)計(jì)。岔枕承軌面不設(shè)軌底坡，岔枕靜載抗裂強(qiáng)度滿足抗拔力大于60 kN，正彎矩試驗(yàn)載荷240 kN，負(fù)彎矩試驗(yàn)載荷190 kN無(wú)裂紋；疲勞強(qiáng)度最大試驗(yàn)載荷255kN；岔枕兩側(cè)端部采用預(yù)埋塑料套管與鐵墊板連接。

圖13 混凝土岔枕斷面示意（單位：mm）

本次也設(shè)計(jì)了玻纖增強(qiáng)聚氨酯樹(shù)脂材料復(fù)合岔枕。該材料岔枕具有力學(xué)性能好、使用壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕、耐絕緣、耐腐蝕、少維護(hù)、可100%回收等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料岔枕截面為長(zhǎng)方形，尺寸為240mm×220mm，密度為1 000 kg/m3，其抗拔力、靜載抗裂強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度與混凝土軌枕一致。與混凝土軌枕的重要區(qū)別是混凝土枕套管是預(yù)埋的，而復(fù)合材料軌枕的套管根據(jù)軌距要求現(xiàn)場(chǎng)鉆孔安裝。安裝后的結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 復(fù)合材料岔枕安裝螺旋套筒結(jié)構(gòu)

3.3.2 扣件系統(tǒng)

采用彈性分開(kāi)式扣件系統(tǒng)，彈條采用Ⅰ型彈條。鋼軌下設(shè)5 mm厚橡膠墊板，鐵墊板下設(shè)10 mm厚橡膠墊板?？奂到y(tǒng)組裝剛度為70～80 kN/mm。鋼軌工作邊一側(cè)安裝13 mm軌距塊，鋼軌非工作邊一側(cè)安裝11 mm軌距塊。組裝結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 扣件組裝結(jié)構(gòu)

岔枕螺栓與鐵墊板之間設(shè)置絕緣偏心襯套，以增強(qiáng)道岔整體絕緣性能。旋轉(zhuǎn)絕緣偏心襯套可實(shí)現(xiàn)鐵墊板的整體移動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)鋼軌位置的調(diào)整，其原理如圖16所示。偏心襯套和軌距塊可使道岔軌距調(diào)整范圍達(dá)+6～-12 mm。

圖16 偏心襯套結(jié)構(gòu)（單位：mm）

3.4 其他結(jié)構(gòu)特征

1）道岔不設(shè)軌底坡，道岔趾端、跟端設(shè)順坡墊板；

2）尖軌采用50AT在線熱處理軌制造，鋼軌材質(zhì)優(yōu)先選用U75V；

3）尖軌設(shè)置1個(gè)牽引點(diǎn)，設(shè)計(jì)動(dòng)程為152 mm，鎖閉方式為內(nèi)鎖閉，在正常養(yǎng)護(hù)情況下尖軌理論扳動(dòng)力不大于4 kN；

4）護(hù)軌為分開(kāi)式，采用43 kg/m鋼軌制造，護(hù)軌頂面高出基本軌頂面12 mm，護(hù)軌軌頭工作邊側(cè)面進(jìn)行表面淬火；

5）直、曲尖軌跟端各設(shè)置一組間隔鐵與基本軌連接；

6）轉(zhuǎn)轍器基本軌和護(hù)軌基本軌內(nèi)側(cè)的扣壓均采用剛性扣壓，為防止鋼軌外翻，轉(zhuǎn)轍器基本軌外側(cè)部分設(shè)置軌撐，結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 軌撐及滑床板扣壓結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號(hào)單開(kāi)道岔優(yōu)化設(shè)計(jì)借鑒了我國(guó)重載鐵路、高速鐵路延長(zhǎng)道岔及其部件使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題主要在以下5個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化：

1）道岔前長(zhǎng)、后長(zhǎng)、總長(zhǎng)與現(xiàn)場(chǎng)使用量最大的圖號(hào)SC319一致，通過(guò)調(diào)整尖軌尖端到道岔始端的距離、導(dǎo)曲線理論始端距直股鋼軌工作邊相離值、導(dǎo)曲線理論終端距轍叉?zhèn)裙晒ぷ鬟呄嚯x值來(lái)優(yōu)化尖軌直線段長(zhǎng)度及半切點(diǎn)軌頭厚度，提高尖軌耐磨性，延長(zhǎng)其使用壽命。

2）采用刨切直基本軌加寬曲尖軌5 mm技術(shù)，使曲尖軌前端迅速粗壯，提高耐磨性和使用壽命。

3）尖軌根端采用彈性可彎結(jié)構(gòu)，取代以往根端活接頭式結(jié)構(gòu)，減少尖軌根端病害和現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修工作量。

4）設(shè)計(jì)復(fù)合材料岔枕，該岔枕具有力學(xué)性能好、使用壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕、耐絕緣、耐腐蝕、少維護(hù)、可100%回收等優(yōu)點(diǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)、木枕更換提供另一種選擇方案。

5）設(shè)計(jì)合金鋼轍叉，表面硬度可達(dá)38～45 HRC，室溫沖擊韌性≥70 J/cm2（20℃），通過(guò)質(zhì)量約為200 Mt，通過(guò)質(zhì)量約為高錳鋼整鑄轍叉的2倍，性價(jià)比高。

城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號(hào)單開(kāi)道岔結(jié)構(gòu)優(yōu)化能有效延長(zhǎng)道岔使用壽命，提高列車過(guò)岔平穩(wěn)性。隨著我國(guó)城市軌道建設(shè)的蓬勃發(fā)展，優(yōu)化后的50 kg/m鋼軌7號(hào)單開(kāi)道岔將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。