城市軌道交通車輛段新型9號單開道岔設(shè)計研究

劉婷林 石 熠 喬神路，3

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；3.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點實驗室，北京 100044)

1 概述

隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，高速、舒適、快捷出行成為當(dāng)代人愈發(fā)迫切的需求[1]。北京軌道交通新機(jī)場線作為服務(wù)于北京大興國際機(jī)場的軌道交通專線，是我國首條最高速度達(dá)到160 km/h的地鐵線路[2-3]。該線采用CRH6型市域列車[4]，突破了常規(guī)地鐵的設(shè)計范疇[5]。針對新機(jī)場線的工程特點，在磁各莊車輛段及路基段停車場選用了50 kg/m鋼軌9號道岔，可為中遠(yuǎn)期的運量提供充足的技術(shù)保證。城市軌道交通車輛段用道岔一般采用50 kg/m鋼軌7號道岔[5]，尚無應(yīng)用50 kg/m鋼軌9號道岔的先例，故需要對其進(jìn)行深入研究。

2 道岔平面設(shè)計

2.1 基本參數(shù)確定原則[6]

道岔設(shè)計常用的基本參數(shù)有三項：動能損失(ω)、未被平衡的離心加速度(α)以及未被平衡的離心加速度增量(ψ)。三個參數(shù)以不同方式表達(dá)了列車運行在道岔側(cè)線上所產(chǎn)生的橫向力影響。如控制不當(dāng)，其危害性主要為：

①旅客舒適度差；

②不利于道岔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和行車穩(wěn)定性；

③加速道岔零件的磨損，縮短道岔使用壽命。

因此，在確定道岔平面線型時，各項參數(shù)不能超過規(guī)定的容許值。部分國家的參數(shù)容許值選用情況如表1所示。

表1 部分國家參數(shù)容許值選用情況

在我國，道岔基本參數(shù)的容許值取值如下：動能損失(ω0)取0.65 km2/h2，未被平衡的離心加速度(α0)取0.5～0.65 m/s2，未被平衡的離心加速度增量(ψ0)取0.5 m/s3。

2.2 尖軌平面線型的確定

9號及以上道岔尖軌設(shè)計時，常用平面線型主要有4種：直線型尖軌、切線型曲線尖軌、半切線型曲線尖軌和相離半切線型曲線尖軌，如圖1所示。

圖1 各型式尖軌示意

目前，最常用的是相離半切線型曲線尖軌，其介于直線尖軌和切線型曲線尖軌之間，可兼顧切線型曲線尖軌平順性好的特點，又能使尖軌尖端厚度不至太薄[7]。

相離型曲線尖軌能夠有效減輕尖軌的側(cè)磨，在列車軸重、運行速度和行車密度一定的條件下，其尖軌耐磨性能最好。采用適當(dāng)?shù)南嚯x值，能夠有效保證彈性可彎曲線尖軌的穩(wěn)定性，減少工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修工作量，并且旅客的舒適度最高[8]。因此，本設(shè)計中采用了相離半切線型曲線尖軌。

2.3 道岔平面主要尺寸

設(shè)計道岔平面線型時，除需要考慮車輛段中遠(yuǎn)期運量增加的使用需求外，還需要考慮磁各莊車輛段的占地面積以及道岔順接時的特殊情況，即道岔總長度越短越好。綜合考慮各項指標(biāo)，道岔平面設(shè)計方案如下。

(1)道岔尺寸

道岔前長12 570 mm，后長15 730 mm，總長28 300 mm。導(dǎo)曲線半徑為200 m。

(2)轉(zhuǎn)轍器尺寸

根據(jù)道岔主要尺寸和岔枕的布置情況，轉(zhuǎn)轍器尖軌尖端至基本軌尖端的距離為2 616 mm。尖軌采用相離半切線型，從37 mm斷面作半切線，尖端采用藏尖式結(jié)構(gòu)，從尖軌尖端向后183 mm作補充刨切，尖軌沖擊角為0°56′24″，動能損失為0.329。

(3)轍叉尺寸

轍叉趾端與轍叉理論尖端之間距離為1 538 mm，轍叉跟端與轍叉理論尖端之間距離為2 771 mm。護(hù)軌長為4 000 mm，其中開口段長150 mm，緩沖段長988 mm，平直段長1 724 mm。

(4)牽引點設(shè)置

尖軌共設(shè)置兩個牽引點，采用聯(lián)動內(nèi)鎖閉方式，第一牽引點至尖軌尖端距離為430 mm，兩牽引點之間的距離為3 650 mm，第二牽引點設(shè)在尖軌密貼段外。

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)

根據(jù)跟端結(jié)構(gòu)形式不同，轉(zhuǎn)轍器可分為活接頭結(jié)構(gòu)(見圖2)和彈性可彎結(jié)構(gòu)(見圖3)。

圖2 跟端活接頭結(jié)構(gòu)

活接頭結(jié)構(gòu)跟端采用魚尾板進(jìn)行鉸接(魚尾板可對尖軌跟端的縱、橫向位移進(jìn)行約束)，尖軌可實現(xiàn)自由扳動。扳動時，尖軌圍繞活接頭進(jìn)行活動。尖軌一般采用直線型，其彈性變形小，所需轉(zhuǎn)換力小，且當(dāng)直、曲尖軌和拉連桿形成的框架扳動到工作狀態(tài)時，尖軌跟端反彈力較小，有利于尖軌和基本軌之間的自然密貼。由于尖軌跟端存在接頭，導(dǎo)致接頭處穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生病害，屬于道岔轉(zhuǎn)轍器部分的薄弱環(huán)節(jié)[9-11]，且無法形成道岔無縫化設(shè)計。

圖3 跟端彈性可彎結(jié)構(gòu)

鑒于活接頭結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修工作量較大，故對其進(jìn)行了優(yōu)化，消除了活接頭，采用了彈性可彎結(jié)構(gòu)。彈性可彎跟端采用彈性扣壓扣件，尖軌跟端縱橫向和扭轉(zhuǎn)位移均被約束，其扳動主要通過彈性可彎中心的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。在彈性可彎中心處，對軌底單側(cè)或雙側(cè)進(jìn)行刨切，以減小截面的橫向慣性矩，從而有效降低尖軌扳動力[12-14]?？紤]磁各莊車輛段道岔數(shù)量多，為減少工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修工作量，轉(zhuǎn)轍器采用了彈性可彎結(jié)構(gòu)。

(2)尖軌跟端傳力結(jié)構(gòu)

鑒于新機(jī)場線磁各莊車輛段溫度變化較小，所產(chǎn)生的溫度附加應(yīng)力也較小，故決定采用間隔鐵結(jié)構(gòu)。

(3)基本軌扣壓

現(xiàn)階段，地鐵車輛段多采用50 kg/m鋼軌道岔轉(zhuǎn)轍器基本軌，其內(nèi)側(cè)采用剛性扣壓(見圖4)。此結(jié)構(gòu)扣壓力小，穩(wěn)定性較差。為改善這一狀況，新機(jī)場線磁各莊車輛段的道岔采用了彈片和銷釘?shù)姆绞竭M(jìn)行扣壓(見圖5)。彈片扣壓的方式技術(shù)成熟，所需的滑床臺高度較小且扣壓力較大，可更加有效地防止基本軌外翻，確保轉(zhuǎn)轍器基本軌的穩(wěn)定性。

圖4 基本軌剛性扣壓示意

圖5 基本軌彈性扣壓示意

(4)護(hù)軌形式

現(xiàn)階段，地鐵車輛段多采用H型護(hù)軌(43 kg/m鋼軌制造)，護(hù)軌和撐板通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行聯(lián)結(jié)(見圖6)。為減少自重，新機(jī)場線磁各莊車輛段的道岔采用了33 kg/m槽型護(hù)軌(見圖7)。同時，為增強(qiáng)護(hù)軌的耐磨性能，將護(hù)軌更換為合金鋼材質(zhì)，提高了護(hù)軌的整體使用壽命。

圖6 H型護(hù)軌斷面示意

圖7 槽型護(hù)軌斷面示意

(5)轍叉選擇

城市軌道交通車輛段尚無應(yīng)用50 kg/m鋼軌9號道岔的先例，但在天津地鐵1號線、北京地鐵2號線等地鐵正線上，有服役中的50 kg/m鋼軌9號道岔可供參考。受當(dāng)時技術(shù)條件的限制，既有高錳鋼整鑄式轍叉跟端采用間隔鐵式結(jié)構(gòu)與普通鋼軌聯(lián)結(jié)(見圖8)。該結(jié)構(gòu)形式轍叉跟端至理論尖端長度短，且采用間隔鐵進(jìn)行連接，導(dǎo)致轍叉強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差，工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修工作量較大。

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轍叉跟端采用夾板形式(見圖9)能夠有效提高轍叉的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，且拆裝方便，能夠有效降低工務(wù)部門的養(yǎng)護(hù)維修量。

圖8 轍叉跟端間隔鐵結(jié)構(gòu)

圖9 轍叉跟端夾板結(jié)構(gòu)

(6)工電接口

①設(shè)置兩個轉(zhuǎn)轍器牽引點，牽引點動程分別為160 mm、80 mm，理論轉(zhuǎn)換力分別為2 000 N、4 350 N。

②牽引點采用聯(lián)動內(nèi)鎖閉方式，提高了道岔鎖閉的安全性、道岔及轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性，實現(xiàn)了道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備少維護(hù)、長壽命的要求。

③轉(zhuǎn)轍機(jī)采用角鋼安裝固定。

4 下一步研究工作

(1)一點牽引技術(shù)

車輛段道岔用量較大，如采用一點牽引技術(shù)，可將電務(wù)的養(yǎng)護(hù)維修工作量降低50%，對于減少養(yǎng)護(hù)維修工作量具有重要意義。但對尖軌扳動力、尖軌密貼和不足位移的要求較高，需要進(jìn)一步的研究試驗。

(2)合金鋼組合轍叉

目前，國內(nèi)城市軌道交通多采用高錳鋼整鑄轍叉，其初期硬度較低，需經(jīng)過列車的不斷碾壓來提高硬度[19]。城市軌道交通軸重輕，這使得其硬度指標(biāo)的達(dá)成周期較長，易造成運營初期高錳鋼轍叉磨耗較快。而合金鋼轍叉具有較高的耐磨性，其使用壽命約為高錳鋼的2倍以上[20]。因此，有必要對合金鋼組合轍叉進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

(3)低動力小號碼可動心軌轍叉

隨著城市軌道交通的發(fā)展，車輛段上蓋物業(yè)的開發(fā)越來越普及，對地鐵振動控制的要求越來越高。目前廣泛使用的固定型轍叉存在有害空間，列車通過時會產(chǎn)生振動。因此，小號碼可動心軌道岔是日后城軌道岔設(shè)計的重要研究方向。

5 結(jié)束語

北京新機(jī)場線磁各莊車輛段采用50 kg/m鋼軌9號道岔，突破了既有地鐵車輛段道岔設(shè)計限制，減少了工務(wù)的養(yǎng)護(hù)維修工作量，不但能滿足當(dāng)前運營的需求，也為線路的中長期運量增加提供了技術(shù)支持和技術(shù)保證，為市域快線的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。