一種拼裝式結(jié)構(gòu)有軌電車道岔的研制

李 悅

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司軌道線路研究院，陜西 寶雞 721006)

1 概述

近年來，有軌電車在國內(nèi)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展，大量城市在建或規(guī)劃建設(shè)有軌電車線路。隨著有軌電車市場規(guī)模逐步擴(kuò)大，人工、征地、材料等成本上漲，有軌電車線路建設(shè)成本從最初的9千萬元/km上漲至1.3億元/km或更高，如何降低成本越來越被業(yè)主重視。道岔作為軌道線路中的關(guān)鍵設(shè)備，在保證性能的同時，降低制造成本，成為一個產(chǎn)品是否具有競爭力的重要指標(biāo)。

目前，國內(nèi)外有軌電車道岔主要分為兩大類，合金鋼整體式結(jié)構(gòu)和鋼軌拼裝式結(jié)構(gòu)。合金鋼整體式道岔，結(jié)構(gòu)、工藝上存在大量較復(fù)雜關(guān)鍵技術(shù)，降低成本困難；鋼軌拼裝式結(jié)構(gòu)道岔，結(jié)構(gòu)、工藝上接近常規(guī)道岔，材料、制造成本低，但關(guān)鍵部件材質(zhì)原因，壽命較合金鋼結(jié)構(gòu)短。因此有必要在保持有軌電車鋼軌拼裝式結(jié)構(gòu)道岔成本優(yōu)勢的同時，應(yīng)用一些新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新材料，使其壽命得到提升。

2 國內(nèi)外有軌電車拼裝式道岔現(xiàn)狀

2.1 鋼軌拼裝式道岔種類

目前，國內(nèi)外采用鋼軌拼裝式轉(zhuǎn)轍器+高錳鋼整鑄式轍叉的技術(shù)方案主要有以下幾類道岔：

類型1:轉(zhuǎn)轍器基本軌采用槽型鋼軌，尖軌采用50AT鋼軌或60D40鋼軌，尖軌跟端與后接導(dǎo)軌斜接?；拒売苫才_板、彈條固定在大墊板上，尖軌在滑床臺上滑動，尖軌跟端通過壓板固定在大墊板上。尖軌外側(cè)設(shè)置護(hù)軌撐板，護(hù)軌撐板為鋼板拼裝焊接而成(見圖1)。

類型2:轉(zhuǎn)轍器基本軌采用槽型鋼軌，尖軌采用合金鋼制造，尖軌跟端與后接導(dǎo)軌斜接?；拒壓附釉诖髩|板上，滑床板為整體式，焊接在大墊板上，尖軌在滑床板上滑動，尖軌跟端通過壓板固定在大墊板上，結(jié)構(gòu)與合金鋼式轉(zhuǎn)轍器框架相似。尖軌外側(cè)設(shè)置護(hù)軌撐板，護(hù)軌撐板為整體機(jī)加工而成(見圖2)。

類型3：轉(zhuǎn)轍器基本軌采用槽型鋼軌，尖軌采用合金鋼制造，尖軌跟端焊接一端槽型軌?；拒壓附釉诖髩|板上，滑床板為整體式，焊接在大墊板上，尖軌在滑床板上滑動。尖軌外側(cè)設(shè)置護(hù)軌撐板，護(hù)軌撐板為整體結(jié)構(gòu)(見圖3)。

類型4：轉(zhuǎn)轍器基本軌采用槽型鋼軌，尖軌采用合金鋼制造，尖軌跟端焊接一段槽型軌?；拒壓附釉诖髩|板上，滑床板為整體式，焊接在大墊板上，尖軌在滑床板上滑動。尖軌外側(cè)設(shè)置護(hù)軌撐板，護(hù)軌撐板為分體結(jié)構(gòu)，頂部護(hù)軌可拆卸(見圖4)。

2.2 各種技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)國內(nèi)外拼裝式轉(zhuǎn)轍器框架結(jié)構(gòu)比較，可以看出轉(zhuǎn)轍器框架的主要區(qū)別就在于尖軌形式、軌件與墊板的固定方式、撐板結(jié)構(gòu)形式、滑床板形式以及尖軌跟端固定結(jié)構(gòu)五個方面。現(xiàn)有產(chǎn)品均在此五個方面由各廠家進(jìn)行優(yōu)化，所生產(chǎn)的產(chǎn)品形成各家獨(dú)有的特點(diǎn)。

1)尖軌形式。

有軌電車道岔多采用標(biāo)準(zhǔn)矮型尖軌或合金鋼機(jī)加工尖軌：使用50AT或60D40尖軌時，其斷面較寬，軌高較高，自身剛度大，導(dǎo)致扳動力普遍偏大，鋼軌材質(zhì)多為U75V或U71Mn，硬度上限低于300 HB。使用合金鋼機(jī)加工尖軌時，其斷面較窄，軌高較低，自身剛度小，扳動力小，材質(zhì)為NM400，硬度400 HB。

由于有軌電車道岔轉(zhuǎn)轍器為彈性可彎結(jié)構(gòu)，自身斷面高度低、重量輕、硬度高、扳動力小的合金鋼機(jī)加工尖軌更受用戶青睞。

2)軌件與墊板的固定方式。

國外主流結(jié)構(gòu)多采用手工焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，優(yōu)點(diǎn)是牢固，整體性好，但焊接工藝及焊接材料屬于國外行業(yè)壟斷。國內(nèi)均采用臺板剛性扣壓+彈條彈性扣壓的方案，這是由于國內(nèi)對鋼軌焊接普遍不認(rèn)同，鋼軌材質(zhì)焊接性能差，采用手工焊接后鋼軌母材會出現(xiàn)裂紋。

考慮中國國情，為避免鋼軌斷裂，采用臺板剛性扣壓+彈條彈性扣壓方案，技術(shù)更加成熟，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)更加豐富。

3)護(hù)軌撐板結(jié)構(gòu)形式。

護(hù)軌撐板結(jié)構(gòu)分為整體式撐板與分體式撐板，分體式撐板又分為分體焊接式與分體組裝式兩種。其中整體式撐板如類型2,類型3所示，其整體性好，但機(jī)加工量大，要求精度高；分體焊接式如類型1所示，由大量薄板拼裝焊接而成，焊接變形較大，零部件繁多造成拼裝困難；分體組裝式如類型4所示，其結(jié)構(gòu)下部與類型2,類型3類似，但其頂部護(hù)軌為螺栓安裝，該結(jié)構(gòu)焊接量較少，正加護(hù)軌調(diào)整措施，適應(yīng)性較整體式撐板更好，后期養(yǎng)護(hù)過程中，拆卸護(hù)軌，可使框架空腔頂部完全打開，方便清理異物和吊裝軌件。

在以往用戶使用反饋中，關(guān)于轉(zhuǎn)轍器框架內(nèi)腔異物清理被重點(diǎn)提到，既往固定式護(hù)軌撐板，使轉(zhuǎn)轍器框架頂部開口空間十分狹小，最窄處僅36 mm～42 mm，無法正常取出掉入的垃圾異物，使用專用夾具仍操作困難。為了后期養(yǎng)護(hù)維修考慮，采用分體式組裝結(jié)構(gòu)更合理。

4)滑床板形式。

滑床板形式有兩種，一種為整體式滑床板，整個尖軌均在一整張鋼板制作的滑床板上滑動，尖軌底部與滑床板表面完全接觸，接觸面大，尖軌受豎向載荷時載荷全部傳遞至滑床板，尖軌整體變形??；另一種為分段式滑床臺，與常見國鐵道岔相同，該結(jié)構(gòu)尖軌受豎向載荷時，由于滑床臺間隔較寬，尖軌在兩滑床臺間會發(fā)生撓曲變形，對尖軌斷面強(qiáng)度有一定要求。

為了降低有軌電車道岔成本，優(yōu)化的重點(diǎn)就是尖軌的矮小化，尖軌矮小化勢必帶來尖軌斷面強(qiáng)度的下降，既要保證尖軌矮小化，又要保證尖軌在過車時整體有更好的支撐，整體式滑床板成為最佳選擇。如采用分段式滑床板，矮小化的尖軌必須保持更高強(qiáng)度，無法將尖軌軌高和斷面寬度進(jìn)一步縮小。

5)尖軌跟端固定結(jié)構(gòu)。

尖軌跟端固定結(jié)構(gòu)分為焊接式與蓋板固定兩種：焊接式將尖軌與轉(zhuǎn)轍器框架直接焊接，更加穩(wěn)固，但要求焊接技術(shù)高，生產(chǎn)效率低；蓋板固定式通過定位銷、蓋板等部件，將尖軌跟端固定，尖軌跟端與后接導(dǎo)軌斜接，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本更低，生產(chǎn)效率也更高。

綜上，從制造工藝性和使用性能上看，采用合金鋼矮尖軌，軌件扣壓使用臺板與彈條扣壓方式，護(hù)軌撐板采用分體組裝式結(jié)構(gòu)，滑床板使用整體式滑床板，尖軌跟端使用蓋板固定，成為較理想的技術(shù)方案。

3 設(shè)計方案

以選定的技術(shù)方案為原則，根據(jù)既有6號槽型軌道岔的平面尺寸和道岔設(shè)計輸入條件為參照，進(jìn)行新結(jié)構(gòu)道岔設(shè)計[1-3]。

3.1 平面線型

道岔全長L=15 650 mm，前長a=4 788 mm，后長b=10 862 mm，導(dǎo)曲線半徑R50 m，轍叉角9°27′44″，直、側(cè)股軌距均為1 435 mm，道岔直向通過容許速度70 kN/h，側(cè)向容許通過速度20 km/h(見圖5)。

道岔主要安全控制參數(shù)設(shè)計規(guī)定：

1)能損失容許值：ω0≤0.65 km2/h2。

2)未被平衡的離心加速度容許值：α0≤0.65 m/s2。

3)未被平衡的離心加速度增量容許值：φ0≤0.5 m/s3。

實(shí)際檢算道岔主要安全控制參數(shù)結(jié)果為：

經(jīng)檢算驗(yàn)證，道岔平面線型各安全控制參數(shù)均滿足要求。

3.2 主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)軌件。

基本軌采用59R2或60R2槽型鋼軌制造，基本軌藏尖段進(jìn)行1∶4斜度刨切，可增加尖軌小斷面粗壯度，并且將基本軌與尖軌接觸范圍護(hù)耳加工去除，保證尖軌與基本軌密貼不受干涉。尖軌長度范圍內(nèi)，基本軌內(nèi)側(cè)軌趾進(jìn)行銑削。為了提高尖軌粗壯度，在尖軌密貼段范圍，基本軌補(bǔ)充刨切，尖軌相應(yīng)進(jìn)行加厚。基本軌加工示意圖見圖6。

尖軌采用合金鋼矮尖軌設(shè)計，為了增加尖軌強(qiáng)度，尖軌軌腰加厚處理，同時為了降低尖軌自身剛性過大引起扳動力超限，對尖軌可彎段范圍軌腰進(jìn)行補(bǔ)充加工。尖軌跟端與后接導(dǎo)軌采用45°斜接頭設(shè)計，有利于減少車輪通過接頭產(chǎn)生沖擊。尖軌斷面示意圖見圖7。

2)轉(zhuǎn)轍器框架結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)轍器框架采用半箱式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)轍器框架大底板上分別焊接彈條鐵座、滑床板支撐臺板、滑床板、護(hù)軌撐板、跟端固定大臺板等部件，其俯視圖如圖8所示，組裝斷面如圖9所示。

滑床板采用整體式滑床板，滑床板焊接在支撐臺板上，形成一個完整的滑動面。

護(hù)軌撐板采用分體組裝結(jié)構(gòu)，撐板部分為雙層直立鋼板，護(hù)軌部分為水平放置鋼板，護(hù)軌通過栓接方式與撐板連接，可通過調(diào)整片調(diào)整護(hù)軌與尖軌開口尺寸。

3)扣件及尖軌固定。

伸出轉(zhuǎn)轍器框架外的基本軌及導(dǎo)曲線部分鋼軌，均采用標(biāo)準(zhǔn)鐵墊板固定，鐵墊板采用分開式Ⅲ型彈條扣件系統(tǒng)，鋼軌兩側(cè)使用彈條扣壓，設(shè)置有軌距塊進(jìn)行軌距調(diào)節(jié)，軌下、板下設(shè)計雙層彈性墊層用來提供道岔所需剛度。

組裝在轉(zhuǎn)轍器框架內(nèi)的基本軌，跟端采用兩側(cè)彈條扣壓，中、前端采用內(nèi)側(cè)臺板剛性扣壓，外側(cè)彈條彈性扣壓。

尖軌尖端設(shè)置防跳鐵，限制尖軌尖端跳動；尖軌跟端采用銷軸加塞塊的結(jié)構(gòu)控制尖軌跟端位移，通過定位銷軸控制尖軌縱向滑動，通過蓋板控制尖軌跟端豎向跳動，通過大臺板自身加工安裝槽限制尖軌橫向移動。整個固定跟端處大臺板焊接在墊板上，其固定結(jié)構(gòu)斷面如圖10所示。

4)電務(wù)接口。

電轉(zhuǎn)機(jī)安裝在地箱中，地箱適用于填埋式軌道設(shè)計。轉(zhuǎn)轍機(jī)及地箱設(shè)置在兩根軌道之間，地箱與直、曲股轉(zhuǎn)轍器框架采用栓接或焊接方式固定。轉(zhuǎn)轍器框架靠近地箱內(nèi)側(cè)壁上，預(yù)留有轉(zhuǎn)轍機(jī)動作桿、表示桿安裝孔，直、曲尖軌預(yù)留接頭鐵安裝用T型沉槽孔。轉(zhuǎn)轍器設(shè)置一個牽引點(diǎn)，尖軌動程46 mm，尖軌尖端開口55 mm，尖軌轉(zhuǎn)換最大扳動力不大于3 000 N。

轉(zhuǎn)轍器預(yù)留融雪裝置安裝接口，后期可根據(jù)需要安裝融雪加熱條及布線(見圖11)。

5)排水。

電轉(zhuǎn)機(jī)地箱預(yù)留安裝機(jī)坑，機(jī)坑內(nèi)底部預(yù)設(shè)排水管道，同時轉(zhuǎn)轍器框架中部設(shè)置排水槽，適應(yīng)大雨量環(huán)境使用。所有排水管道均向外引出至市政雨水排放管網(wǎng)。

6)道岔根據(jù)線路設(shè)計需要，可采用有砟長枕，無砟長枕或無砟短枕。道岔區(qū)剛度根據(jù)使用線路設(shè)計需求調(diào)整軌下、板下彈性墊層厚度、材質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。用于短枕時，道岔內(nèi)部間隔設(shè)置框架連桿，保證道岔在未澆筑前的狀態(tài)。

7)轍叉采用高錳鋼焊接轍叉，轍叉兩端焊接標(biāo)準(zhǔn)槽型鋼軌，高錳鋼轍叉工作踏面部分進(jìn)行爆炸預(yù)硬化，初始硬度可達(dá)350 HB。

8)護(hù)軌采用NM400鋼板制造，將導(dǎo)軌需要安裝護(hù)軌部分護(hù)耳加工去除，采用栓接方式將護(hù)軌與導(dǎo)軌連接。后期掩護(hù)時，通過焊接護(hù)軌進(jìn)行磨耗后修復(fù)。

9)當(dāng)?shù)啦硎褂糜谔盥衤访鏁r，道岔外部整體設(shè)置包裹減震材料，扣件彈條及岔枕螺栓均安裝扣件罩進(jìn)行保護(hù)，包裹材料頂面與路面之間采用改性瀝青材料進(jìn)行填充。

4 理論檢算

本道岔結(jié)構(gòu)中，尖軌作為關(guān)鍵部件，其斷面強(qiáng)度及自身剛度對行車安全至關(guān)重要，因此特別對尖軌強(qiáng)度和扳動力進(jìn)行檢算。

檢算的各參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 檢算參數(shù)數(shù)據(jù)表

4.1 尖軌豎向受力分析

檢算方法：通過對尖軌各主要斷面位置豎向施加荷載，模擬車輪碾壓尖軌時產(chǎn)生變形情況。

檢算目的：在尖軌小段面是否能承載車輪碾壓而不損壞。

檢算取得數(shù)據(jù)為直、曲尖軌各主要小斷面最大等效應(yīng)力及最大等效位移，結(jié)果見圖12，圖13，表2。

表2 檢算結(jié)果表

通過檢算直、曲尖軌各主要小斷面等效應(yīng)力均小于NM400材料的屈服強(qiáng)度，且安全系數(shù)均大于2，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

4.2 尖軌扳動受力分析

檢算方法：直、曲尖軌在牽引點(diǎn)處通過連桿聯(lián)結(jié)成整體，同時將兩根尖軌固定跟端作為錨固端。在牽引點(diǎn)中心線處，模擬尖軌扳動動程尺寸，檢算尖軌扳動力大小。

檢算目的：尖軌扳動力是否滿足不大于3 000 N的要求。

檢算取得數(shù)據(jù)為尖軌扳開規(guī)定動程時，尖軌扳動力大小，尖軌尖端最大等效位移。檢算結(jié)果見圖14，圖15。

通過檢算，尖軌組件牽引點(diǎn)動程為48 mm時，尖軌前端開口值為58 mm，扳動力為2 266.5 N，小于3 000 N，滿足設(shè)計要求。

尖軌經(jīng)檢算，強(qiáng)度及扳動力均合格，尖軌設(shè)計無誤，該設(shè)計可用于產(chǎn)品生產(chǎn)試制。

5 結(jié)語

研制的新型拼裝式結(jié)構(gòu)有軌電車道岔通過吸收國內(nèi)外廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，同時進(jìn)行了一系列優(yōu)化創(chuàng)新。采用NM400合金鋼材料提升尖軌硬度，優(yōu)化斷面尺寸及降低尖軌重量又保持尖軌足夠強(qiáng)度，尖軌扳動力滿足設(shè)計要求，尖軌壽命較普通鋼軌材質(zhì)大幅提高。新跟端固定結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠，拆卸便捷，轉(zhuǎn)轍器框架結(jié)構(gòu)工藝性改善，生產(chǎn)效率得到提高，一次焊接良品率也得到保證。成熟的道岔線型與目前主流道岔尺寸相仿，方便線路整體更換，模塊化部件通用性高。易磨耗的轍叉工作面通過爆炸預(yù)硬化技術(shù)提升初始硬度，避免高錳鋼材料在小軸重車輪沖擊時硬化層形成慢的缺點(diǎn)，延長轍叉使用壽命。填埋式轉(zhuǎn)轍機(jī)滿足混行平交道口和綠化路面填埋要求。道岔具有良好的維護(hù)性，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在保證車輛安全行駛的前提下，提升了壽命，降低了成本。