跨座式單軌道岔處接觸軌設(shè)計(jì)方案研究

陳善樂(lè) 秦建偉 李 乾

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

接觸軌是跨座式單軌供電系統(tǒng)的重要組成部分[1]，一般懸掛在軌道梁和道岔梁兩側(cè)(一側(cè)為正極一側(cè)為負(fù)極)。其中重慶單軌采用關(guān)節(jié)形道岔[2]，接觸軌采用“匯流排+接觸線”形式，在道岔區(qū)域連續(xù)布置；在北京、天津、武漢等城市，多采用鋼鋁復(fù)合軌，通過(guò)斷口兩端設(shè)置接觸軌端部彎頭[3]，由于集電靴通過(guò)自然斷口需要經(jīng)過(guò)離線、接觸過(guò)程，會(huì)對(duì)集電靴產(chǎn)生一定的沖擊力，易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象[4]。

為使集電靴在道岔區(qū)域過(guò)渡更穩(wěn)定，減小電弧，提高接觸軌、集電靴的使用壽命，結(jié)合項(xiàng)目應(yīng)用情況，對(duì)道岔區(qū)域接觸軌布置方案及關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析研究。

1 接觸軌類(lèi)型

目前，國(guó)內(nèi)跨座式單軌交通主要有兩種接觸授流結(jié)構(gòu)：“匯流排+接觸線”與鋼鋁復(fù)合軌[5]。

重慶單軌采用“匯流排+接觸線”形式，技術(shù)成熟可靠；國(guó)內(nèi)其他在建城市(如蕪湖、桂林、柳州等)均采用鋼鋁復(fù)合軌，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝方便，可維修性好，隨著產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展，采用整體絕緣結(jié)構(gòu)和防護(hù)技術(shù)進(jìn)行安裝，可大幅提高系統(tǒng)的整體性能[6]。

跨座式單軌鋼鋁復(fù)合軌安裝在軌道梁絕緣支撐裝置上[7]，軌與軌之間用中間接頭連接，錨段與錨段之間安裝膨脹接頭，以補(bǔ)償鋼鋁復(fù)合軌由于溫度變化引起的縱向伸縮，并且在每個(gè)錨段的中間安裝中心錨結(jié)，防止接觸軌相對(duì)位移。在道岔處安裝膨脹接頭、分段絕緣器、道岔過(guò)渡裝置等，使道岔區(qū)域接觸軌貫通，集電靴平滑過(guò)渡。

2 道岔類(lèi)型

目前，跨座式單軌道岔主要分為按道岔結(jié)構(gòu)的不同一般分為關(guān)節(jié)型道岔、關(guān)節(jié)可撓型道岔、平移式道岔、樞軸式道岔、替換型道岔等[8]。

道岔是跨座式單軌交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)裝備之一[9-11]，道岔的作用是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛在行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)線、折返運(yùn)行及車(chē)輛在車(chē)輛段或停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的調(diào)車(chē)作業(yè)，見(jiàn)圖1。

3 接觸軌設(shè)計(jì)方案

跨座式單軌接觸軌承載著車(chē)輛行駛過(guò)程中穩(wěn)定授流的重要使命，道岔區(qū)域接觸軌的布置影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行及使用壽命。以下介紹的接觸軌貫通布置方案，在道岔轉(zhuǎn)動(dòng)端采用道岔過(guò)渡裝置使集電靴可以平滑過(guò)渡并起到電氣連接作用；在道岔擺動(dòng)端采用分段絕緣器使集電靴平滑過(guò)渡并起到電氣絕緣作用；中心錨節(jié)設(shè)置在道岔轉(zhuǎn)動(dòng)軸或擺動(dòng)的端部，以減小接觸軌的相對(duì)位移，通過(guò)接觸軌、道岔熱漲系數(shù)計(jì)算道岔過(guò)渡裝置、分段絕緣器[12]伸縮量，從而確定接觸軌端部之間和距道岔梁間隙，以保證后期運(yùn)行過(guò)程中不與道岔擺動(dòng)干涉。

3.1 整體布置方案

跨座式單軌道岔區(qū)接觸軌平面布置是鋼鋁復(fù)合軌安裝調(diào)整的關(guān)鍵部位，關(guān)鍵零部件圖例見(jiàn)圖2。

(1)樞軸道岔平面布置

樞軸道岔主要應(yīng)用于場(chǎng)段內(nèi)[13]，通過(guò)速度較低，分為單開(kāi)、對(duì)開(kāi)、三開(kāi)、四開(kāi)4種類(lèi)型，四開(kāi)樞軸道岔平面布置見(jiàn)圖3。

圖3 四開(kāi)樞軸道岔平面布置

樞軸道岔左端為轉(zhuǎn)動(dòng)軸端此處設(shè)置道岔過(guò)渡裝置和中心錨節(jié)，道岔過(guò)渡裝置安裝時(shí)應(yīng)在道岔梁擺動(dòng)到中心位置時(shí)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心對(duì)其，平均設(shè)置兩端轉(zhuǎn)動(dòng)量；樞軸道岔右段為擺動(dòng)端設(shè)置分段絕緣器和中心錨節(jié)，其中分段絕緣器需要配備3個(gè)單體，調(diào)整時(shí)，接觸軌所在有工作位置均應(yīng)平整；中間部位設(shè)置膨脹接頭用于補(bǔ)償接觸軌和道岔梁之間的膨脹量差。

(2)替換型道岔平面布置

替換型道岔主要應(yīng)用于場(chǎng)段內(nèi)渡線和正線區(qū)間渡線及折返線，分為單開(kāi)、對(duì)開(kāi)、單渡線3種類(lèi)型，替換型單開(kāi)道岔平面布置見(jiàn)圖4。

圖4 替換型單開(kāi)道岔平面布置

替換型道岔有2根道岔梁，其中1根為直線梁為正線工作位，1根為曲線梁為渡線工作位，當(dāng)需要渡線工作時(shí)，道岔梁延左端軸心轉(zhuǎn)動(dòng)曲線擺動(dòng)至正線位置。

替換型道岔直梁左端為轉(zhuǎn)動(dòng)軸端(此處設(shè)置道岔分段絕緣器和中心錨節(jié))，道岔分段絕緣器僅需要保證正線通過(guò)；渡線工作時(shí)，正線為非工作支(見(jiàn)圖4)。圖4中，直梁右端為擺動(dòng)端，設(shè)置分段絕緣器和中心錨節(jié)，其中固定段上分段絕緣器需與直梁、曲梁配套。直梁中間部位設(shè)置膨脹接頭用于補(bǔ)償接觸軌和道岔梁之間的膨脹量差。

替換型道岔曲梁左端為轉(zhuǎn)動(dòng)軸端(此處設(shè)置道岔分段絕緣器和中心錨節(jié))，道岔分段絕緣器僅需要保證渡線通過(guò)，正線工作時(shí)渡線為非工作支。替換型道岔曲梁右端為擺動(dòng)端，設(shè)置分段絕緣器和中心錨節(jié)，其中固定段上分段絕緣器需與直梁、曲梁配套。曲梁中間部位設(shè)置膨脹接頭用于補(bǔ)償接觸軌和道岔梁之間的膨脹量差。

由于替換型道岔兩端設(shè)置分段絕緣器，故道岔梁上接觸軌必須設(shè)置電連接，并保證其載流量滿(mǎn)足行車(chē)要求。

(3)平移式道岔平面布置

平移式道岔主要應(yīng)用于正線區(qū)間渡線及折返線，通過(guò)速度較高，可分為單平移、雙平移2種類(lèi)型，單平移式道岔平面布置見(jiàn)圖5。

圖5 單平移式道岔平面布置

(4)關(guān)節(jié)型道岔平面布置

關(guān)節(jié)型道岔主要應(yīng)用于場(chǎng)段內(nèi)，通過(guò)速度較低，分為單開(kāi)、對(duì)開(kāi)、三開(kāi)、四開(kāi)、五開(kāi)5種類(lèi)型，關(guān)節(jié)型單開(kāi)道岔平面布置見(jiàn)圖6。

圖6 關(guān)節(jié)型單開(kāi)道岔平面布置

(5)關(guān)節(jié)可撓型道岔平面布置

關(guān)節(jié)型道岔主要應(yīng)用于場(chǎng)段內(nèi)或正線，通過(guò)速度較高，分為單開(kāi)、對(duì)開(kāi)、三開(kāi)、四開(kāi)、五開(kāi)5種類(lèi)型，關(guān)節(jié)可撓型單開(kāi)道岔平面布置見(jiàn)圖7。

圖7 關(guān)節(jié)可撓型單開(kāi)道岔平面布置

關(guān)節(jié)可撓型道岔左端為轉(zhuǎn)動(dòng)軸端，此處設(shè)置道岔過(guò)渡裝置和中心錨節(jié)，道岔過(guò)渡裝置安裝時(shí)，應(yīng)在道岔梁擺動(dòng)到中心位置時(shí)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心對(duì)齊，并平均設(shè)置兩端轉(zhuǎn)動(dòng)量；關(guān)節(jié)可撓型道岔右段為擺動(dòng)端，可設(shè)置分段絕緣器和中心錨節(jié)，調(diào)整時(shí)，接觸軌所在工作位置均應(yīng)平整；關(guān)節(jié)可繞型道岔由幾段道岔梁拼接而成，中間因存在轉(zhuǎn)折角，故應(yīng)在轉(zhuǎn)折角處設(shè)置道岔過(guò)渡裝置，由于道岔整體布置無(wú)補(bǔ)償裝置，故需要考慮補(bǔ)償接觸軌和道岔梁之間的膨脹量差。因關(guān)節(jié)可繞道岔通過(guò)速度較高且有一定圓弧度，道岔過(guò)渡裝置需根據(jù)道岔線型設(shè)置圓弧角。

3.2 道岔區(qū)接觸軌補(bǔ)償

由于接觸軌全線貫通布置，為保證集電靴平滑過(guò)渡，在道岔轉(zhuǎn)軸、擺動(dòng)、平移的變化部位，均設(shè)置了中心錨節(jié)來(lái)保證其與道岔的相對(duì)位置。2個(gè)中心錨節(jié)之間設(shè)置補(bǔ)償裝置，錨段較長(zhǎng)時(shí)采用膨脹接頭進(jìn)行補(bǔ)償，錨段較短時(shí)利用道岔過(guò)渡裝置或分段絕緣器間隙補(bǔ)償。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，樞軸、替換、平移道岔采用膨脹接頭補(bǔ)償，關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)可撓型利用元器件補(bǔ)償。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，因膨脹系數(shù)按照環(huán)境溫度考慮，計(jì)算出的數(shù)據(jù)較小，不滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)分段絕緣器與道岔干涉。因此，在計(jì)算過(guò)程中，均應(yīng)按運(yùn)行過(guò)程中道岔、接觸軌的溫度進(jìn)行計(jì)算，并預(yù)留安全量。

3.3 活動(dòng)段分段絕緣器

接觸軌安裝在道岔梁兩側(cè)，接觸軌會(huì)隨著道岔的環(huán)境溫度變化跟隨其伸縮，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮接觸軌的補(bǔ)償，分段絕緣器安裝在道岔的擺動(dòng)端，由于分段絕緣器兩端均設(shè)置中心錨節(jié)來(lái)減小分段絕緣器的位移及擺動(dòng)，擺動(dòng)過(guò)程中，為保證集電靴平滑過(guò)渡，分段絕緣器需要設(shè)置合理的搭接長(zhǎng)度及間隙。

3.4 固定端方案

固定段是指道岔轉(zhuǎn)軸端(平移道岔除外)，此處主要采用道岔分段絕緣器和道岔過(guò)渡裝置。由于道岔沿固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅需要考慮接觸軌、道岔的熱漲系數(shù)，還要考慮道岔旋轉(zhuǎn)角度及方向。

3.5 接觸軌縱向位移

由于道岔梁自身擺動(dòng)過(guò)程中存在誤差，關(guān)鍵零部件需保證集電靴平滑過(guò)渡，在此處需設(shè)置圓弧倒角或一定坡度。

鋼鋁復(fù)合軌自重較大，剛度較高，本次計(jì)算不考慮其風(fēng)載擺動(dòng)，僅考慮集電靴通過(guò)時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的壓力變化[14]，受力示意見(jiàn)圖8。

圖8 集電靴通過(guò)時(shí)受力示意

3.6 其他相關(guān)說(shuō)明

以上計(jì)算數(shù)據(jù)均為極限數(shù)值，平面布置設(shè)計(jì)及與道岔專(zhuān)業(yè)配合時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮富余量。

接觸軌最高計(jì)算時(shí)候應(yīng)考慮其載流溫升情況，最低溫可按環(huán)境溫度考慮。

道岔一般采用鋼材質(zhì)，一般安裝在室外，計(jì)算時(shí)需要考慮日照等情況。

4 接觸軌關(guān)鍵零部件分析

綜合以上分析，道岔分段絕緣器和道岔過(guò)渡裝置首先需要滿(mǎn)足安裝間隙要求，以及可在集電靴通過(guò)時(shí)平滑過(guò)渡。

4.1 分段絕緣器

分段絕緣器是將接觸軌[15]在電氣上相互分開(kāi)的部件，正線主要采用連續(xù)型分段絕緣器和道岔處采用斷口型搭接分段絕緣器，見(jiàn)圖9。

圖9 分段絕緣器示意

受分段絕緣器安裝限制要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)留出較大的通過(guò)條件，以便于增加分段絕緣器搭接長(zhǎng)度，使靴軌關(guān)系更好，減小磨耗。

道岔分段絕緣屬于搭接型，在搭接部位必須設(shè)置圓弧倒角或坡度，以保證集電靴不與其直接撞擊。

接觸軌分段絕緣器安裝要求授流面平順無(wú)錯(cuò)臺(tái)，由于接觸軌公差為±0.5 mm，安裝完成后無(wú)法調(diào)整，需要對(duì)分段絕緣器或接觸軌進(jìn)行打磨，以滿(mǎn)足平順性要求，通過(guò)比較，打磨分段絕緣器施工較便捷，因此分段絕緣器厚度均按0.5 mm的正公差生產(chǎn)制造。

接觸軌分段絕緣器固定完成后，與接觸軌可能存在間隙，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究分析，認(rèn)為主要原因是分段拐角處倒角受力，可設(shè)置0.5 mm傾角來(lái)保證其緊固后授流面無(wú)縫隙(見(jiàn)圖10)。

圖10 分段絕緣器傾斜角示意

4.2 道岔過(guò)渡裝置

道岔過(guò)渡裝置是連接道岔轉(zhuǎn)折處接觸軌連接零部件，起到接觸軌過(guò)渡和接觸軌電氣連接的作用。

道岔過(guò)渡裝置設(shè)置轉(zhuǎn)軸端，有不同的工作位，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中可能設(shè)置圓弧倒角，如設(shè)置在高速區(qū)域，則需要考慮其平整度，道岔過(guò)度裝置示意見(jiàn)圖11。

圖11 道岔過(guò)渡裝置示意

道岔處電連接需要根據(jù)行車(chē)計(jì)算，滿(mǎn)足車(chē)輛最大取流要求。由于長(zhǎng)期擺動(dòng)，需要對(duì)電連接進(jìn)行防護(hù)，防止其磨損后機(jī)械性能、載流量下降，引起安全事故，道岔過(guò)渡裝置安裝需要轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償間隙。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)注意道岔過(guò)渡裝置通過(guò)速度，場(chǎng)段內(nèi)或渡線速度較低，道岔過(guò)渡裝置端部設(shè)計(jì)了圓弧倒角，可以適用于各個(gè)角度；但部分道岔設(shè)置在正線上，由于通過(guò)速度較快，集電靴通過(guò)圓弧倒角時(shí)會(huì)產(chǎn)生硬點(diǎn)，影響集電靴通過(guò)，故道岔過(guò)渡裝置在安裝速度較高的線路時(shí)應(yīng)采取措施，保證其平順性(見(jiàn)圖12)。

圖12 道岔過(guò)渡裝置工作狀態(tài)

5 結(jié)語(yǔ)

研究5種典型道岔類(lèi)型平面布置方案，覆蓋了國(guó)內(nèi)所有道岔類(lèi)型。通過(guò)對(duì)道岔梁、接觸軌膨脹量的計(jì)算，可以有效避免接觸軌關(guān)鍵零部件與道岔梁干涉；通過(guò)對(duì)道岔分段絕緣器、道岔過(guò)渡裝置關(guān)鍵零部件的研究分析，解決了其應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品的研究提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考。

通過(guò)對(duì)跨座單軌道岔處接觸軌布置方案及零部件的研究，提出一種單軌道岔區(qū)域連續(xù)貫通方案。接觸軌貫通布置可以使集電靴在道岔區(qū)域平滑過(guò)渡，減小產(chǎn)生電弧，改善靴軌關(guān)系，提高接觸軌、集電靴的使用壽命，對(duì)于單軌列車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行具有極為重要的意義。