懸掛式單軌三開平移道岔系統(tǒng)設(shè)計

游鵬輝

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

隨著《“十四五”全國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》的發(fā)布，中低運量軌道交通將迎來新的發(fā)展機遇。懸掛式單軌因具有建設(shè)成本低、建設(shè)周期短、占地面積小、低噪環(huán)保、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、不受惡劣天氣影響、不破壞城市景觀、車廂視野開闊等優(yōu)點，將會成為Ⅰ型和Ⅱ型大城市優(yōu)選的中低運量交通制式之一。

道岔系統(tǒng)作為懸掛式單軌關(guān)鍵設(shè)備之一，直接影響線路方案、行車效率及行車安全，對懸掛式單軌至關(guān)重要。根據(jù)轉(zhuǎn)轍原理的不同，現(xiàn)有懸掛式單軌道岔主要分為平移型道岔、芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔、關(guān)節(jié)型道岔、回轉(zhuǎn)換梁型道岔。在國外軌道交通中，德國和日本已開通運營多條懸掛式單軌線路，道岔系統(tǒng)在單軌交通中的運用已很成熟 ，其中德國伍伯塔爾市線采用平移型道岔，德國多特蒙德工業(yè)大學線和杜塞爾多夫機場線均采用芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔。日本湘南江之島線和千葉1 號線均采用芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔 。近年來，國內(nèi)的懸掛式單軌發(fā)展也呈加速狀態(tài)，且已建設(shè)多條試驗線，其中中唐空鐵試驗線采用平移型道岔 ，中車青島四方試驗線和中建開封試驗線采用芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔，2022年建成的首條稀土永磁磁浮軌道交通工程試驗線采用的是永磁回轉(zhuǎn)換梁型道岔 。

上述線路應用的懸掛式單軌道岔均為單開式，該型式道岔僅能實現(xiàn)正線向單條曲線的轉(zhuǎn)轍換向，在線路換向需求量大的段場中應用時會存在布置數(shù)量多、占地面積大、建設(shè)成本高的問題，不利于工程建設(shè)。因此，為解決上述問題有必要研究一種多開的道岔。

由于懸掛式單軌三開平移道岔可以借鑒現(xiàn)有的懸掛式單軌單開平移道岔技術(shù)進行快速研發(fā)，且具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、調(diào)試方便，對控制及動力系統(tǒng)要求不高，運動單一等優(yōu)點，在段場應用中有很大的優(yōu)勢，因此本文將針對懸掛式單軌三開平移道岔系統(tǒng)展開研究。

2 總體方案

懸掛式單軌平移型道岔是通過齒輪齒條傳動的方式平行移動不同道岔梁與軌道梁對接，從而實現(xiàn)線路轉(zhuǎn)轍換向。

懸掛式單軌三開平移型道岔由1 根直線道岔梁、2 根曲線道岔梁、道岔梁連接板及道岔梁連接組件等結(jié)構(gòu)件組成。曲線道岔梁使用R50 m 的純圓曲線，與直線軌道梁相切，以保證列車通過道岔時離心加速度保持連續(xù)變化，增加列車過岔的平穩(wěn)性、安全性，大幅提高乘坐的舒適度。懸掛式單軌三開平移型道岔線型示意如圖1所示，核心技術(shù)指標如表1所示。

圖1 懸掛式單軌三開平移型道岔線型 （單位：mm）

表1 懸掛式單軌三開平移型道岔的核心技術(shù)指標

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 道岔結(jié)構(gòu)布置

懸掛式單軌三開平移型道岔的2 根曲線道岔梁對稱設(shè)置于直線道岔梁的兩側(cè)，呈“八字”型，如圖1所示。懸掛式單軌三開平移型道岔中的1-直線道岔梁、2-曲線道岔梁、3-鎖定機構(gòu)、4-驅(qū)動及走行裝置、5-梁間連接裝置、6-門式橫梁的布置如圖2所示。

圖2 懸掛式單軌三開平移型道岔三維圖

3.2 道岔梁

為提高道岔梁結(jié)構(gòu)的安全性和平移的精確性，兼顧降低制造成本，道岔梁之間采用前板后樁的栓接結(jié)構(gòu)形式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮到運行車輛的需求，采用箱形結(jié)構(gòu)，由上蓋板、下蓋板、腹板、底板、端頭勁板、中間勁板等組成，再配焊各類機構(gòu)連接板，且選用的材質(zhì)可滿足道岔在低溫條件下的沖擊荷載。整體組焊完成后采用人工方式進行應力處理，隨后采用大型落地鏜銑床、水平鉆床進行連接部位加工。

3.3 梁間連接裝置

為避免道岔梁在平移時因受溫度影響產(chǎn)生的變形導致其端部與軌道梁發(fā)生干涉，需在道岔梁與軌道梁之間設(shè)置一定過渡距離。同時為保證車輛過岔時的平穩(wěn)性、舒適性，在連接處設(shè)計可以互相搭接的齒形梁間連接裝置，并分別安裝在道岔梁和軌道梁的端面，在道岔梁平移時齒形梁間連接裝置互相交錯移動，道岔平移到位后，齒形梁間連接裝置互相搭接，同時滿足道岔平移與車輛運行的需求。齒形梁間連接裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 齒形梁間連接裝置結(jié)構(gòu)

3.4 鎖定裝置

鎖定裝置是在道岔梁被驅(qū)動平移到位后，使其準確對位并牢固鎖緊的裝置，主要部件安裝在與道岔梁對接的軌道梁上。其可靠性直接影響行車安全，因此對該裝置的功能要求為定位準確、鎖定牢固，能克服車輛通過時產(chǎn)生的離心力和沖擊力。該裝置設(shè)有位置檢測模塊，并與控制信號聯(lián)鎖，可以傳遞和顯示閉鎖狀態(tài)位置信息，保證車輛安全過岔。

鎖定裝置一般采用電動機驅(qū)動，特定需求下也可采用手動方式驅(qū)動。鎖定裝置由1-電動推桿、2-推桿支架、3-鎖定銷軸、4-凸輪連桿機構(gòu)、5-翻轉(zhuǎn)板、6-水平鎖銷、7-鎖定座等零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。鎖定裝置中的電動推桿采用耳軸安裝方式，該方式可以推動鎖定銷軸做直線運動；凸輪安裝在鎖定銷軸上，鎖定銷軸通過凸輪驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)帶動水平齒形翻轉(zhuǎn)板及水平鎖銷的翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)道岔梁平移時齒形翻轉(zhuǎn)板的收縮及水平鎖銷的解鎖。

圖4 鎖定裝置結(jié)構(gòu)

3.5 驅(qū)動及走行裝置

驅(qū)動及走行裝置由1-驅(qū)動電機、2-齒條、3-導向軌、4-走行輪等零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。驅(qū)動電機通過齒輪齒條傳動驅(qū)動道岔梁平行移動，驅(qū)動方式采用道岔梁兩端同時驅(qū)動，總驅(qū)動功率為15 kW。

圖5 驅(qū)動及走行裝置結(jié)構(gòu)

走行輪通過法蘭盤安裝于道岔梁上，在平移中走行輪沿導向軌運動，以保證平移的準確性、平穩(wěn)性。走行輪結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 走行輪結(jié)構(gòu)

3.6 門式梁

懸掛式單軌三開平移型道岔包含2 套道岔門式梁結(jié)構(gòu)，分別為岔前短門式梁及岔后長門式梁，用于道岔梁走行及導向，門式梁主要由1-道岔橫梁、2-道岔立柱、3-止擋裝置等組成，與4-軌道梁橫梁、5-軌道梁立柱相鄰，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 門式梁結(jié)構(gòu)

驅(qū)動及走行裝置中的齒條、導向軌安裝在門式梁兩側(cè)及底部，門式梁底部對應道岔梁的兩側(cè)安裝止擋裝置，以防止道岔平移時驅(qū)動走行過量，從而提高平移安全性。

3.7 人梯及檢修平臺

為便于道岔各種機構(gòu)的維護、檢修以及電控系統(tǒng)的安裝調(diào)試，在道岔門式梁側(cè)設(shè)置人梯及檢修平臺，主要由爬梯、筒梯、檢修平臺、走行踏板、電控柜安裝平臺、支撐護欄及扶手等組成。人梯及檢修平臺結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 人梯及檢修平臺結(jié)構(gòu)

4 道岔控制系統(tǒng)設(shè)計

道岔控制系統(tǒng)可以按照信號系統(tǒng)發(fā)出的指令，控制道岔完成解鎖-平移-鎖閉，并將道岔位置信息傳遞給信號系統(tǒng)，同時具備安全聯(lián)鎖、運行控制等功能。

4.1 控制系統(tǒng)的組成

控制裝置由驅(qū)動配電柜、信號控制柜、鎖閉電機、平移電機、限位開關(guān)等設(shè)備組成。其中，驅(qū)動配電柜主要向道岔系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供電，并接受信號控制柜的驅(qū)動命令，從而控制電機動作，驅(qū)動道岔平移轉(zhuǎn)轍。信號控制柜主要接收信號系統(tǒng)發(fā)出的目標指令和現(xiàn)場發(fā)送指令，并可將道岔的位置信息反饋給信號系統(tǒng)，同時柜內(nèi)設(shè)有應急操作功能。

4.2 控制方式

道岔控制系統(tǒng)設(shè)置3 種控制方式，分別為集中、現(xiàn)場、應急控制方式。

（1）集中控制方式是由信號系統(tǒng)向道岔控制系統(tǒng)發(fā)出指令，道岔控制系統(tǒng)接收到指令后，首先切斷反饋到信號系統(tǒng)的位置信息，并將指令與當前道岔位置信息進行比較，通過比對結(jié)果判斷道岔平移方向，再根據(jù)判斷出的平移方向自動進行解鎖、平移、鎖緊，最后，當確認平移到位后，向信號系統(tǒng)反饋位置信息，此時信號系統(tǒng)切斷指令信號，平移過程結(jié)束。

（2）現(xiàn)場控制方式是在信號系統(tǒng)授權(quán)現(xiàn)場控制后，操控人員根據(jù)車輛過岔的需要，使用控制柜上的位置轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)出道岔平移指令，驅(qū)動道岔自動平移?？刂葡到y(tǒng)確認平移到位后，向信號系統(tǒng)反饋位置信息。

（3）應急控制方式為當?shù)啦沓霈F(xiàn)故障時，操控人員使用信號控制柜內(nèi)的應急控制電路進行道岔解鎖、平移、鎖閉。該控制方式是通過冗余的驅(qū)動回路和獨立的應急控制來實現(xiàn)的。

5 應用分析

5.1 應用場景

懸掛式單軌在其車站出入線、正線聯(lián)絡(luò)線、車站故障車停放線、折返線、段場出入線、段場停車線等工程場景中均有設(shè)置道岔的需求，其中段場停車線對道岔的數(shù)量需求最多，對多開道岔的需求最大。

5.2 方案對比

在軌道交通中道岔的類型及布置直接影響段場的用地面積、土地利用率、調(diào)車停放效率、工程投資等，下面分別對使用單開、三開2 種道岔進行段場工藝布置方案進行對比，2 種方案的布置如圖9、圖10所示，主要指標如表2所示。

表2 兩種方案的主要技術(shù)指標對比表

圖9 采用單開道岔時的段場工藝布置圖

圖10 采用三開道岔時的段場工藝布置圖

通過對比可知，懸掛式單軌三開道岔方案相比懸掛式單軌單開道岔方案，道岔數(shù)量減少25%，段場橫向長度減少約14%，占地面積減少約8%。

綜上，懸掛式單軌三開平移型道岔相對單開平移型道岔更適合在段場中進行應用，其優(yōu)點帶來的有益效果更加明顯。

6 結(jié)語

本文對懸掛式單軌三開平移道岔的道岔梁、梁間連接裝置、鎖定裝置、驅(qū)動及走行裝置、人梯及檢修平臺門式梁等的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，保障了懸掛式單軌三開平移道岔的結(jié)構(gòu)完整性，同時基于懸掛式單軌三開平移道岔的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計了道岔的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了多開轉(zhuǎn)轍換向的控制功能。懸掛式單軌三開平移道岔具有結(jié)構(gòu)簡單、控制及動力系統(tǒng)要求低、線型平順度高、轉(zhuǎn)轍方向更多等優(yōu)點，相較現(xiàn)有的單開道岔，其在段場應用中具有更大的優(yōu)勢，可以有效降低工程投資，并為懸掛式單軌交通的道岔選型提供了更多的選擇。