廣深港高鐵60-12號可動心軌轍叉單開道岔設計

袁寶軍

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西 寶雞 721006)

0 引言

作為高度發(fā)達的經(jīng)濟體,香港擁有高效的公海空交通體系,但缺少高速鐵路這一現(xiàn)代化的交通工具。廣深港高速鐵路(香港段)以西九龍站為起點,連接深圳和廣州,與國家高鐵網(wǎng)絡相連接,其建設意義重大。2018年9月年通車運營后,習近平主席在2019年新年賀詞中稱“香港進入了全國高鐵網(wǎng)”。2022年6月30日,習近平主席乘專列從廣深港高鐵抵達香港。

1 工程概況

廣深港高速鐵路(香港段)為客運專線、雙線電氣化,考慮線路里程和經(jīng)濟速度等因素,線路設計速度200 km/h。正線為預應力軌枕埋入式無砟軌道,線路設計鋪設1 435 mm軌距60 kg/m鋼軌12號單開道岔,設計直向通過速度200 km/h、側向通過速度50 km/h。道岔設計、制造執(zhí)行歐洲鐵路道岔設計標準(即EN標準)。

目前,在鐵路干線上使用的200 km/h,60 kg/m鋼軌12號道岔主要結構特征為:60AT1尖軌、60AT1組合單肢彈性可彎心軌、鍛造或軋制特種斷面翼軌、多機多點牽引,鉤型外鎖、部分心軌設置轉(zhuǎn)換凸緣及有砟軌道基礎等。線路運營表明,該類道岔主要病害有:曲線尖軌尖端軌頭磨耗嚴重;尖、心軌傳力部件不能充分適應無縫道岔軌溫變化,因尖、心軌伸縮位移控制不到位引起電務鎖閉機構卡阻;轉(zhuǎn)換阻力不足及位移大;剛度優(yōu)化及剛度均勻化研究不夠全面、深入;滑床板彈片、基本軌軌撐、滑床臺扣壓部位等存在斷裂病害;焊接墊板脫焊;設有轉(zhuǎn)換凸緣的心軌對輪載、工藝及原材缺陷敏感度高,少量心軌轉(zhuǎn)換凸緣出現(xiàn)裂紋;電務鎖鉤在轉(zhuǎn)換凸緣上的作用點偏下,在心軌、翼軌間夾雜異物時,鎖閉表示失效,造成安全隱患。

另外,結合廣深港高速鐵路(香港段)道岔設計輸入要求,除優(yōu)化、改進和提高道岔整體性能外,扣件系統(tǒng)、尖軌、心軌軌型等須采用符合EN標準或在歐洲鐵路有運營業(yè)績的成熟技術。

2 道岔的平面設計

2.1 設計原則及參數(shù)

平面線型的設計直接影響車輛以設計速度過岔時的平穩(wěn)性和安全性,須以滿足運行速度、安全性、平穩(wěn)性及可靠性要求為前提,兼顧經(jīng)濟適用和滿足節(jié)能、節(jié)地、環(huán)保及綠色可持續(xù)發(fā)展等要求,盡量縮短道岔長度,并合理確定設計原則及動力學參數(shù)、各部間隔尺寸、轉(zhuǎn)轍設備安裝及制造工藝性、零部件的互換性等,滿足少維修、易維修等要求。

產(chǎn)品基礎理論數(shù)據(jù)主要有:1)軸重為17 t。2)軌距1 435 mm。3)容許通過速度為直向不大于200 km/h,側向不大于50 km/h。4)動能損失容許值ω0≤0.65 km2/h2;未被平衡的離心加速度容許值:α0≤0.5 m/s2～0.65 m/s2;未被平衡的離心加速度增量容許值:φ0≤0.5 m/s3。5)采用符合EN標準的扣件系統(tǒng)。6)尖軌心軌采用符合EN標準的鋼軌軌型。7)采用可動心軌轍叉。8)軌下基礎:無砟軌道+長岔枕埋入式。9)道岔與區(qū)間鋼軌連接為無縫連接形式。10)電務轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鎖閉可靠、易于養(yǎng)護。

2.2 平面主要幾何尺寸

在道岔號數(shù)、軌距、尖軌、轍叉平面形式確定的情況下,一定的軌距范圍內(nèi),容納導曲線半徑也是有限的,即一定的道岔號數(shù)對應一定大小的導曲線半徑。平面幾何尺寸的確定,要考慮線路布置和節(jié)約占地面積,參考既有12號道岔常用幾何尺寸及線路設計要求,確定為總長43.200 m(前長16.592 m,后長26.608 m)。

導曲線半徑的選擇,以滿足尖軌尖端軌距不加寬及車輪逆向進岔沖擊角不超過允許限值為前提,將R350 m單圓曲線優(yōu)化為“R1450 m+R2350 m”復曲線(如圖1所示),同時,借鑒成熟線型設計方法,為提高尖軌尖端粗壯度和耐磨性,延長服役壽命,導曲線前部采用相離式線型(R1相離9.5 mm,R2相離25 mm)設計,使小斷面軌頭粗壯度提高0.5%～10%左右,并在R1450 m曲線前部采用半切線及補充刨切的設計方法,實現(xiàn)藏尖保護(見圖2)。

這種線型設計,能改善列車順向出岔或逆向進岔時的運行條件,減緩列車順向出岔時對基本軌的沖擊與磨耗,有利于提高行車平穩(wěn)性和旅客舒適性。

2.3 動力學參數(shù)

1)按主導曲線R350 m半徑對道岔動力學指標進行計算,結果如圖3所示。

2)動力學參數(shù)計算(見表1)。

表1 動力學參數(shù)計算表

3)外軌欠超高。我國《鐵路線路維修規(guī)則》規(guī)定:未被平衡欠超高,一般應不大于75 mm,困難情況應不大于90 mm。

I=7.6V2/R=7.6×50×50/350=54.3 mm<75 mm。

由上述參數(shù)計算可知,道岔線型設計能夠滿足側向通過速度50 km/h的運營要求,同時具有一定的安全儲備。

2.4 岔枕排布

從提高列車直向過岔平順性和便于電務轉(zhuǎn)換裝置設計、安裝等角度考慮,岔枕按垂直于道岔直股方向布置,根據(jù)TB 10621高速鐵路設計規(guī)范的規(guī)定,道岔區(qū)段混凝土岔枕按每千米鋪設1 667根布置(即岔枕間距600 mm)。在牽引點處按照電務轉(zhuǎn)換設備安裝空間需求,岔枕間距調(diào)整為650 mm(牽引點兩側為575 mm)。岔枕長度從2.6 m開始,按0.1 m級差進級,最長岔枕為4.79 m,道岔跟端部分位置考慮到長岔枕制造工藝限制,采用“長枕+1.1 m短岔枕”的布置方式。轉(zhuǎn)轍機采用托板安裝方式,按需要對牽引點兩側岔枕加長。

2.5 扣件系統(tǒng)設計

扣件系統(tǒng)是無砟軌道的重要組成部分,設計輸入要求道岔區(qū)和區(qū)間線路扣件系統(tǒng)均采用符合EN標準或在歐洲鐵路有使用業(yè)績的成熟扣件系統(tǒng)。目前,國內(nèi)高速鐵路應用的成熟無砟道岔扣件系統(tǒng)主要有兩類:一是自主研發(fā)高速鐵路道岔普遍采用的“Ⅱ型扣件+彈性基板”結構[1];二是技術引進法國科吉富公司的Vossloh 300W結構。從廣深港高鐵正線12號無砟道岔運營速度級別、剛度及符合EN標準、在歐洲鐵路有使用業(yè)績等要求綜合考慮,采用Vossloh 300W系統(tǒng)。

300W扣件系統(tǒng)組成如圖4所示,剛度主要通過板下聚氨酯彈性墊層實現(xiàn),豎向位移及軌距調(diào)整分別通過調(diào)高墊板、軌距調(diào)整片實現(xiàn)。相對于國內(nèi)扣件系統(tǒng),為避免彈條扣壓件螺栓和岔枕螺栓受剪破壞,設計了支撐板結構,支撐板底部凸出一定高度的楔形體,與岔枕表面同形狀的凹槽較大面積接觸,改善系統(tǒng)橫向受力條件。工作狀態(tài)下,輪軌間的橫向力通過軌距塊、軌距調(diào)整片等傳至支撐板,又通過支撐板和岔枕之間的凸、凹配合結構傳至岔枕及下部結構。彈條扣壓螺栓和岔枕螺栓連接孔設計為長圓孔,在橫向位移較小時保證橫向力不直接傳至岔枕螺栓。為避免支撐板凸出的楔形體破壞岔枕凹槽,在支撐板與岔枕間設2 mm厚墊片。同時,為驗證受力位置設計的準確性,對該部位設計進行了力學分析(見圖5)。

分析結果表明:在橫向力作用下,支撐板向外和沿岔枕凹槽斜面向上運動的趨勢受到錨固螺栓拉力的限制,向外的位移較小,對保護扣件螺栓是有利的。另外,為保證整個扣件系統(tǒng)適用性,按照EN 13146-4的要求,對扣件系統(tǒng)進行反復荷載試驗,加載500萬次后,系統(tǒng)零件磨損較小,支撐板的最大橫向永久變形約為0.2 mm,彈性變形0.2 mm,滿足廣深港高鐵線路運營要求。

2.6 轉(zhuǎn)轍器部分結構設計

尖軌為彈性可彎結構,采用歐洲鐵路應用的60E1A5鋼軌制造。尖軌半切斷面33.1 mm左右,考慮岔枕排布、尖軌伸縮和安裝輥輪滑床板的需要,尖軌尖端至其后一根岔枕的距離確定為125 mm。

根據(jù)最小輪緣槽、牽引點動程、轍跟支距、尖軌跟端固定結構、岔枕排布、扣件安裝及轍跟支距滿足尖軌和基本軌的線路無縫化焊接空間等因素,通過計算,尖軌長度定為14 250 mm,同時考慮到尖軌跟端焊接要求,尖軌成型段長度為450 mm,可以滿足現(xiàn)場重新焊接要求。轉(zhuǎn)轍器設置三個牽引點,可動部分長度為12 150 mm,第一、二牽引點間設置密貼檢查器(如圖6,圖7所示)。

香港屬亞熱帶氣候,全年氣溫較高,年平均溫度為22.8 ℃,最大溫差25 ℃。電務轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用國內(nèi)廣泛使用的鉤型外鎖閉結構,為適應無縫線路伸縮位移要求,增加安全儲備,避免轉(zhuǎn)換設備卡阻,在尖軌跟端設置一組限位器,限位器子母塊間隙為15 mm,傳力精確,減小基本軌所受附加力。

為減少基本軌軌腰螺栓孔數(shù)量,增強軌腰強度,設置單孔頂鐵,方便現(xiàn)場安裝和線形調(diào)整;為保證道岔正常轉(zhuǎn)換,設置防跳頂鐵?；拒墐?nèi)側采用彈性夾扣壓,提高基本軌抵抗外翻的能力,尖軌牽引點附近區(qū)域設有減摩輥輪滑床板(如圖8所示)和防跳限位裝置(如圖9所示),滑床臺及可動心轍叉部分臺板滑動作用面設有40 μm厚、摩擦系數(shù)為0.25的減摩涂層,以降低轉(zhuǎn)換阻力,減小轉(zhuǎn)換不足位移,提高防銹蝕能力。

2.7 可動心轍叉結構設計

目前,直向通過速度200 km/h鐵路道岔,普遍采用可動心軌轍叉結構,可動部分由長心軌與短心軌拼接而成。長心軌工作狀態(tài)時位于道岔直股,跟部為單肢彈性可彎結構。短心軌工作狀態(tài)位于道岔側股,跟部為斜接頭結構,與叉跟尖軌的貼合面之間保持一定間隙,保持斜接頭的滑動性能的同時,有利于減小心軌扳動力和轍叉長度,目前,30號及其以下高速道岔均采用單肢彈性可彎式轍叉結構。

2.7.1 咽喉位置和心軌第一牽引點動程

咽喉位置關系到心軌第一牽引點的動程大小,而咽喉應選擇在轉(zhuǎn)轍機動程以內(nèi);其寬度應保證心軌與翼軌的最小輪緣槽滿足要求,同時綜合考慮心軌尖端結構、岔枕布置等因素,一般在120 mm～160 mm左右,設計確定為125.2 mm;心軌第一牽引點動程應選擇在轉(zhuǎn)轍機容許動程范圍內(nèi),并考慮外鎖閉的鎖閉量極限及足夠的轉(zhuǎn)換余量,心軌第一牽引點動程確定為123 mm[2]。

2.7.2 彈性可彎中心

參考既有成熟的12號道岔,考慮彈性可彎中心與最后一個牽引點的距離、同時兼顧考慮短心軌跟端彎折、扣板或頂鐵的設置和長心軌跟端扣板或彈條扣壓的設置,合理確定彈性可彎中心的位置。

2.7.3 翼軌

選用自主研發(fā)高速道岔中普遍應用的軋制特種斷面翼軌,其具有截面抗彎剛度大、無二次熱成型、便于電務裝置安裝等優(yōu)勢。為提高轍叉整體橫向穩(wěn)定性,減小心軌位移,采用長翼軌結構,即將翼軌末端延伸至心軌跟端。同時,為更好傳遞無縫線路縱向力,保證翼軌整體框架剛度,在翼軌密外側設置豎向軌撐,并采用HUCK螺栓連接(如圖10所示)。

2.7.4 心軌

為保證長心軌在列車直向200 km/h運行條件下具有足夠的強度,根據(jù)成熟技術,設計時,將長心軌軌頭刨切起點為短心軌始端,短心軌20 mm寬度軌頭處開始承受輪載;長、短心軌連接采用高強度螺栓連接。

考慮制造、安裝公差及心軌變形,通過在長心軌尖端設置防跳間隔鐵、間隔設置防跳頂鐵兩種方式實現(xiàn)心軌防跳;翼軌跟端傳力結構采用“間隔鐵+膠接”的形式,間隔鐵設計為全斷面接觸加長型,膠接層厚度1 mm。

2.7.5 護軌

側線設置用33 kg/m鋼軌制造的分開式防磨護軌,為避免車輪爬上護軌,護軌頂面高出基本軌12 mm。護軌平直段防護范圍為轍叉咽喉起至叉心頂寬72 mm處止,以減輕車輪對心軌的側面磨耗,保證心軌與翼軌的密貼。護軌基本軌內(nèi)側采用彈性夾扣壓。

2.7.6 道岔區(qū)墊板及其他零部件結構設計

針對組焊墊板結構強度低,臺板等焊縫易于開裂、制造成本高等問題,對道岔區(qū)墊板實施鑄造整體化設計,鑄造墊板采用QT450-10,強度高,耐低溫沖擊,能夠保證在低溫運營條件下性能不降低[3-4]。

在導曲線部位應用了“TENCOIN”干式絕緣夾板(如圖11所示),在滿足軌道電路設計要求的前提下,避免了廠內(nèi)加熱膠接工藝,提高了線路養(yǎng)護維修效率。

2.8 電務轉(zhuǎn)換設備

為解決轉(zhuǎn)換卡阻、不足位移及鎖閉失效等問題,道岔采用S700K鉤型外鎖閉裝置、多機多點牽引方式(如圖12所示),并在牽引點間設置密貼檢查器,提高安全性。

2.9 岔區(qū)剛度均勻化

岔區(qū)剛度是影響道岔結構荷載、輪軌相互作用和結構振動的重要因素[5]。為滿足列車過岔運行平順性和舒適性要求,開展了剛度均勻化研究,通過合理設置板下墊層的剛度,達到剛度合理設置及分布均勻化的目的。主要均勻化措施有:

普通墊板節(jié)點剛度主要由300 W扣件中的板下聚氨酯彈性墊層提供,組裝后可獲得組裝22.5 kN/mm的靜剛度和約40 kN/mm的動剛度,與區(qū)間節(jié)點剛度基本相同(如圖13所示)。

剛度設計時,將岔區(qū)分為轉(zhuǎn)轍器、導曲線和轍叉三個單元分別進行(見圖14)。

導曲線位置處的節(jié)點剛度與區(qū)間相同。通過對轉(zhuǎn)轍器部位和轍叉部位的剛度進行分析計算,以區(qū)間靜剛度22.5 kN/mm為設計基準,通過改變墊層幾何尺寸和形狀,岔對不同部位墊層剛度采用開孔設置進行微調(diào),使不同部位墊層剛度均勻化,保證道岔整體剛度最大值不超過區(qū)間線路1.3倍,滿足線路剛度均勻化的要求。均勻化前后直向過岔和側向過岔軌道整體剛度對比見圖15。

3 結語

廣深港高速鐵路(香港段)60 kg/m鋼軌12號可動心軌轍叉單開道岔借鑒了自主研發(fā)高速道岔等成熟技術,在EN標準符合性、無砟軌道、無縫線路適應性等方面進行了關鍵技術研究,形成了以道岔線型優(yōu)化、零部件結構設計、剛度均勻化、新型扣件系統(tǒng)、電務轉(zhuǎn)換鎖閉及密貼監(jiān)控技術應用為主的較為完整的設計體系,有效解決了該型號道岔尖軌磨耗嚴重、無縫道岔適應性差、電務鎖閉機構卡阻、舒適度低等問題,上道運營至今,服役狀況良好,滿足了廣深港高速鐵路建設需求,促進了道岔設計、制造水平提升。