現(xiàn)代有軌電車6號(hào)單開(kāi)新型道岔設(shè)計(jì)

閆 宇 青

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721006)

現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行可靠、舒適、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn),作為城市新興先進(jìn)的公交方式,已完成了從傳統(tǒng)到現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變,在全球得到推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)的鐵路道岔主要由工字軌加工制造而成,現(xiàn)代有軌電車道岔主要用槽型鋼軌加工制造?，F(xiàn)代有軌電車主要鋪設(shè)于城市路面,要便于鋼軌埋入地面,還能夠給電車提供走行軌道,在保證電車正常運(yùn)行的同時(shí),還要保證路面其他交通參與者的正常通行。有軌電車道岔設(shè)計(jì)時(shí)要保證埋入式結(jié)構(gòu)的耐用性和維修方便。因此,有軌電車道岔對(duì)材料及道岔用軌型的選擇有著較為特殊的要求,道岔不僅要安全可靠,而且要性能穩(wěn)定,適應(yīng)性強(qiáng)。為了積極響應(yīng)國(guó)家內(nèi)外雙循環(huán)發(fā)展戰(zhàn)略,應(yīng)盡快研發(fā)適合國(guó)際市場(chǎng)更多軌型、結(jié)構(gòu)形式、扣件形式及集成化的有軌電車用道岔產(chǎn)品,為“一帶一路”建設(shè)貢獻(xiàn)更多的力量。

國(guó)內(nèi)外對(duì)道岔設(shè)計(jì)方面的研究積累了大量寶貴經(jīng)驗(yàn),文獻(xiàn)[1] 收集了我國(guó)鐵路道岔各個(gè)發(fā)展階段的重點(diǎn)產(chǎn)品,對(duì)具有代表性的道岔還提供了配套的轉(zhuǎn)轍設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)和部件布置圖。趙晨[2]針對(duì)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)形試驗(yàn)線的運(yùn)行需求,設(shè)計(jì)了60 kg/m鋼軌15號(hào)單式同側(cè)道岔。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)論述天津地鐵6號(hào)線道岔選型,通過(guò)對(duì)三開(kāi)道岔與普通道岔結(jié)構(gòu)、側(cè)向速度、導(dǎo)曲線半徑、配線形式等經(jīng)濟(jì)和技術(shù)比較分析方法,定性和定量的闡述了地鐵設(shè)計(jì)中根據(jù)車站周邊房屋樓群,交通疏解,管線切改等周邊環(huán)境的制約,選用三開(kāi)道岔類型的合理性。張立軍等[4]介紹了交叉渡線道岔的平面線型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、扣件系統(tǒng)、軌下基礎(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)。該道岔是一種新型重載渡線道岔,可與現(xiàn)有160 km/h的提速道岔用交叉渡線道岔實(shí)現(xiàn)替換,其單開(kāi)轍叉、銳角轍叉、鈍角轍叉均采用合金鋼組合轍叉,以達(dá)到延長(zhǎng)道岔及其部件使用壽命的目的,采用彈性鉸接裝置可有效隔斷震動(dòng)的傳遞,調(diào)整鉸接岔枕之間離縫。趙振華等[5]基于既有50 kg/m鋼軌9號(hào)道岔的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和重載鐵路道岔關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù),提出新型50 kg/m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔設(shè)計(jì)原則。王樹(shù)國(guó)等[6]根據(jù)國(guó)內(nèi)外重載鐵路道岔運(yùn)營(yíng)實(shí)踐和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),提出了重載道岔設(shè)計(jì)的技術(shù)原則和技術(shù)指標(biāo)。駱焱等[7]采用60AT2尖軌并設(shè)置軌頂坡,提高了列車經(jīng)過(guò)岔區(qū)時(shí)的平穩(wěn)性和旅客的乘座舒適度;采用鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉提高了轍叉使用壽命,減小了養(yǎng)護(hù)維修量;采用不同剛度的板下彈性墊層,實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通道岔區(qū)的剛度均勻化及整體低剛度化,有效降低了岔區(qū)的振動(dòng)噪聲。劉婷林等[8]采用彈性可彎式尖軌提出了新道岔轉(zhuǎn)轍器,徹底消除了活接頭病害,對(duì)轍叉跟端進(jìn)行了優(yōu)化(采用夾板連接),選用33 kg/m槽型護(hù)軌,基本軌內(nèi)側(cè)采用彈性扣壓,提高了車輛段道岔的通過(guò)速度(側(cè)向通過(guò)速度由25 km/h提高到35 km/h),保證了道岔功能要求。王雷等[9]介紹60R2槽型鋼軌6號(hào)不對(duì)稱三開(kāi)道岔的設(shè)計(jì),闡述道岔平面線型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。蔡魯泉等[10]以北京有軌電車西郊線軌道安裝工程為例,介紹了道岔施工中現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備、道岔布置、道床立模、道岔精調(diào)、道床混凝土澆筑、道岔施工、道床頂面施工等具體施工工序,總結(jié)出了有軌電車槽型軌道岔安裝施工技術(shù)。近年來(lái),我國(guó)研制的現(xiàn)代有軌電車道岔結(jié)構(gòu)主要有以下三種。主要結(jié)構(gòu)型式及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示,方案一采用高錳鋼轉(zhuǎn)轍器與整鑄造高錳鋼轍叉,由于高錳鋼無(wú)法直接與導(dǎo)軌焊接,其尖軌跟端養(yǎng)護(hù)維修量大,而轍叉需要整體鑄造,需要個(gè)性化開(kāi)模,不能通用。方案二轉(zhuǎn)轍器采用焊接式框架阻焊,焊接工藝要求高,且轉(zhuǎn)轍器不易清理框架槽,道岔結(jié)構(gòu)整體復(fù)雜,維修難度大;方案三采用了拼裝式轉(zhuǎn)轍器與焊接轍叉組合結(jié)構(gòu),整體性好,壽命長(zhǎng),性價(jià)比高而且維護(hù)工作量小。

表1 現(xiàn)代有軌電車主要結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)

由表1可知,轉(zhuǎn)轍器尖軌設(shè)計(jì)中,轉(zhuǎn)轍器跟端采用活接頭(樞軸式)結(jié)構(gòu)以達(dá)到降低轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換力的目的。尖軌跟端采用壓板限位的方式滿足無(wú)縫線路的使用要求。這兩者之間存在著一定的矛盾,采用跟端活接頭時(shí),容易發(fā)生尖軌跟端連接結(jié)構(gòu)變形、接頭錯(cuò)牙引起的掉道等病害;采用跟端壓板限位時(shí),容易引起扳動(dòng)力過(guò)大,限位裝置失效等病害。為解決這一矛盾,既能滿足尖軌無(wú)縫線路的使用要求,又能保證道岔尖軌順利實(shí)現(xiàn)搬動(dòng)轉(zhuǎn)換。

基于現(xiàn)代有軌電車道岔實(shí)際運(yùn)用中存在的痛點(diǎn)問(wèn)題,本文擬提出一種新型合金鋼彈性可彎尖軌及跟端限位機(jī)構(gòu),以滿足道岔無(wú)縫線路的使用需要和解決道岔尖軌搬動(dòng)力過(guò)大等問(wèn)題。

1 60R2槽型鋼軌6號(hào)單開(kāi)道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 平面線型設(shè)計(jì)

現(xiàn)代有軌電車60R2槽型鋼軌6號(hào)單開(kāi)道岔主要技術(shù)參數(shù)如下:道岔角度9°27′44″,全長(zhǎng)L=16 000 mm,前長(zhǎng)a=4 760 mm,后長(zhǎng)b=11 240 mm,軌距1 435 mm。導(dǎo)曲線為單圓曲線,導(dǎo)曲線半徑為50 m。尖軌按相離6 mm半切線型設(shè)計(jì),導(dǎo)曲線實(shí)際起點(diǎn)在理論28 mm斷面,密貼段結(jié)束處在尖軌理論35 mm斷面。道岔平面線型如圖1所示。

圖1 60R2槽型鋼軌6號(hào)單開(kāi)道岔線型圖(單位:mm)

為了提高道岔轉(zhuǎn)轍區(qū)尖軌強(qiáng)度,延長(zhǎng)道岔服役壽命,將尖軌向非工作邊側(cè)水平加厚3 mm,導(dǎo)曲線實(shí)際起點(diǎn)變?yōu)?1 mm斷面,密貼段結(jié)束處變?yōu)?8 mm斷面,增加了曲線尖軌的粗壯度,提高了尖軌的耐磨性,如圖2所示。

圖2 60R2槽型鋼軌6號(hào)單開(kāi)道岔轉(zhuǎn)轍器部分軌距圖

1.2 轉(zhuǎn)轍器設(shè)計(jì)

1.2.1 基本軌設(shè)計(jì)

道岔區(qū)基本軌采用60R2鋼軌加工制造,分直曲和左右側(cè)。采用1∶5斜藏尖結(jié)構(gòu),同時(shí)銑削內(nèi)側(cè)軌底,軌頭、軌底均采用圓弧過(guò)渡。如圖3所示。

圖3 基本軌結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 轉(zhuǎn)轍器框架與尖軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 尖軌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)轍區(qū)尖軌采用合金鋼鋼板加工制造,尖軌在下料時(shí),按照尖軌的設(shè)計(jì)外形輪廓進(jìn)行下料,以提高尖軌的加工效率和材料利用率。由于本次尖軌設(shè)計(jì)采用了合金鋼鋼板加工制造,設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng),設(shè)計(jì)時(shí)考慮轉(zhuǎn)轍機(jī)的接口尺寸,為降低尖軌在轉(zhuǎn)換時(shí)的搬動(dòng)力,考慮彈性可彎段的設(shè)計(jì),為保證彈性可彎尖軌固定端的可靠性,設(shè)計(jì)時(shí)配合尖軌固定端結(jié)構(gòu),考慮彈性可彎尖軌固定端設(shè)計(jì)。尖軌各斷面設(shè)計(jì)具體如圖4所示。

圖4 合金鋼尖軌示意圖

(2) 尖軌強(qiáng)度驗(yàn)算。為了保證尖軌設(shè)計(jì)的可靠性,對(duì)尖軌建立了三維有限元模型,變截面梁采用關(guān)鍵斷面插值形成連續(xù)結(jié)構(gòu),如圖5所示。對(duì)尖軌的設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行校核,分別對(duì)直線、曲線尖軌的15 mm、25 mm、35 mm斷面進(jìn)行強(qiáng)度檢算。尖軌不同斷面的強(qiáng)度校核示意圖見(jiàn)圖6。由圖5和圖6可知,直線、曲線尖軌各薄弱斷面強(qiáng)度均小于合金鋼材料的屈服極限,且安全系數(shù)均大于2.5,尖軌的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,具體見(jiàn)表2。

表2 合金鋼尖軌各斷面計(jì)算結(jié)果

圖5 尖軌三維模型圖

圖6 尖軌15 mm斷面等效位移及等效應(yīng)力云圖

(3)尖軌搬動(dòng)力檢算。為了校核尖軌的實(shí)際搬動(dòng)力是否滿足設(shè)計(jì)理論值的要求,建立尖軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)耦合有限元模型,對(duì)尖軌的設(shè)計(jì)搬動(dòng)力進(jìn)行校核。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)尖軌牽引點(diǎn)動(dòng)程按照設(shè)計(jì)動(dòng)程60 mm時(shí),尖軌前端開(kāi)口值為68 mm,扳動(dòng)力為2 378.6 N,遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)轍機(jī)的額定功率3 500 N,可以看出尖軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,滿足工電配合的要求,搬動(dòng)力計(jì)算見(jiàn)圖7。

圖7 尖軌尖端最大等效位移及尖軌搬動(dòng)力計(jì)算示意圖

(4)尖軌跟端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。彈性可彎尖軌設(shè)計(jì)的核心技術(shù)為尖軌動(dòng)程選擇、彈性可彎段長(zhǎng)度的確定及跟端固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。有軌電車道岔的軌型較為特殊,基本軌沒(méi)有對(duì)應(yīng)的尖軌AT軌的軌型,因此尖軌固定端的設(shè)計(jì)更為特殊和重要,為了改變以往有軌電車尖軌采用50AT1或60AT1鋼軌,跟端固定結(jié)構(gòu)采用壓板扣壓,設(shè)計(jì)了一種能限制尖軌跟端六個(gè)自由度的限位結(jié)構(gòu),有效的解決尖軌跟端在線路使用過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)牙及爬行而引起的掉道病害,具體見(jiàn)圖8。

圖8 彈性可彎尖軌固定端結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 轍叉及護(hù)軌設(shè)計(jì)

1.3.1 合金鋼轍叉設(shè)計(jì)

道岔合金鋼轍叉采用分層焊接結(jié)構(gòu),上層為合金鋼鋼板、下層為普通結(jié)構(gòu)鋼,轍叉兩頭加工成60R2槽型鋼軌,與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌進(jìn)行廠內(nèi)閃光焊連接,具體如圖9所示。護(hù)軌采用合金鋼加工而成,與槽型軌栓接,為確保護(hù)軌安裝穩(wěn)固,在護(hù)軌與槽型軌軌腰間設(shè)置間隔鐵。

圖9 上下層組合合金鋼轍叉示意圖

1.3.2 合金鋼轍叉深、淺槽計(jì)算

為了保證有軌電車順利通過(guò)菱形交叉,特對(duì)菱形交叉部分的深淺槽進(jìn)行了模擬計(jì)算。轍叉輪緣槽深、淺槽設(shè)計(jì)原則在于車輪通過(guò)轍叉有害空間處,最不利情況下車輪踏面同時(shí)接觸翼軌和心軌,并考慮車輪磨耗極限情況下,車輪與轍叉間具有足夠的接觸寬度,以保證車輪安全通過(guò),轍叉區(qū)域輪軌關(guān)系示意及車輛踏面如圖10所示。

圖10 轍叉俯視圖及轍叉斷面圖

根據(jù)轍叉區(qū)域輪軌關(guān)系示意圖(圖10)可得公式(1),如果其值大于等于0,說(shuō)明最不利過(guò)岔情況下,車輪與轍叉間具有足夠的接觸寬度,轍叉可按深槽設(shè)計(jì);否則,轍叉有害空間區(qū)域應(yīng)按淺槽設(shè)計(jì),使得最不利情況下,可通過(guò)淺槽設(shè)計(jì)抬高車輪,使其安全通過(guò)。

bp-fmax-WHSmax-(0.5×bRH)-((0.5×bRH)+WHZmax)/cosβ-bRF≥0

(1)

1.4 電務(wù)接口設(shè)計(jì)

現(xiàn)代有軌電車6號(hào)單開(kāi)道岔尖軌設(shè)一個(gè)牽引點(diǎn),尖軌尖端開(kāi)口值、動(dòng)程分別為68 mm和60 mm,見(jiàn)圖11。

圖11 工電接口示意圖

2 廠內(nèi)試制試鋪和現(xiàn)場(chǎng)使用效果

(1) 廠內(nèi)試鋪。為了驗(yàn)證60R2槽型鋼軌合金鋼道岔設(shè)計(jì)的合理性,特對(duì)首組道岔進(jìn)行了試制和試鋪。試制試鋪過(guò)程中通過(guò)對(duì)所有零件進(jìn)行廠內(nèi)組裝和工電聯(lián)調(diào),通過(guò)測(cè)試道岔各部位尺寸均能滿足設(shè)計(jì)要求和用戶需求。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)使用效果。現(xiàn)代有軌電車60R2槽型鋼軌6號(hào)合金鋼道岔于2020年6月正式在云南普者黑有軌電車示范線上道試運(yùn)營(yíng),道岔整體狀態(tài)良好。通過(guò)對(duì)道岔的上道檢測(cè),發(fā)現(xiàn)尖軌和轍叉采用合金鋼材質(zhì)后,極大地提升了道岔的整體耐磨性和服役壽命。彈性可彎尖軌跟端結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。另外,也可進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)轍器跟端結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,防止現(xiàn)有結(jié)構(gòu)由于跟端高強(qiáng)螺栓松動(dòng)或者斷裂造成掉道病害發(fā)生,后續(xù)將尖軌的固定端后移,通過(guò)設(shè)置大間隔鐵的方式,以提升跟端結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

基于現(xiàn)代有軌電車道岔實(shí)際運(yùn)用中存在的痛點(diǎn)問(wèn)題,本文提出了一種新型的有軌電車線路用60R2槽型鋼軌6號(hào)單開(kāi)道岔結(jié)構(gòu), 通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)與理論檢算方法分析了6號(hào)單開(kāi)新型道岔的平面線型、轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)及轍叉及護(hù)軌的結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性和養(yǎng)護(hù)維修的方便性。主要得出如下結(jié)論:

(1) 研發(fā)了國(guó)內(nèi)首組60R2槽型鋼軌6號(hào)單開(kāi)道岔,在槽型軌道岔引入“直+曲”組合尖軌線型,合金鋼尖軌首次采用彈性可彎結(jié)構(gòu),消除了跟端活接頭結(jié)構(gòu)的調(diào)道病害和道岔的不平順性。

(2) 采用合金鋼尖軌的跟端固定結(jié)構(gòu)能很好的限制了尖軌水平、垂直、縱向等方向的運(yùn)動(dòng)。

(3) 采用上下層焊接的深淺槽式合金鋼組合轍叉結(jié)構(gòu),延長(zhǎng)了轍叉服役壽命,提高了現(xiàn)代有軌電車側(cè)向通過(guò)交叉渡線的安全性。

(4) 對(duì)現(xiàn)代有軌電車6號(hào)槽型軌道岔尖軌強(qiáng)度及搬動(dòng)力進(jìn)行了理論計(jì)算,為后續(xù)類似產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了理論支撐。