新制式軌道交通的幾種典型道岔分析與研究

摘" 要：我國擁有近百座規(guī)模不同、發(fā)展相異的大中型城市，各類城市形成對軌道交通建設(shè)的多元化需求，新制式軌道交通是對地鐵等傳統(tǒng)軌道交通的有益補(bǔ)充。道岔作為軌道交通的關(guān)鍵技術(shù)，對其開展全方位、多角度道岔的研究勢在必行，對此針對跨座式單軌關(guān)節(jié)型道岔、中低速磁浮單開道岔、高速磁浮道岔的機(jī)構(gòu)組成、轉(zhuǎn)轍原理、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)形式等進(jìn)行分析研究，提出跨座式單軌道岔、中低速磁浮道岔等的研究優(yōu)化方向，結(jié)合新制式軌道交通發(fā)展形式，提出未來新制式軌道交通道岔開發(fā)重點(diǎn)關(guān)注方向。

關(guān)鍵詞：新制式;軌道交通;道岔;機(jī)理;關(guān)鍵結(jié)構(gòu);關(guān)注方向

中圖分類號：U232" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0080-05

Abstract： Our country has nearly 100 large and medium-sized cities of different sizes and different development. Various cities have formed diversified needs for rail transit construction. New rail transit is a useful supplement to traditional rail transit such as subways. Turnouts are key technologies for rail transit. It is imperative to carry out research on all-round and multi-angle turnouts. In this regard， the institutional composition， switching principles， key structural forms were analyzed and studied， and the research and optimization directions for straddle monorail turnouts， medium and low speed maglev turnouts， etc. were proposed. Combined with the development form of new system rail transit， the key directions for the development of new system rail transit turnouts in the future were proposed.

Keywords： new system; rail transit; turnout; mechanism; key structures; direction of concern

軌道交通是一個(gè)關(guān)系到城市可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)工程和民生工程，優(yōu)先發(fā)展軌道交通，引導(dǎo)城市科學(xué)發(fā)展，對緩解交通擁堵、優(yōu)化城市布局、引領(lǐng)城市空間拓展和功能完善、提升城市品質(zhì)意義重大[1-4]。城市軌道交通按照系統(tǒng)制式劃分為地鐵系統(tǒng)、市域快軌系統(tǒng)、輕軌系統(tǒng)、中低速磁浮交通系統(tǒng)、跨座式單軌系統(tǒng)、懸掛式單軌系統(tǒng)、自導(dǎo)向軌道系統(tǒng)、有軌電車系統(tǒng)、導(dǎo)軌式膠輪系統(tǒng)和電子導(dǎo)向膠輪系統(tǒng)。按照軌道形式分為雙軌和單軌，對于傳統(tǒng)鐵路、現(xiàn)代地鐵輕軌和有軌電車系統(tǒng)都采用雙軌，對于跨座式單軌，懸掛式單軌，高速、中低速磁浮這些新制式軌道交通都采用單軌[5]。

在軌道交通運(yùn)營中，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)線、折返、避讓、調(diào)度、停放、搶修和洗刷等換線需要均需借助道岔進(jìn)行。因此，在軌道交通系統(tǒng)中道岔作為其關(guān)鍵技術(shù)之一，對軌道交通技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步起著舉足輕重的作用。對于雙軌鐵路，道岔只移動尖軌和心軌，基本軌保持不動，道岔僅靠標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)轍機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)道岔尖軌或心軌驅(qū)動和鎖定，結(jié)構(gòu)動作簡單。但對于單軌系統(tǒng)，特別是跨座式單軌、高速、中低速磁浮等這些新制式軌道交通系統(tǒng)的道岔轉(zhuǎn)轍原理較為復(fù)雜，道岔設(shè)備體量也很龐大，是通過移動整體軌道實(shí)現(xiàn)道岔功能的。對此結(jié)合跨座式單軌、高中低速磁浮系統(tǒng)中幾種典型道岔的原理、結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行綜合對比分析，并結(jié)合道岔實(shí)際使用過程中存在的常見問題進(jìn)行分析比較，提出更加合理的道岔結(jié)構(gòu)形式建議，供相關(guān)研究者參考使用。

1" 跨座式單軌道岔機(jī)理及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究

1.1" 跨座式單軌單開道岔機(jī)構(gòu)原理分析

關(guān)節(jié)型單開道岔機(jī)構(gòu)原理類似于一種簡單的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示，道岔由4節(jié)梁（機(jī)構(gòu)為L1—L4）鉸接組成，通過4組曲柄（機(jī)構(gòu)為L5—L8）驅(qū)動梁旋轉(zhuǎn)并移動不動距離實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍。最終線形曲柄與梁體之間采用滑塊（滑塊機(jī)構(gòu)為L9—L12）連接。梁體之間鉸接鏈為A、B、C、D，其中鉸接鏈A為與機(jī)架相連接的鉸接鏈;曲柄鉸接鏈為E、F、G、H，這4個(gè)鉸接鏈皆與機(jī)架連接;曲柄與滑塊之間的鉸接鏈為M、N、P、Q;梁體與滑塊之間為滑動副為I、J、K、L，在這些運(yùn)動副中A—Q為12個(gè)轉(zhuǎn)動副，I、J、K、L為4個(gè)移動副，皆為平面運(yùn)動低副，因此該單開道岔機(jī)構(gòu)中共計(jì)有12個(gè)活動構(gòu)件，16個(gè)運(yùn)動副，自由度計(jì)算如下[6]：

F=3×12-2×16=4。

結(jié)合道岔驅(qū)動原理，共計(jì)有4個(gè)曲柄動力組件，曲柄均以ω的角速度作為動力源進(jìn)行同向旋轉(zhuǎn)，這4個(gè)曲柄動力源數(shù)量等于自由度，該機(jī)構(gòu)自由度唯一，機(jī)構(gòu)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2" 跨座式單軌五開道岔機(jī)構(gòu)原理分析

關(guān)節(jié)型五開道岔機(jī)構(gòu)原理與單開道岔不同，如圖2所示，道岔是由5節(jié)梁（機(jī)構(gòu)為L1—L5）鉸接組成，曲柄一端（機(jī)構(gòu)為L6—L10）與梁體鉸接，曲柄另一端設(shè)置滑塊，滑塊在機(jī)架上進(jìn)行滑動，從而驅(qū)動梁旋轉(zhuǎn)并移動不動距離實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍。曲柄與梁體之間采用滑滑塊（滑塊機(jī)構(gòu)為L11—L15）連接。梁體之間鉸接鏈為A、B、C、D、E，其中鉸接鏈A為與機(jī)架相連接的鉸接鏈;曲柄鉸接鏈為F、G、H、I、J，這5個(gè)鉸接鏈均與梁體連接;曲柄與滑塊之間的鉸接鏈為K、L、M、N、O;滑塊與機(jī)架之間為滑動副為P、Q、R、S、T，在這些運(yùn)動副中A—O為15個(gè)轉(zhuǎn)動副，P、Q、R、S、T為5個(gè)移動副，皆為平面運(yùn)動低副，因此該單開道岔機(jī)構(gòu)中共計(jì)有15個(gè)（L1—L15）活動構(gòu)件，20個(gè)運(yùn)動副，自由度計(jì)算如下：

F=3×15-2×20=5。

結(jié)合道岔驅(qū)動原理，共計(jì)有5個(gè)曲柄動力組件，曲柄均以ω的角速度作為動力源進(jìn)行同向旋轉(zhuǎn)，這5個(gè)曲柄動力源數(shù)量等于自由度，該機(jī)構(gòu)自由度唯一，機(jī)構(gòu)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3" 跨座式單軌道岔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析研究

跨座式走行、導(dǎo)向采用的是輪軌形式，梁體頂面為走行面，側(cè)面上部為導(dǎo)向面，下部為穩(wěn)定，梁體寬度尺寸較小。關(guān)節(jié)型道岔是由數(shù)節(jié)鋼制箱形軌道梁鉸接組成，走行臺車支撐，電機(jī)減速器驅(qū)動曲柄旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍，轉(zhuǎn)轍后軌道梁呈折線狀[7-10]。梁體之間連接軸采用“十”字軸鉸接結(jié)構(gòu)或者“T”型軸構(gòu)，梁體下部采用臺車支撐走行，如圖3（a）所示，道岔梁體之間采用搭接形式，用鉸軸進(jìn)行連接僅釋放了道岔梁體的Z向、Y向旋轉(zhuǎn)自由度，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)梁體可靠連接。道岔梁體在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍過程中，梁體之間需一定的轉(zhuǎn)轍空間，這種空間的存在不滿足車輛的通過性，因此在梁體之間設(shè)置了指形板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)滿足了梁體轉(zhuǎn)動需要，彌補(bǔ)了梁體之間的縫隙空間，保證了車輪走行踏面的連續(xù)性，同時(shí)當(dāng)?shù)啦硖幱趥?cè)線位折線狀態(tài)時(shí)也實(shí)現(xiàn)了梁體之間的補(bǔ)償過渡功能。每節(jié)梁體梁端分別有支撐臺車，保證了道岔梁體的移動功能，同時(shí)也限制了梁體Y向旋轉(zhuǎn)。

跨座式單軌道岔采用了曲柄導(dǎo)槽的驅(qū)動結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式在運(yùn)動學(xué)理論上自帶加減速功能，這種功能致使道岔控制系統(tǒng)較為簡單，不用刻意使用變頻控制技術(shù)來控制電動機(jī)。對于單開道岔在梁體下部設(shè)置驅(qū)動導(dǎo)槽，驅(qū)動導(dǎo)輪在導(dǎo)槽內(nèi)設(shè)置，驅(qū)動曲柄在減速器的帶動下驅(qū)使曲柄旋轉(zhuǎn)從而帶動導(dǎo)輪撥動導(dǎo)槽與梁體一起移動，如圖3（b）所示。對于五開道岔，如圖3（c）所示，減速器、驅(qū)動曲柄安裝在道岔梁體上，驅(qū)動導(dǎo)槽安裝在地面上，減速器驅(qū)動曲柄回轉(zhuǎn)曲柄導(dǎo)輪導(dǎo)槽內(nèi)滾動，從而撥動道岔梁體與驅(qū)動結(jié)構(gòu)體一起移動。

2" 中低速磁浮道岔機(jī)理及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究

2.1" 中低速磁浮單開道岔機(jī)構(gòu)原理分析

中低速磁浮單開道岔運(yùn)行原理機(jī)構(gòu)相對關(guān)節(jié)型道岔較為簡單，如圖4所示，道岔是由3節(jié)梁（L1、L2、L3）組成，梁體之間采用搭接形式，即梁體之間由滑塊機(jī)構(gòu)（L5、L6）連接，每節(jié)梁端與機(jī)架進(jìn)行鉸接，鉸接點(diǎn)為A、B、C;在最后一節(jié)梁體上設(shè)置一組曲柄（L4）滑塊機(jī)構(gòu)（L7）驅(qū)動梁體L3動作，從而帶動梁體L1、L2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍，曲柄與機(jī)架鉸接點(diǎn)為D，梁體與滑塊機(jī)構(gòu)之間采用鉸接，鉸接點(diǎn)為H、I、J，滑塊與梁體之間滑動運(yùn)動副為E、F、G。在這些運(yùn)動副中A、B、C、D、H、I、J為7個(gè)轉(zhuǎn)動副，E、F、G為3個(gè)移動副，皆為平面運(yùn)動低副，因此該機(jī)構(gòu)中共計(jì)有7個(gè)活動構(gòu)件，10個(gè)運(yùn)動副，自由度計(jì)算如下：

F=3×7-2×10=1。

結(jié)合道岔驅(qū)動原理，共計(jì)有1個(gè)曲柄動力組件，曲柄以ω的角速度作為動力源進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，曲柄動力源數(shù)量等于自由度，該機(jī)構(gòu)自由度唯一，機(jī)構(gòu)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2" 中低速磁浮道岔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

中低速磁浮交通采用直線異步電機(jī)驅(qū)動，定子設(shè)在車輛上的常導(dǎo)磁浮軌道交通，通過常導(dǎo)電磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)懸浮導(dǎo)向，通過直線感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)行走。中低速磁浮道岔采用了節(jié)段式梁體結(jié)構(gòu)，走行臺車支撐，電機(jī)減速器驅(qū)動曲柄旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍，轉(zhuǎn)轍后軌道梁呈折線狀[11-13]。梁體之間連接采用滑塊鉸接結(jié)構(gòu)，梁體下部采用臺車支撐走行，如圖5所示，由于中低速磁浮梁體寬度尺寸較大，在梁體互相連接的中間設(shè)置拔叉鉸軸結(jié)構(gòu)，僅用于限制梁體之間的Y向移動，梁體兩側(cè)設(shè)置用于實(shí)現(xiàn)梁體旋轉(zhuǎn)滑動的滑塊結(jié)構(gòu)，該裝置限制梁體的Z向移動和Y向旋轉(zhuǎn)，每根梁始端的回轉(zhuǎn)裝置限制了梁體的X向移動，臺車支撐，實(shí)現(xiàn)了梁體的移動，保證了梁體的穩(wěn)定性。

3" 高速磁浮道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)理及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)研究

3.1" 高速磁浮單開道岔轉(zhuǎn)轍原理分析

高速磁浮采用了一種超靜定結(jié)構(gòu)原理，將梁體作為柔性構(gòu)件，在多點(diǎn)驅(qū)動力作用下驅(qū)使其發(fā)生彈性變形實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍。如圖6所示，在道岔梁體A、B、C、D位置處施加可移動的驅(qū)動力，其中驅(qū)動力F0=F1，F(xiàn)2=F3。A—B梁段道岔梁體側(cè)向線形為緩和曲線，B—C梁段道岔梁體側(cè)向線形為圓曲線，C—D梁段道岔梁體側(cè)向線形為緩和曲線，這種曲線組合保證線形幾何連續(xù)性，是線路設(shè)計(jì)的優(yōu)選。

3.2" 高速磁浮道岔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

高速磁浮是將道岔梁主梁體作為一根柔性構(gòu)件，由主梁體的彈性變形實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍，在主梁體的外側(cè)實(shí)現(xiàn)車輛懸浮導(dǎo)向的功能區(qū)采用剛性的構(gòu)件，即功能件“以直代曲”形式布置[14-15]，為控制功能件之間夾角，功能件的長度尺寸盡可能小，如圖7所示，這樣可以提高車輛過岔舒適性，減小道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)的彎曲應(yīng)力和驅(qū)動力。

4" 優(yōu)化研究及思考

綜合上述道岔實(shí)現(xiàn)機(jī)理研究分析，道岔實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍有多種機(jī)構(gòu)形式可以實(shí)現(xiàn)，但針對每種機(jī)構(gòu)形式選取和設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮車軌關(guān)系、車輛過岔能力和需求、道岔梁體結(jié)構(gòu)形式、線路布置等。道岔作為軌道交通關(guān)鍵設(shè)備，對車輛能否正點(diǎn)運(yùn)行起著決定性的作用，因此，結(jié)合幾種典型道岔原理、結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)用情況，道岔在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量簡單、耐用。具體來說，梁體結(jié)構(gòu)形式由車軌關(guān)系決定，但道岔結(jié)構(gòu)原理、驅(qū)動和鎖定形式、控制系統(tǒng)等由道岔自身設(shè)計(jì)決定。

道岔結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)遵循線路轉(zhuǎn)轍需求、車輛過岔速度、車軌關(guān)系等諸多條件，對于跨座式單軌、中低速磁浮、高速磁浮等道岔其需求各有側(cè)重和要求，具體見表1。

例如，對于關(guān)節(jié)型道岔單開道岔可優(yōu)化其驅(qū)動結(jié)構(gòu)形式，減小驅(qū)動動力源，提高可靠性，對于中低速磁浮道岔可從道岔運(yùn)行上省略驅(qū)動減速器，采用推桿動力結(jié)構(gòu)，控制上采用變頻結(jié)構(gòu)控制運(yùn)行加減速。具體如圖8（a）所示， 跨座式單軌關(guān)節(jié)型單開道岔可通過機(jī)構(gòu)運(yùn)行的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并結(jié)合使用特性和結(jié)構(gòu)要求，轉(zhuǎn)化道岔運(yùn)動副設(shè)置形式，改變運(yùn)動原理，簡化后道岔由9個(gè)機(jī)構(gòu)（L1—L9），13個(gè)運(yùn)動副（A—M）組成，自由度為F=3×9-2×13=1。減少動力源布置，像前文所說道岔共計(jì)有4個(gè)曲柄動力組件，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可減小動力源組件，優(yōu)化成1個(gè)驅(qū)動動力源，簡化道岔結(jié)構(gòu)形式，提高可靠性，減小道岔實(shí)際成本。對于中低速磁浮道岔可進(jìn)一步優(yōu)化動力源結(jié)構(gòu)形式，采用推桿機(jī)構(gòu)（L4）直接推動道岔梁體，避免了采用結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜的驅(qū)動減速器，如圖8（b）所示。

5" 結(jié)論

目前，跨座式單軌關(guān)節(jié)型道岔在重慶實(shí)現(xiàn)了批量化的應(yīng)用，中低速磁浮道岔在北京和長沙實(shí)現(xiàn)了批量化應(yīng)用，應(yīng)用效果良好，保證了車輛穩(wěn)定可靠運(yùn)行。筆者通過對幾種新制式軌道交通道岔的分析，揭示了道岔在設(shè)計(jì)上所采用的基本原理和方法，并重點(diǎn)分析了不同車軌關(guān)系要求下道岔的結(jié)構(gòu)形式，提出了道岔的優(yōu)化思路和建議，供研究者進(jìn)行參考借鑒。伴隨著新制式軌道交通的快速發(fā)展，高可靠性、安全性、低成本成為軌道交通發(fā)展的重要需求。因此，在道岔設(shè)計(jì)上考慮技術(shù)可靠性的同時(shí)還需考慮成本及維護(hù)便利性，進(jìn)一步推動道岔的高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡介： 余鋒（1985-），男，高級工程師。研究方向?yàn)樾轮剖杰壍澜煌ㄑb備。