王國(guó)術(shù)

(中鐵十四局集團(tuán) 第五工程有限公司，山東 濟(jì)寧 272100)

國(guó)內(nèi)城市軌道交通建設(shè)方興未艾，各城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)不斷展開。城市軌道交通線路向郊區(qū)發(fā)展，市郊線路設(shè)計(jì)速度一般高于市內(nèi)線路，因而對(duì)道岔直、側(cè)向通過速度和旅客舒適度有了新要求。城市軌道交通行車密度越來越高，要求不斷提高折返能力。目前城市軌道交通的道岔類型主要以3號(hào)、6號(hào)小號(hào)碼[2]系列道岔為主，已不能滿足新建線路的使用要求。為盡可能發(fā)揮城市軌道交通作為客運(yùn)主要載體的作用，有必要加大道岔號(hào)數(shù)以提高道岔的直、側(cè)向通過速度。這已成為城市軌道交通發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)[1]。

新研制的12號(hào)對(duì)稱道岔應(yīng)用在城市軌道交通中，能夠縮短道岔區(qū)段長(zhǎng)度，減少地下開挖面積，有效地降低土建工程造價(jià)[3]，提高列車的側(cè)向容許通過速度。60 kg/m鋼軌12號(hào)對(duì)稱道岔開始在城市軌道交通線路實(shí)際工程中應(yīng)用，使用效果良好。

1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則

①軌距1 435 mm。

②道岔不設(shè)軌底坡，道岔兩端設(shè)順坡墊板過渡。

③尖軌采用60AT鋼軌制造，護(hù)軌為UIC33槽形軌，護(hù)軌頂面高出基本軌頂面12 mm。

④采用接頭夾板固定聯(lián)結(jié)。

⑤轍叉采用合金鋼轍叉。

⑥道岔區(qū)采用Ⅲ型彈條扣件(鐵座采用國(guó)鐵Ⅲ型鐵座，彈條采用國(guó)鐵專線3328-3型)。這是由于沈陽軌道交通線路使用Ⅲ型彈條扣件。為與線路扣件一致，方便現(xiàn)場(chǎng)備料，故該道岔采用了Ⅲ型彈條扣件。

⑦軌距塊設(shè)計(jì)安裝號(hào)數(shù)：非工作邊安裝9號(hào)軌距塊；工作邊安裝11號(hào)軌距塊；鋼軌接頭處安裝接頭軌距塊。

⑧鋼軌軌下及轍叉下設(shè)置5 mm厚橡膠墊板，墊板下設(shè)置10 mm厚橡膠墊板。這種雙層墊板的設(shè)置，能有效減少車輛的振動(dòng)，降低噪聲。

2 道岔的平面設(shè)計(jì)

2.1 道岔的平面線型設(shè)計(jì)

道岔的平面線型包括4種類型：?jiǎn)螆A型、復(fù)圓型、圓緩型和緩圓緩型[4-5]。鐵路所使用側(cè)向容許通過速度較低的道岔一般選用半徑較小的單圓曲線型。結(jié)合國(guó)內(nèi)常用單開道岔的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于新研制的12號(hào)對(duì)稱道岔，由于側(cè)向容許通過速度僅為60 km/h，在這里采用單圓曲線的平面線型。

2.2 尖軌平面線型的確定

常見的尖軌平面型式為直線型尖軌和曲線型尖軌。比較兩者，曲線型尖軌單開道岔具有導(dǎo)曲線半徑顯著增大、道岔全長(zhǎng)顯著縮短、車輪對(duì)尖軌的沖擊較小、可使尖軌使用壽命加長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，故推薦采用曲線型尖軌。

曲線尖軌分為切線型、半切線型、割線型及相離型[6]。其中切線型、割線型尖軌尖端較薄，12號(hào)曲線尖軌采用半切線型。該對(duì)稱道岔用于折返線，使用頻繁，順向出岔較多時(shí)尖軌的磨耗較為嚴(yán)重。根據(jù)提速以來國(guó)鐵12號(hào)道岔的使用經(jīng)驗(yàn)，采用相離型曲線尖軌對(duì)減輕曲尖軌的磨耗較為有利，能夠顯著延長(zhǎng)尖軌的使用壽命，同時(shí)該線型也可以減小尖軌的沖擊角，因此采用相離半切線型曲線尖軌。

2.3 道岔平面主要尺寸

該道岔主要尺寸：道岔全長(zhǎng)L=37 907 mm；道岔前端長(zhǎng)度a=16 838 mm；道岔后端長(zhǎng)度b=21 069 mm；尖軌尖端前基本軌長(zhǎng)度q=4 395 mm；尖軌長(zhǎng)度l0=12 400 mm；導(dǎo)曲線半徑R=700 m；轍叉趾距n=2 192 mm。

道岔設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 60 kg/m 12號(hào)對(duì)稱道岔設(shè)計(jì)(單位：mm)

2.4 牽引點(diǎn)的布置

為保證基尖軌密貼及線型的穩(wěn)定性，尖軌設(shè)置2個(gè)牽引點(diǎn)，拉桿中心距尖軌尖端430 mm。第1牽引點(diǎn)設(shè)計(jì)動(dòng)程為90 mm，第2牽引點(diǎn)設(shè)計(jì)動(dòng)程為48 mm。尖軌牽引點(diǎn)設(shè)計(jì)要充分考慮牽引點(diǎn)間密貼及牽引點(diǎn)后不足位移因素，在尖軌薄弱斷面牽引點(diǎn)距離為 4 200 mm。

2.5 岔枕布置

1)采用無擋肩混凝土短岔枕，轉(zhuǎn)轍器及轍叉部分垂直轍叉角平分線，其余均垂直于鋼軌。

2)岔枕間距按600 mm模數(shù)進(jìn)行布置，局部位置作了調(diào)整，在第1、第2牽引點(diǎn)的岔枕間距為690 mm，短軌枕的設(shè)計(jì)寬度應(yīng)滿足電務(wù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的安裝要求。

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)轍器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①尖軌采用60AT彈性可彎式尖軌。

②跟端軋制成60 kg/m鋼軌斷面形式，過渡段長(zhǎng)度為150 mm，成型段長(zhǎng)度為450 mm。

③尖軌前端按藏尖式設(shè)計(jì)，藏尖厚度為3 mm，尖軌藏尖補(bǔ)充刨切長(zhǎng)度為120 mm。尖軌前端的藏尖結(jié)構(gòu)(見圖2)既減少尖軌尖端沖擊角，又明顯增加尖軌前端厚度，增加耐磨性。

圖2 尖軌藏尖結(jié)構(gòu)(單位：mm)

④尖軌尖端降低值既要滿足鋼軌及輪緣發(fā)生最大垂直磨耗時(shí)不會(huì)軋傷尖軌尖端，又要防止尖軌與基本軌偶有不密貼時(shí)車輪爬上尖軌。

為合理設(shè)置輪載轉(zhuǎn)移及運(yùn)行平順性，對(duì)頂面降低值應(yīng)給予控制，采用如下尖軌頂面縱坡設(shè)計(jì)：0,20,40 mm 斷面處降低值分別采用23,3,0 mm，如圖3所示。

圖3 尖軌頂面縱坡(單位：mm)

⑤尖軌工作邊和非工作邊斜度均為1∶4；基尖軌密貼區(qū)段的斜面貼合配合藏尖結(jié)構(gòu)，能夠提高列車逆向運(yùn)行的安全性，加強(qiáng)尖軌尖端附近區(qū)域的穩(wěn)定性。

⑥尖軌設(shè)置2個(gè)牽引點(diǎn)，第1牽引點(diǎn)設(shè)計(jì)動(dòng)程為90 mm，第2牽引點(diǎn)設(shè)計(jì)動(dòng)程為48 mm。

⑦在尖軌軌頭水平刨切之后基本軌軌腰上設(shè)置頂鐵，起保持尖軌支距的作用，并使基本軌與尖軌共同承受水平力。

⑧尖軌跟端采用彈性可彎式，對(duì)工作邊軌底進(jìn)行刨切，降低尖軌理論彎折點(diǎn)區(qū)域的橫向剛度，從而減小扳動(dòng)力。為了防止尖軌爬行及更好地傳遞溫度力，跟端采用間隔鐵型式。由于該道岔軌下基礎(chǔ)是整體道床結(jié)構(gòu)，在間隔鐵兩側(cè)及尖軌與導(dǎo)軌連接的接頭夾板范圍設(shè)置安裝箱，便于螺栓拆卸，達(dá)到尖軌易更換的目的。尖軌跟端結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 尖軌跟端結(jié)構(gòu)

圖5 合金鋼組合轍叉

3.2 固定型合金鋼轍叉

采用合金鋼組合轍叉，如圖5所示。合金鋼鍛造心軌組合轍叉是針對(duì)整鑄式高錳鋼轍叉在使用中失效的主要形態(tài)為裂紋、剝離掉塊和壽命散度大的情況而研制的，在國(guó)內(nèi)廣泛使用。合金鋼叉心拼裝式轍叉是由合金鋼鍛造叉心、翼軌、叉跟軌以及間隔鐵通過橫向高強(qiáng)度螺栓組合而成為整體。該轍叉具有強(qiáng)度高、耐磨耗的特點(diǎn)，同時(shí)由于其翼軌與叉跟軌均由普通鋼軌制造，可直接與線路鋼軌連接。

轍叉全長(zhǎng) 5 992 mm，趾端長(zhǎng)度 2 192 mm，跟端長(zhǎng)度 3 800 mm。心軌為鍛造合金鋼叉心，與叉跟軌拼接。翼軌為標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌。叉跟軌為標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌。

4 列車通過道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性分析

采用多體動(dòng)力學(xué)理論，建立有軌電車-道岔動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算有軌電車通過12號(hào)對(duì)稱道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，分析道岔動(dòng)力學(xué)特性。動(dòng)力學(xué)模型的建立方法參見文獻(xiàn)[7]。

有軌電車以速度60 km/h逆向通過60 kg/m 12號(hào)對(duì)稱道岔時(shí)，輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、減載率、輪軸橫向力和車體橫向加速度時(shí)程曲線如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)50 m處為尖軌尖端，80 m處為心軌尖端。由圖可見：有軌電車進(jìn)入道岔區(qū)后，在0.382°轉(zhuǎn)轍角作用下形成輪軌橫向沖擊荷載，輪軌橫向力達(dá)到40 kN。轍叉區(qū)存在有害空間，輪載在心軌與翼軌間過渡時(shí)形成明顯的輪軌沖擊荷載，輪軌垂向力峰值達(dá)到122.7 kN，為靜輪載的2倍。輪軸橫向力峰值為67 kN，減載率、脫軌系數(shù)的峰值分別達(dá)到0.61,0.62，安全性指標(biāo)均小于限值要求。在未平衡超高作用下，車體橫向加速度最大值為0.42 m/s2，屬于合格等級(jí)。因此，上述道岔區(qū)各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均滿足運(yùn)營(yíng)要求。

圖6 有軌電車以速度60 km/h逆向通過60 kg/m 12號(hào)對(duì)稱道岔時(shí)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)時(shí)程曲線

5 結(jié)語

軌道交通用60 kg/m鋼軌12號(hào)對(duì)稱道岔設(shè)計(jì)，在縮短道岔區(qū)段長(zhǎng)度，減少地下開挖面積，降低土建工程造價(jià)，提高列車的側(cè)向容許通過速度和對(duì)運(yùn)量的儲(chǔ)備等方面進(jìn)行了改進(jìn)。目前60 kg/m鋼軌12號(hào)對(duì)稱道岔已經(jīng)在沈陽有軌電車2號(hào)線運(yùn)營(yíng)，根據(jù)用戶信息反饋，對(duì)稱道岔運(yùn)行正常，尚未發(fā)生因道岔本身結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的故障。

60 kg/m鋼軌12號(hào)對(duì)稱道岔的設(shè)計(jì)研發(fā)，較好地填補(bǔ)城市軌道交通道岔系列的空白，可為新建線行車組織提供技術(shù)儲(chǔ)備。本道岔的平面型式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)揮了曲線尖軌道岔的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，在城市軌道交通工程中應(yīng)用前景廣闊。

[1]張東風(fēng)，蔣昕，侯愛濱，等.北京城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號(hào)單開道岔的設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2012,50(9):30-33.

[2]陳漫，劉成，王平.有軌電車6號(hào)道岔尖軌轉(zhuǎn)換有限元分析[J].鐵道建筑，2017,57(1):135-137.

[3]唐志堅(jiān),馮毅,雷潔，等.駝峰站場(chǎng)用對(duì)稱道岔的設(shè)計(jì)改進(jìn)與應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2006,50(5):19-20.

[4]趙衛(wèi)華,王平,曹洋.基于輪軌動(dòng)力學(xué)的緩和曲線型道岔平面線型設(shè)計(jì)[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,12(5): 999-1002.

[5]王樹國(guó),葛晶,孫家林.高速鐵路道岔平面設(shè)計(jì)參數(shù)與側(cè)線線型的研究[J].鐵道建筑,2014,54(1):91-94.

[6]許有全.客運(yùn)專線60-18號(hào)道岔設(shè)計(jì)方法的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2006.

[7]王樹國(guó),司道林,王猛,等.高速鐵路道岔尖軌降低值對(duì)行車平穩(wěn)性的影響機(jī)理研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2014,35(3):28-33.