游鵬輝

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(yùn)量軌道交通將迎來新的發(fā)展機(jī)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(qiáng)、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(diǎn)，將會(huì)成為Ⅰ型和Ⅱ型大城市優(yōu)選的中低運(yùn)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(duì)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(yùn)營多條懸掛式單軌線路，道岔系統(tǒng)在單軌交通中的運(yùn)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(xué)線和杜塞爾多夫機(jī)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(hào)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(yàn)線，其中中唐空鐵試驗(yàn)線采用平移型道岔 ，中車青島四方試驗(yàn)線和中建開封試驗(yàn)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(yàn)線采用的是永磁回轉(zhuǎn)換梁型道岔 。

上述線路應(yīng)用的懸掛式單軌道岔均為單開式，該型式道岔僅能實(shí)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(yīng)用時(shí)會(huì)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(jìn)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(duì)控制及動(dòng)力系統(tǒng)要求不高，運(yùn)動(dòng)單一等優(yōu)點(diǎn)，在段場應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢，因此本文將針對(duì)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(dòng)的方式平行移動(dòng)不同道岔梁與軌道梁對(duì)接，從而實(shí)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(shí)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(biāo)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(biāo)

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(duì)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(jī)構(gòu)、4-驅(qū)動(dòng)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(jì)中考慮到運(yùn)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(jī)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(jìn)行應(yīng)力處理，隨后采用大型落地鏜銑床、水平鉆床進(jìn)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(shí)因受溫度影響產(chǎn)生的變形導(dǎo)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(shí)為保證車輛過岔時(shí)的平穩(wěn)性、舒適性，在連接處設(shè)計(jì)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(shí)齒形梁間連接裝置互相交錯(cuò)移動(dòng)，道岔平移到位后，齒形梁間連接裝置互相搭接，同時(shí)滿足道岔平移與車輛運(yùn)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(dòng)平移到位后，使其準(zhǔn)確對(duì)位并牢固鎖緊的裝置，主要部件安裝在與道岔梁對(duì)接的軌道梁上。其可靠性直接影響行車安全，因此對(duì)該裝置的功能要求為定位準(zhǔn)確、鎖定牢固，能克服車輛通過時(shí)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(hào)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，特定需求下也可采用手動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)。鎖定裝置由1-電動(dòng)推桿、2-推桿支架、3-鎖定銷軸、4-凸輪連桿機(jī)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(dòng)推桿采用耳軸安裝方式，該方式可以推動(dòng)鎖定銷軸做直線運(yùn)動(dòng)；凸輪安裝在鎖定銷軸上，鎖定銷軸通過凸輪驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水平齒形翻轉(zhuǎn)板及水平鎖銷的翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)道岔梁平移時(shí)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(dòng)及走行裝置

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

圖5 驅(qū)動(dòng)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(dǎo)向軌運(yùn)動(dòng)，以保證平移的準(zhǔn)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(dǎo)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(dòng)及走行裝置中的齒條、導(dǎo)向軌安裝在門式梁兩側(cè)及底部，門式梁底部對(duì)應(yīng)道岔梁的兩側(cè)安裝止擋裝置，以防止道岔平移時(shí)驅(qū)動(dòng)走行過量，從而提高平移安全性。

3.7 人梯及檢修平臺(tái)

為便于道岔各種機(jī)構(gòu)的維護(hù)、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(tái)，主要由爬梯、筒梯、檢修平臺(tái)、走行踏板、電控柜安裝平臺(tái)、支撐護(hù)欄及扶手等組成。人梯及檢修平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 人梯及檢修平臺(tái)結(jié)構(gòu)

4 道岔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

道岔控制系統(tǒng)可以按照信號(hào)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(hào)系統(tǒng)，同時(shí)具備安全聯(lián)鎖、運(yùn)行控制等功能。

4.1 控制系統(tǒng)的組成

控制裝置由驅(qū)動(dòng)配電柜、信號(hào)控制柜、鎖閉電機(jī)、平移電機(jī)、限位開關(guān)等設(shè)備組成。其中，驅(qū)動(dòng)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(hào)控制柜的驅(qū)動(dòng)命令，從而控制電機(jī)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)道岔平移轉(zhuǎn)轍。信號(hào)控制柜主要接收信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的目標(biāo)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(hào)系統(tǒng)，同時(shí)柜內(nèi)設(shè)有應(yīng)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(yīng)急控制方式。

（1）集中控制方式是由信號(hào)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(hào)系統(tǒng)的位置信息，并將指令與當(dāng)前道岔位置信息進(jìn)行比較，通過比對(duì)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(dòng)進(jìn)行解鎖、平移、鎖緊，最后，當(dāng)確認(rèn)平移到位后，向信號(hào)系統(tǒng)反饋位置信息，此時(shí)信號(hào)系統(tǒng)切斷指令信號(hào)，平移過程結(jié)束。

（2）現(xiàn)場控制方式是在信號(hào)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(dòng)道岔自動(dòng)平移?？刂葡到y(tǒng)確認(rèn)平移到位后，向信號(hào)系統(tǒng)反饋位置信息。

（3）應(yīng)急控制方式為當(dāng)?shù)啦沓霈F(xiàn)故障時(shí)，操控人員使用信號(hào)控制柜內(nèi)的應(yīng)急控制電路進(jìn)行道岔解鎖、平移、鎖閉。該控制方式是通過冗余的驅(qū)動(dòng)回路和獨(dú)立的應(yīng)急控制來實(shí)現(xiàn)的。

5 應(yīng)用分析

5.1 應(yīng)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(duì)道岔的數(shù)量需求最多，對(duì)多開道岔的需求最大。

5.2 方案對(duì)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(duì)使用單開、三開2 種道岔進(jìn)行段場工藝布置方案進(jìn)行對(duì)比，2 種方案的布置如圖9、圖10所示，主要指標(biāo)如表2所示。

表2 兩種方案的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

圖9 采用單開道岔時(shí)的段場工藝布置圖

圖10 采用三開道岔時(shí)的段場工藝布置圖

通過對(duì)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(duì)單開平移型道岔更適合在段場中進(jìn)行應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)帶來的有益效果更加明顯。

6 結(jié)語

本文對(duì)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(dòng)及走行裝置、人梯及檢修平臺(tái)門式梁等的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保障了懸掛式單軌三開平移道岔的結(jié)構(gòu)完整性，同時(shí)基于懸掛式單軌三開平移道岔的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)了道岔的控制系統(tǒng)，實(shí)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(dòng)力系統(tǒng)要求低、線型平順度高、轉(zhuǎn)轍方向更多等優(yōu)點(diǎn)，相較現(xiàn)有的單開道岔，其在段場應(yīng)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。