張東風(fēng),蔣 昕,侯愛濱

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司軌道工程設(shè)計研究院,北京 100055)

1 概述

國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)方興未艾,建設(shè)規(guī)模不斷增大,近年來,各城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)不斷展開,城市軌道交通線路往郊區(qū)發(fā)展,市郊線設(shè)計速度一般高于市內(nèi)線路,因而對道岔直、側(cè)向通過速度和旅客舒適度有了新的要求。城市軌道交通行車密度越來越高,不斷要求提高折返能力。目前在城市軌道交通線路中,正線大多使用9號道岔[1],為更好地貫徹“以人為本”的精神,盡可能發(fā)揮城市軌道交通作為客運主要載體的作用,對于道岔號數(shù)的使用有加大的需求,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)展的一個趨勢。

隨著北京城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展,多條新建線路的陸續(xù)開建,由于受不同線路的速度及線位等因素限制,目前,北京城市軌道交通的道岔類型主要以9號系列道岔為主,已不能完全滿足各條新建線的使用要求,例如,15號線設(shè)計時速120 km,亦莊線宋家莊站受站前折返能力的限制,需采用12號單開道岔及交叉渡線等等。因此,迫切需要完善北京城市軌道交通用道岔的類型,提高列車的側(cè)向容許通過速度,降低列車通過時的沖擊振動,減小噪聲,減少現(xiàn)場的養(yǎng)護維修工作量,以滿足運量不斷增長的需要[2]。研發(fā)12號道岔能夠較好地滿足北京城市軌道交通軌道的運行工況需要,將縮短列車的折返時間,提高行車運行速度和對運量的儲備。

2 道岔平面設(shè)計

北京城市軌道交通12號道岔的平面設(shè)計經(jīng)過比選采用了目前國鐵既有線上使用最多、最為成熟的固定型提速60 kg/m鋼軌12號單開道岔(專線4249)的平面線型。

2.1 道岔平面主要尺寸

12號道岔的平面主要尺寸與專線4249《60 kg/m鋼軌12號單開道岔》(國鐵用)基本相同,主要尺寸見表1,其中,道岔采用單圓曲線平面線型,平面主要尺寸見圖1[3]。

表1 12號道岔的主要尺寸

圖1 12號道岔平面主要尺寸示意(單位：mm)

2.2 尖軌平面線型的確定

以前在設(shè)計曲線尖軌時,使用最多的是半切線型尖軌,它介于直線尖軌和切線型尖軌之間,即兼顧了切線型平順性好的特點，又能使尖軌尖端不太薄。所以在國鐵和城市軌道交通使用半切線型比較普遍[4]。

相離型曲線尖軌起源于1986年,經(jīng)過多年的實踐證明,這種線型對減輕尖軌的側(cè)磨極為有利,在列車軸重、運行速度、行車密度一定的條件下,尖軌耐磨性最好。選用相離型曲線尖軌,并采用適當(dāng)?shù)南嚯x,就會兼有彈性可彎曲線尖軌穩(wěn)定性好、可適用于跨區(qū)間無縫線路、養(yǎng)護維修工作量少、旅客舒適度高和直線尖軌耐磨性好的特點[8]。因此本設(shè)計采用相離型曲線尖軌，見圖2。

圖2 相離型曲線尖軌示意(單位：mm)

2.3 岔枕布置

(1)采用混凝土短軌枕,轉(zhuǎn)轍器部分的短軌枕垂直于直股鋼軌,轍叉部分的短軌枕垂直于角平分線,其余垂直于鋼軌。

(2)第一、二牽引點的岔枕間距為650 mm,短軌枕的設(shè)計寬度及溝槽深度應(yīng)滿足電務(wù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的安裝要求,同時考慮尖軌的自由伸縮。

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 道岔主要結(jié)構(gòu)特點

(1)道岔不設(shè)軌底坡,道岔兩端設(shè)順坡墊板過渡。

(2)尖軌采用60AT鋼軌制造。

(3)尖軌跟端為彈性可彎式,設(shè)置1個間隔鐵與基本軌連接。這里需要說明的是尖軌跟端的傳力結(jié)構(gòu),一種是設(shè)置間隔鐵,一種是設(shè)置限位器,根據(jù)國鐵提速道岔的使用經(jīng)驗,認(rèn)為設(shè)置間隔鐵使用效果要優(yōu)于限位器,故該道岔尖軌跟端設(shè)置了間隔鐵[5，9]。

(4)尖軌設(shè)置2個牽引點,設(shè)計動程分別為160、70 mm,在正常養(yǎng)護情況下,尖軌理論總扳動力不大于6 000 N[9]。

(5)固定轍叉采用高錳鋼整鑄式,可利用既有國鐵60 kg/m鋼軌12號單開道岔用轍叉。

(6)趾、跟端均采用接頭夾板固定聯(lián)結(jié),轍叉下設(shè)置墊板。

(7)護軌為分開式,采用50 kg/m鋼軌制造,護軌頂面高出基本軌頂面12 mm,護軌軌頭工作邊側(cè)面進行表面淬火[10]。

(8)采用無螺栓φ18 e型扣壓件扣壓(圖3)。這是由于北京城市軌道交通大部分線路使用的DTⅦ2型扣壓件也是無螺栓φ18e型扣壓件,考慮到該道岔主要用于新建城市軌道交通線路,為與線路扣件一致,方便現(xiàn)場備料,故該道岔采用了無螺栓φ18e型扣壓件。

圖3 無螺栓φ18e型扣壓件

(9)轉(zhuǎn)轍器基本軌和護軌基本軌內(nèi)側(cè)的扣壓均采用彈片扣壓[6]。且為防止鋼軌外翻,轉(zhuǎn)轍器基本軌外側(cè)部分設(shè)置了軌撐,以加強基本軌的穩(wěn)定性,同時又在軌撐中心位置增設(shè)了螺栓孔,防止軌撐縱向竄動(圖4)。

圖4 軌撐及彈片

(10)轉(zhuǎn)轍器設(shè)置輥輪滑床板, 可以顯著降低尖軌與滑床臺板的摩擦力,從而減小扳動力,減小尖軌后端不足位移[5](圖5)。需要說明的是這種輥輪滑床板相對高速道岔用輥輪滑床板結(jié)構(gòu)較為簡單,且為獨立安裝于兩岔枕之間,安裝、拆卸均較為方便,比較適合用于城市軌道交通線路。

圖5 輥輪滑床板

(11)轉(zhuǎn)轍器設(shè)置防跳限位裝置, 防止尖軌在斥離狀態(tài)下隨著列車的振動而跳動,確保行車安全[6，8](圖6)。這種防跳限位裝置在國鐵提速道岔上使用較多,技術(shù)成熟,使用效果良好。

圖6 防跳限位裝置

(12)鐵墊板與混凝土短軌枕的連接,仍采用M30螺釘,但在螺釘與鐵墊板間加設(shè)調(diào)距蓋板(材料為尼龍66),其主要作用一是緩沖鐵墊板與螺釘之間的相互作用,避免鐵墊板螺釘孔的磨損和變形,二是可以調(diào)整軌距,軌距的調(diào)整量為-4～+2 mm,以解決以前滑床板和護軌部分軌距難以調(diào)整的難題(圖7)。

圖7 調(diào)距蓋板

(13)鋼軌軌下和轍叉下設(shè)置12 mm厚橡膠墊板,墊板下設(shè)置12 mm厚橡膠墊板。這種雙層墊板的設(shè)置,能有效地減少車輛的振動、降低噪聲。

(14)軌距塊配置(表2)。

(15)調(diào)距蓋板配置(表3)。

3.2 混凝土短軌枕

混凝土短軌枕采用無擋肩岔枕,短軌枕內(nèi)預(yù)埋塑料套管與道岔鐵墊板連接。見圖8。本道岔用混凝土短軌枕共5種長度、38種規(guī)格。

表2 軌距塊配置

表3 調(diào)距蓋板配置

圖8 混凝土短軌枕斷面示意(單位：mm)

3.3 工電接口

(1)轉(zhuǎn)轍機安裝在基礎(chǔ)角鋼上。

(2)道岔采用分動外鎖閉裝置。

(3)尖軌設(shè)置2個牽引點,設(shè)計動程分別為160、70 mm。

(4)牽引點處岔枕間距為650 mm。

4 道岔設(shè)計創(chuàng)新點

(1)借鑒客運專線高速道岔設(shè)計技術(shù),轉(zhuǎn)轍器設(shè)置輥輪滑床板, 可以顯著降低尖軌與滑床臺板的摩擦力,從而減小扳動力,減小尖軌后端不足位移。

(2)轉(zhuǎn)轍器設(shè)置防跳限位裝置, 防止尖軌在斥離狀態(tài)下隨著列車的振動而跳動,確保行車安全。

(3)在鐵墊板上使用調(diào)距蓋板,方便現(xiàn)場對軌距的調(diào)整,尤其是轉(zhuǎn)轍器滑床板部分和護軌軌撐部分的軌距調(diào)整。

(4)借鑒客運專線高速道岔轉(zhuǎn)換裝置技術(shù),外鎖閉裝置在鎖閉框、鎖閉桿、鎖鉤之間設(shè)置導(dǎo)向、防跳動等機構(gòu),從而達到轉(zhuǎn)換靈活、可靠,避免卡阻現(xiàn)象。

(5)轉(zhuǎn)換安裝裝置中,表示桿接頭采用活絡(luò)接頭,較好的適應(yīng)過車引起的振動。螺栓基本采用防松螺栓,從而減少維護工作量。

5 下一步研究工作

由于此次12號道岔研發(fā)時間有限,周期較短,且許多新結(jié)構(gòu)還需要做試驗等因素,該道岔在許多方面仍然采用了既有技術(shù)。在以下3個主要方面提出優(yōu)化設(shè)計方案,有待以后進一步研究,優(yōu)化設(shè)計。

5.1 合金鋼拼裝轍叉

目前國內(nèi)城市軌道交通主要采用高錳鋼整鑄轍叉,其具有結(jié)構(gòu)簡單、整體性強的特點,可以滿足一般使用要求。不可否認(rèn)高錳鋼具有良好的沖擊韌性,經(jīng)初期磨耗后,硬度有較大提高,比較適合制造轍叉[7]。但正是由于高錳鋼初期硬度較低,需經(jīng)過列車的不斷輾壓來提高硬度,然而用在城市軌道交通領(lǐng)域,由于城市軌道交通列車軸重輕(一般軸重≤14 t),使高錳鋼轍叉硬度提高緩慢,造成高錳鋼轍叉初期磨耗較快。同時高錳鋼轍叉整體鑄造時,容易產(chǎn)生內(nèi)部鑄造缺陷,在列車頻繁的沖擊作用下,會逐漸產(chǎn)生裂紋并向外擴展。有相當(dāng)數(shù)量的高錳鋼轍叉,其絕大部分在沒有達到磨耗限度之前提前破損,便不得不提前下道,使高錳鋼的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮[7]。

隨著我國城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展,跨區(qū)間無縫線路成為當(dāng)今城市軌道交通發(fā)展的主流,這就要求道岔范圍內(nèi)和其相鄰的鋼軌接頭都焊接起來成為無縫道岔,然而由于高錳鋼的轍叉和高碳鋼的鋼軌現(xiàn)場難以相互焊接,而廠內(nèi)焊接造價較高,所以在跨區(qū)間無縫線路中使用高錳鋼整鑄轍叉成為技術(shù)障礙,而且由于高錳鋼整鑄轍叉使用壽命短,不宜在跨區(qū)間無縫線路上頻繁更換使用[7]。

為此根據(jù)城市軌道交通的特點,建議采用合金鋼叉心拼裝式轍叉。合金鋼叉心拼裝式轍叉是由合金鋼鍛造叉心、翼軌(一般采用U75V熱處理鋼軌制造),耐磨性提高、連心軌(普通鋼軌制造)及間隔鐵通過橫向高強螺栓組合而成為整體。該轍叉具有強度高、耐磨耗的特點,同時由于其翼軌與叉后連心軌均為普通鋼軌制造,可直接與線路鋼軌焊接。

合金鋼叉心拼裝式轍叉是新一代的轍叉結(jié)構(gòu),已廣泛應(yīng)用于國鐵。該轍叉使用壽命質(zhì)量保證≥200 Mt,約為高錳鋼整鑄轍叉使用壽命的2倍以上,但價格與高錳鋼轍叉相當(dāng),故合金鋼叉心拼裝式轍叉的性價比優(yōu)勢明顯,若推廣使用,將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。此外,由于合金鋼叉心拼裝式轍叉使用壽命的延長,將減少更換次數(shù),從而降低工務(wù)養(yǎng)護維修工作量。

5.2 轉(zhuǎn)轍器基本軌和護軌基本軌內(nèi)側(cè)的扣壓

借鑒客運專線高速道岔設(shè)計技術(shù), 轉(zhuǎn)轍器基本軌和護軌基本軌內(nèi)側(cè)的扣壓,采用彈性夾扣壓,基本軌外側(cè)不設(shè)軌撐[5，6]。采用彈性夾扣壓的優(yōu)點是扣壓力大,安裝和拆卸均較為方便(圖9),此彈性夾同樣可應(yīng)用于護軌墊板(圖10)。

圖9 轉(zhuǎn)轍器滑床板用彈性夾

圖10 轍叉護軌墊板用彈性夾

國鐵提速道岔在滑床板范圍的基本軌內(nèi)側(cè)普遍采用彈片扣壓,安裝和拆卸不便(此次設(shè)計的道岔仍采用彈片扣壓)。

但由于城市軌道交通用道岔均不設(shè)置軌底坡,且尖軌為60AT鋼軌,尖軌與基本軌高差為24 mm,較客專道岔(客專道岔設(shè)置1∶40軌底坡,且尖軌為60D40鋼軌,尖軌與基本軌高差為36 mm)小12 mm,故采用彈性夾扣壓需重新研究滑床板結(jié)構(gòu)形式,重新做試驗等等。

5.3 高錳鋼轍叉下設(shè)置高彈性墊板

由于固定型轍叉存在有害空間,列車車輪通過高錳鋼轍叉時必須克服這種垂直幾何不平順,引起車體的振動和搖擺[10]。當(dāng)車輪或轍叉磨耗時,更加劇這種狀況。為減輕沖擊振動,提高旅客乘座舒適度,延長轍叉使用壽命,可在高錳鋼轍叉下設(shè)置高彈性墊板(可借鑒高速道岔硫化墊板技術(shù),橡膠金屬一體化的彈性墊板,墊板靜剛度可以在20～60 kN/mm之間設(shè)定,該墊板具體型面尺寸及剛度均需要通過試驗來不斷優(yōu)化)。

6 結(jié)語

目前,研發(fā)的12號道岔已在北京城市軌道交通亦莊線宋家莊車站成功應(yīng)用,很好地解決了宋家莊站受站前折返能力限制的問題,亦莊線開通運營1年多時間,12號道岔使用情況良好。北京城市軌道交通12號道岔的設(shè)計研發(fā),較好地填補北京城市軌道交通道岔系列的空白,可為幾條設(shè)計時速≥100 km/h的新建線行車組織提供技術(shù)儲備,大大提升線路提速空間。隨著北京新建軌道交通線路速度提高、折返時間縮短的要求越來越普遍,12號道岔將會推廣使用,其應(yīng)用前景十分廣闊。

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