魏笑楠

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司， 河北秦皇島 066205)

青島現(xiàn)代有軌電車梳子型道岔技術(shù)

魏笑楠

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司， 河北秦皇島 066205)

青島現(xiàn)代有軌電車梳子型道岔是國內(nèi)首創(chuàng)，其道岔布置形式、線型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為新穎。線型布置打破常規(guī)道岔布置形式，相鄰分支線路道岔中心的距離小于相同號數(shù)道岔的全長；道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性，由1個(gè)普通雙尖軌轉(zhuǎn)轍器、多個(gè)單尖軌轉(zhuǎn)轍器、多個(gè)復(fù)合型轍叉、1個(gè)雙曲線轍叉組成。為今后現(xiàn)代有軌電車道岔設(shè)計(jì)提供了新方向、新思路，也可供站場道岔布置參考。

軌道交通； 現(xiàn)代有軌電車； 梳子型道岔

1 概述

梳子型道岔來源于國外，是用于車輛在車輛段內(nèi)進(jìn)出各條停車線的一種特殊道岔形式，是一種新型的有效率的專有技術(shù)道岔，青島現(xiàn)代有軌電車梳子型道岔為國內(nèi)首創(chuàng)，該道岔是將一直股軌道和若干曲股軌道密集組合的道岔。從國外的一些資料顯示，該形式的道岔對車輛段的效率帶來巨大的提升，站場越大，效果越明顯，主要表現(xiàn)在土地使用面積和建設(shè)費(fèi)用大幅度降低。

2 道岔的平面設(shè)計(jì)

2.1 道岔的設(shè)計(jì)原則及參數(shù)

本道岔基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)如下：

軸重12.5 t；軌距1 435 mm；曲線半徑R=25 m；道岔允許通過速度，直向≤25 km/h，側(cè)向≤10 km/h；轍叉采用高錳鋼整鑄轍叉；軌下基礎(chǔ)為混凝土岔枕、碎石道床；岔區(qū)內(nèi)不設(shè)置軌底坡；道岔與區(qū)間鋼軌連接為有縫連接形式。

2.2 平面主要幾何尺寸

道岔平面主要幾何尺寸見圖1，梳子型道岔分區(qū)見圖2。

圖1 平面主要幾何尺寸Fig.1 The plane geometry dimension of the turnout

圖2 梳子型道岔分區(qū)Fig.2 The division of the comb-shaped compositional turnout

1) 軌距為1 435 mm，軌距測量點(diǎn)距軌頂面 14 mm。有軌電車的轉(zhuǎn)向架是獨(dú)立輪對，可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)轉(zhuǎn)向，因此曲股R25 m半徑不設(shè)軌距加寬，在轉(zhuǎn)轍器部分為了增加尖軌厚度，在基尖軌密貼段軌距有構(gòu)造加寬。

2) 雙尖軌轉(zhuǎn)轍器區(qū)的尖軌采用半切線型，切點(diǎn)在20 mm斷面。尖軌采用半切線型，能夠增加尖軌粗壯度，可避免尖軌尖端過于薄弱。逆向進(jìn)岔時(shí)，動能損失能夠滿足要求；順向進(jìn)岔時(shí)，可增加尖軌的耐磨程度，增加尖軌的使用壽命。側(cè)向行車條件較好，且尖軌比較牢固，加工也比較簡單。單尖軌轉(zhuǎn)轍器區(qū)的尖軌為高錳鋼整鑄尖軌，采用半切線性，切點(diǎn)在35 mm斷面處。

3) 道岔的側(cè)股數(shù)量按客戶線路布置方式定制，該項(xiàng)目的數(shù)量為4個(gè)，每個(gè)側(cè)股曲線半徑均為25 m，每個(gè)側(cè)股曲線間距為5.5 m。5.5 m間距為多個(gè)方案比較后的最優(yōu)選擇，若間距過小，單尖軌轉(zhuǎn)轍器部分和復(fù)合轍叉部分有疊加，造成道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，零部件不易布置等缺陷；若間距過大，會增加整個(gè)站場的占地，增大鋪設(shè)、維修養(yǎng)護(hù)成本。通過理論和實(shí)際尺寸檢算，可確定曲股間距。

4) 中間轍叉為特殊形式的復(fù)合轍叉，此區(qū)域有3條工作邊交會，其趾端有2個(gè)線路接口，跟端設(shè)有3個(gè)線路接口。復(fù)合轍叉穩(wěn)定性高于拼裝式轍叉，可增加道岔的整體性，耐磨性好，維修養(yǎng)護(hù)工作簡單，使用壽命長，現(xiàn)場更換簡單。

5) 這種平面形式也是梳子型道岔有別于普通道岔的一個(gè)顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢。以圖3、4為例可以看出，梳子型道岔每增加一股軌道，長度增加5 500 mm；若采用同樣號數(shù)的單開道岔，并且首尾相接的拼組方式，每增加一股軌道，長度增加10 667 mm。所以，普通單開道岔與梳子型道岔相比較，每增加一股軌道，在長度方向?qū)⒍嗾加? 167 mm的空間，站場越大，停車線越多，需要的軌道數(shù)量越多，梳子型道岔節(jié)省空間的效果越明顯。

圖3 梳子型道岔軌道平面Fig.3 Diagrammatic sketch of the track with the comb-shaped turnout

圖4 單開道岔軌道平面Fig.4 Diagrammatic sketch of the simple turnout

2.3 動力學(xué)參數(shù)

3號單開道岔按25 m半徑對道岔動力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 動力學(xué)指標(biāo)計(jì)算Fig.5 Dynamic index calculation

1) 動能損失ω按無超高計(jì)算，第一個(gè)轉(zhuǎn)轍器尖軌尖端沖擊角β=2°18′51″，其后的轉(zhuǎn)轍器尖軌尖端沖擊角為β=2°59′22″，計(jì)算動能有

ω1=V2sin2β=0.17≤(0.5～0.65)km2/h2

ω2=V2sin2β=0.27≤(0.5～0.65)km2/h2

側(cè)向通過道岔時(shí)，能夠滿足乘客舒適的要求。

2) 未被平衡離心加速度α按無超高計(jì)算

α=V2/3.62R=0.31 m/s2≤0.68 m/s2

3) 未被平衡離心加速度增量φ按無超高計(jì)算，l=8 m(按兩相鄰轉(zhuǎn)向架全軸距計(jì)算)

φ=V3/3.63Rl=0.11 m/s3≤0.5 m/s3

通過以上參數(shù)可以看出，該線型能夠滿足側(cè)向時(shí)速10 km的有軌電車運(yùn)營要求，同時(shí)留有較大的安全余量。

2.4 道岔各部間隔設(shè)計(jì)

典型輪對基本參數(shù)：輪對輪背距1 386(-1，+1 mm)；輪緣厚度最大20.5 mm，最小15.5 mm。見圖6。

圖6 車輪輪對尺寸Fig.6 The parameters of the wheel

計(jì)算結(jié)果：轉(zhuǎn)轍器處的最小輪緣槽為39 mm；查照間隔為1 407 mm；護(hù)背距離為1 382 mm；護(hù)軌平直度輪緣槽為25 mm；轍叉平直段輪緣槽為33 mm。

2.5 岔枕排布

為了保證道砟搗固夯實(shí)和對道岔的連續(xù)支持強(qiáng)度，岔枕間距一般按600 mm布置，牽引點(diǎn)處岔枕間距加寬至650 mm，個(gè)別部分適當(dāng)調(diào)整。岔枕按垂直于道岔直股布置，在道岔后端設(shè)置扭轉(zhuǎn)過渡枕，該岔枕布置方式操作簡單，定位準(zhǔn)確，調(diào)整方便。

2.6 牽引點(diǎn)設(shè)置

雙尖軌轍器尖軌設(shè)置1個(gè)牽引點(diǎn)，牽引點(diǎn)距尖軌尖端距離430 mm，牽引點(diǎn)設(shè)計(jì)動程120 mm；單尖軌轉(zhuǎn)轍器分別設(shè)置1個(gè)牽引點(diǎn)，動程為40 mm。

3 道岔的主要結(jié)構(gòu)

3.1 道岔總體結(jié)構(gòu)布置圖

在滿足曲股間距5.5 m，曲線半徑R25 m和側(cè)向速度≤10 km/h的要求下，設(shè)計(jì)道岔總體結(jié)構(gòu)布置圖(見圖7)，按結(jié)構(gòu)功能性要求劃分為4大區(qū)域，第1區(qū)域?yàn)殡p尖軌轉(zhuǎn)轍器；第2區(qū)域?yàn)閱渭廛夀D(zhuǎn)轍器；第3區(qū)域?yàn)閺?fù)合型轍叉；第4區(qū)域?yàn)?雙曲線轍叉及護(hù)軌。其中第2、3區(qū)域可依此疊加，形成多股軌道。

圖7 總體結(jié)構(gòu)布置Fig.7 The general layout of the turnout structure

3.2 雙尖軌轉(zhuǎn)轍器區(qū)域

1) 該區(qū)域的總體布置形式與3號單開道岔相似，兩股均為50 kg/m基本軌+50AT尖軌形式，尖軌跟端為間隔鐵活接頭結(jié)構(gòu)，尖軌設(shè)置1個(gè)牽引點(diǎn)，動程為120 mm，尖軌與基本軌下設(shè)置軌撐滑床墊板。

2) 基本軌采用50 kg/m鋼軌制造，為滿足與尖軌密貼，并做到與尖軌藏尖配合，在滿足強(qiáng)度要求和引導(dǎo)車輪前行方向的前提下，對軌頭工作邊做刨切加工。

3) 尖軌采用50AT鋼軌制造。為避免機(jī)車通過時(shí)對尖軌小斷面工作邊和軌頂面的沖擊，尖軌設(shè)置降低并在尖端做補(bǔ)充刨切，形成藏尖結(jié)構(gòu)，尖軌尖端降低值為23 mm，在基本軌磨耗規(guī)定范圍內(nèi)，機(jī)車不會對尖軌尖端形成沖擊，10 mm斷面降低10 mm；20 mm斷面降低2 mm，逐步開始承受輪載；40 mm斷面降低0 mm，完成輪載轉(zhuǎn)換。

4) 尖軌跟端結(jié)構(gòu)。為了減小尖軌的搬動力，最大限度地剪短尖軌長度，尖軌跟端采用活接頭結(jié)構(gòu)，在普通道岔中，該結(jié)構(gòu)比較常見，組裝簡單，是目前成熟的結(jié)構(gòu)形式。

3.3 單尖軌轉(zhuǎn)轍器區(qū)域和復(fù)合轍叉區(qū)域

這兩個(gè)區(qū)域?yàn)槭嶙有偷啦黻P(guān)鍵區(qū)域，是區(qū)別于一般道岔的關(guān)鍵部位。本設(shè)計(jì)直股采用高錳鋼尖軌座+高錳鋼尖軌結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)線路轉(zhuǎn)向功能。曲股采用超大型高錳鋼復(fù)合轍叉，滿足一直兩曲的三線通過需要，見圖8。

圖8 單尖軌轉(zhuǎn)轍器和復(fù)合轍叉區(qū)Fig.8 Single switch and composite crossing

1) 車輛走直股時(shí)，高錳鋼尖軌與尖軌座非工作邊一側(cè)貼靠，開通直股軌道。上側(cè)工作邊沿直線可順利通過；直股下側(cè)工作邊需要通過復(fù)合轍叉的2個(gè)咽喉區(qū)，第1個(gè)咽喉區(qū)較長，輪緣槽設(shè)置較淺，走形輪緣，并且在上側(cè)設(shè)置合適的輪緣槽寬度，避免車輪沖撞此處叉尖，這也是設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)；第2個(gè)咽喉區(qū)較短，車輪在走行時(shí)可實(shí)現(xiàn)自護(hù)，在直股上側(cè)設(shè)置普通的輪緣槽寬度即可，見圖9。

圖9 走行直股方向Fig .9 The direction of the straight running rail

2) 車輛走側(cè)股時(shí)，高錳鋼尖軌與尖軌座工作邊一側(cè)貼靠，開通曲股1軌道。車輪行至復(fù)合轍叉第1個(gè)咽喉區(qū)時(shí)，已經(jīng)過高錳鋼尖軌實(shí)現(xiàn)了變向，所以此處可順利通過；行至第2咽喉區(qū)時(shí)，為保證行車安全及避免車輪撞尖，在曲股1的上側(cè)設(shè)置了較小的輪緣槽，這給制造加工帶來了相當(dāng)大的難度，但是可以很好地保證護(hù)背距離和查找間隔尺寸，以利于車輛順利通過。圖10所示的曲股2的軌道變向已經(jīng)在雙尖軌轉(zhuǎn)轍器區(qū)實(shí)現(xiàn)，行至復(fù)合轍叉區(qū)時(shí)同樣需要通過2個(gè)咽喉區(qū)，在曲股2的下側(cè)設(shè)置了25 mm寬度的輪緣槽，可有效地保證行車安全和避免撞尖。

圖10 走行曲股方向Fig.10 The direction of the curve running rail

3) 單尖軌轉(zhuǎn)轍器。為了減少維修養(yǎng)護(hù)工作量，單尖軌轉(zhuǎn)轍器部分采用直股高錳鋼叉心尖軌+高錳鋼叉心尖軌基座。設(shè)置一個(gè)牽引點(diǎn)，牽動叉心尖軌，實(shí)現(xiàn)軌道的變向。不同于以往基座的形式，在后端做了改進(jìn)，增加了護(hù)軌，保護(hù)車輪可以順利在下方的復(fù)合型轍叉上實(shí)現(xiàn)軌道變向，見圖11。

圖11 單尖軌轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)Fig.11 The structure of the single switch

4) 單尖軌轉(zhuǎn)轍器—尖軌。綜合考慮車輪幾何尺寸和尖軌座與尖軌的配合關(guān)系，計(jì)算尖軌降低值和合理設(shè)計(jì)尖軌藏尖結(jié)構(gòu)，尖端降低6 mm，20 mm斷面處降低2 mm，35 mm斷面處降低0 mm，尖軌逐步承受輪載。

5) 單尖軌轉(zhuǎn)轍器—尖軌座。在保證尖軌強(qiáng)度的前提下，對尖軌座與尖軌密貼的位置進(jìn)行刨切，相對于軌距線位置刨切掉10 mm，形成水平藏尖結(jié)構(gòu)，以保護(hù)尖軌尖端。

6) 復(fù)合型轍叉。曲股采用超大型高錳鋼復(fù)合轍叉(見圖12)，總寬達(dá)到1.327 m，總長達(dá)到了6.158 m，普通錳叉只有4個(gè)軌道接口，這個(gè)超大型錳叉具有5個(gè)線路接口，從設(shè)計(jì)、制造、加工都提出相當(dāng)大的難度，以滿足各線車輛通過的需要。由于錳叉超長、超寬，并且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，正常的鑄造基本無法保證產(chǎn)品的質(zhì)量。經(jīng)課題組多次進(jìn)行討論，將錳叉設(shè)計(jì)成2段，并設(shè)置夾板進(jìn)行連接。

圖12 復(fù)合轍叉結(jié)構(gòu)Fig.12 The structure of the composite crossing

3.4 雙曲線轍叉及護(hù)軌區(qū)域

雙曲線轍叉區(qū)域，主體結(jié)構(gòu)與50-3號道岔保持一致。轍叉采用高錳鋼固定型轍叉結(jié)構(gòu)，護(hù)軌采用33 kg/m槽型護(hù)軌(見圖13)。

4 現(xiàn)場鋪設(shè)情況

圖13 雙曲線轍叉布置Fig.13 The layout of the compound curve crossing

圖14 梳子型道岔現(xiàn)場鋪設(shè)Fig.14 The practical comb-shaped turnout in-situ

梳子型道岔現(xiàn)場鋪設(shè)見圖14。青島現(xiàn)代有軌電車50 kg/m鋼軌梳子型道岔廠內(nèi)試制試鋪順利通過，目前已經(jīng)在現(xiàn)場完成鋪設(shè)，并且運(yùn)營狀態(tài)良好。

5 結(jié)論

梳子型道岔是為減少站場出入庫用地研發(fā)的一種新的道岔形式，是通過減少轉(zhuǎn)轍器之間的距離實(shí)現(xiàn)的，可采用模塊化設(shè)計(jì)，站場線路越多其優(yōu)越性越明顯。

通過多種方案的比較，確定梳子型道岔相鄰兩轉(zhuǎn)轍器的合理間距為5.5 m，在滿足機(jī)車安全有效運(yùn)行和道岔結(jié)構(gòu)完整可靠的同時(shí)，使得道岔的整體長度達(dá)到最小，可最大限度地節(jié)省道岔占地空間，提高場地的利用率。

結(jié)合梳子型道岔的動力學(xué)參數(shù)，合理設(shè)計(jì)尖軌、心軌降低值，改善輪軌接觸條件，合理設(shè)計(jì)基本軌、尖軌結(jié)構(gòu)，對基本軌工作邊進(jìn)行補(bǔ)充刨切，增加尖軌厚度，在滿足運(yùn)行條件的前提下，在道岔順向進(jìn)岔時(shí)，減少尖軌的側(cè)向磨耗，提高了尖軌的使用壽命，進(jìn)而提高了整組道岔的使用壽命。

高錳鋼鑄造件經(jīng)過爆炸硬化后，表面硬度可達(dá)到350 HB左右，硬化層的深度接近30 mm，硬化后使高錳鋼奧氏體的孿晶組織產(chǎn)生形變錯(cuò)位，促使轍叉表面迅速發(fā)生硬化，從而提高初始硬度，有利于提高轍叉的耐磨性。高錳鋼轍叉的爆炸硬化提高了表面硬度，降低了初期磨耗，提高了材料的抗變形能力，可以減小輪載沖擊及在碾壓下產(chǎn)生的軌頂面塌陷和剝離，從而延長了轍叉的使用壽命。

梳子型道岔的結(jié)構(gòu)有別于普通的道岔，采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為3種模塊展開具體設(shè)計(jì)，每組梳子型道岔由1個(gè)雙尖軌轉(zhuǎn)轍器模塊、多個(gè)單尖軌轉(zhuǎn)轍器和復(fù)合轍叉模塊、1個(gè)雙曲線轍叉及護(hù)軌模塊組成，根據(jù)用戶要求和實(shí)際情況選擇單尖軌轉(zhuǎn)轍器及復(fù)合轍叉模塊的數(shù)量，以適應(yīng)站場多條線路的要求。

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TechnologiesoftheComb-ShapedTurnoutforModernRailTraminQingdao

WEIXiaonan

(China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co.，Ltd.，Qinhuangdao Hebei 066205)

The comb-shaped turnout， which is the first of its kind created in China， is used in the modern rail tram of Qingdao. Innovation of the turnout lies in its layout， the route design， and its structure design. The layout of the turnout is different from a regular one， and the distance between the centers of the turnouts of the adjacent branch lines is less than the whole length of the regular turnout with the same type number. The structure design of the turnout is composed of one ordinary double switch，multiple single switches，multiple composite crossings， and one compound curve crossing. The comb-shaped design provides a new direction and inspiration for turnout design for modern rail trams，as well as the turnout layout for the station and depots of rail transits.

rail transit; modern rail tram; comb-shaped turnout

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.023

U231

A

1672-6073(2017)06-0123-06

2016-12-27

2017-02-07

魏笑楠，男，工程師，從事道岔理論分析、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、鋪設(shè)養(yǎng)護(hù)等相關(guān)技術(shù)工作，weixiaonan15@163.com

(編輯：郝京紅)