游鵬輝

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥工程師)

懸掛式單軌交通因其建設(shè)周期短、占地面積小、不破壞城市景觀,而廣受中小城市及旅游城市的青睞[1-2]。

道岔作為懸掛式單軌交通的關(guān)鍵設(shè)備之一,其類型和工藝布置直接影響項(xiàng)目建設(shè)方案、線路運(yùn)行效率,甚至行車安全。因此,有必要對(duì)懸掛式單軌道岔的選型和工藝布置進(jìn)行研究。

1 懸掛式單軌道岔的類型及結(jié)構(gòu)

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,懸掛式單軌道岔主要分為平移換梁型道岔、梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔及倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍道岔[2-3]。國(guó)內(nèi)外懸掛式單軌項(xiàng)目中主要采用的道岔類型如表1所示。

表1 懸掛式單軌項(xiàng)目采用的道岔類型

不同類型的懸掛式單軌道岔,具有不同的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),適用的工況場(chǎng)景也會(huì)不同。

1.1 平移換梁型道岔

德國(guó)伍伯塔爾市線平移換梁型道岔將直線和曲線道岔梁設(shè)置在門式框架上,通過移動(dòng)門式框架實(shí)現(xiàn)道岔梁的切換,進(jìn)而改變單軌列車的運(yùn)行方向。該道岔結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,移動(dòng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較大,因此對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)要求較高,轉(zhuǎn)轍速度較低,投資較高[2-4]。該道岔僅適用于輪軌關(guān)系為浪琴型的懸掛式單軌交通,而不適用應(yīng)用最廣的SAFEGE型懸掛式單軌交通[5]。

我國(guó)中鐵寶橋集團(tuán)有限公司研發(fā)了一種適用于SAFEGE型懸掛式單軌交通的平移換梁型道岔(單開),并在成都中唐空鐵試驗(yàn)線中進(jìn)行了應(yīng)用[6]。該平移換梁型道岔結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。本文以該型道岔為例對(duì)平移換梁型道岔進(jìn)行研究。

注:1—門式橫梁;2—鎖定機(jī)構(gòu);3—直線道岔梁;4—電氣控制柜;5—驅(qū)動(dòng)及走行裝置;6—曲線道岔梁;7—人梯及檢修平臺(tái)。

該平移換梁型道岔通過齒輪齒條傳動(dòng)的方式平行移動(dòng)直線道岔梁或曲線道岔梁,使之與兩端線路軌道梁對(duì)接貫通,實(shí)現(xiàn)列車的換線行駛。

該型道岔的主要特點(diǎn)為[3]:

1) 轉(zhuǎn)轍運(yùn)動(dòng)單一,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,直線和曲線道岔梁可預(yù)制,平順性高。

2) 道岔梁整體平移對(duì)轉(zhuǎn)轍動(dòng)力系統(tǒng)要求較高,轉(zhuǎn)轍時(shí)間長(zhǎng)。

3) 多個(gè)單獨(dú)的道岔梁,整體體積龐大,占用較大空間,安裝及運(yùn)輸困難。

1.2 梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔

梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)桿及傳動(dòng)器的作用下,長(zhǎng)尖軌繞軸轉(zhuǎn)動(dòng),短尖軌進(jìn)行復(fù)合擺動(dòng),長(zhǎng)尖軌與短尖軌不同側(cè)對(duì)接貫通,從而實(shí)現(xiàn)列車換向切換[8]。

注:1—道岔梁;2—長(zhǎng)尖軌;3—驅(qū)動(dòng)裝置;4—傳動(dòng)桿; 5—傳動(dòng)器;6—短尖軌。

該型道岔的長(zhǎng)尖軌兩側(cè)處無走行面,會(huì)產(chǎn)生走行不連續(xù),即當(dāng)列車走行到道岔長(zhǎng)尖軌區(qū)域時(shí),一側(cè)走行輪會(huì)處于懸空,此時(shí)列車在該側(cè)僅能通過導(dǎo)向輪的支承來獲得穩(wěn)定平衡[2-3]。

該型道岔的主要特點(diǎn)為:

1) 轉(zhuǎn)轍運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,對(duì)控制系統(tǒng)要求較高。

2) 長(zhǎng)尖軌與短尖軌同時(shí)動(dòng)作對(duì)接,轉(zhuǎn)轍時(shí)間短,但平順性較差。

3) 結(jié)構(gòu)緊湊,道岔整體尺寸較小,安裝與運(yùn)輸方便。

1.3 倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍道岔

倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍道岔三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。道岔核心部件轉(zhuǎn)轍芯軌采用兩段式設(shè)計(jì),由轉(zhuǎn)動(dòng)軌和隨動(dòng)導(dǎo)向尖軌組成;補(bǔ)償板、修正板配合其使用。

注:1—轉(zhuǎn)動(dòng)軌驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);2—補(bǔ)償板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);3—補(bǔ)償板;4—轉(zhuǎn)動(dòng)軌;5—銷式閉鎖裝置;6—修正板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu); 7—隨動(dòng)導(dǎo)向尖軌;8—爪式閉鎖裝置;9—修正板。

該型道岔的轉(zhuǎn)轍原理與梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔基本相同,但結(jié)構(gòu)存在較大差異。其轉(zhuǎn)動(dòng)軌采用倒T形結(jié)構(gòu),底板為走行面,立板為導(dǎo)向面;補(bǔ)償板在轉(zhuǎn)動(dòng)軌轉(zhuǎn)轍時(shí)對(duì)走行面缺口進(jìn)行補(bǔ)充,修正板配合補(bǔ)償板與轉(zhuǎn)動(dòng)軌底板修整梁開口線形狀,二者為列車走行輪提供了連續(xù)、平順的走行面[2-4]。

該型道岔的主要特點(diǎn)為:

1) 道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)控制系統(tǒng)要求高。

2) 轉(zhuǎn)動(dòng)軌、補(bǔ)償板及修正板相互協(xié)同,使道岔平順性和安全性更高。

3) 由于只有一段轉(zhuǎn)動(dòng)軌,因此該道岔比梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔更短。但由于補(bǔ)償板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、修正板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)側(cè)置,該道岔比梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔更寬。

1.4 關(guān)節(jié)型道岔

借鑒成熟的跨坐式單軌交通關(guān)節(jié)型道岔,中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研發(fā)了一種適用于懸掛式單軌交通的多開關(guān)節(jié)型道岔,并制造了樣機(jī)。目前該型道岔還未在工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

關(guān)節(jié)型道岔結(jié)構(gòu)如圖4所示[9]。該道岔通過驅(qū)動(dòng)多個(gè)道岔梁關(guān)節(jié)進(jìn)行曲線擬合,能實(shí)現(xiàn)與多個(gè)方向軌道梁的對(duì)接貫通。

注:1—關(guān)節(jié)道岔梁;2—指形接手;3—驅(qū)動(dòng)裝置;4—鎖定裝置;5—多開軌道梁;6—門式梁。

該型道岔的主要特點(diǎn)為:

1) 可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多轉(zhuǎn)轍切換,占地面積更小,工程投資更少。

2) 多段折線擬合,平順性差。

3) 產(chǎn)品不成熟,控制系統(tǒng)更加復(fù)雜,轉(zhuǎn)轍時(shí)間長(zhǎng)。

1.5 各類型道岔對(duì)比

各類型道岔的主要特征對(duì)比如表2所示。

表2 各類型道岔主要特征對(duì)比

2 工程需求分析

懸掛式單軌道岔主要設(shè)置在正線的車站出入線、渡線、故障停車線、折返線,以及車輛段與停車場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱“段場(chǎng)”)的出入線、停車線等工程場(chǎng)景中,不同場(chǎng)景對(duì)道岔的需求不同。由于道岔在渡線和折返線的應(yīng)用功能類似,故本文不單獨(dú)分析折返線的工程需求。

2.1 正線

為增加列車運(yùn)行及調(diào)度的靈活性,正線為單線的車站會(huì)設(shè)置出入線及道岔,正線為雙線的車站可能會(huì)設(shè)置單渡線及道岔。為應(yīng)對(duì)突發(fā)事故,在條件允許時(shí)還會(huì)在正線設(shè)置停車線用于故障列車的應(yīng)急暫停。正線車站出入線、單渡線及故障停車線的道岔設(shè)置情況如圖5所示。

a) 車站出入線

2.2 段場(chǎng)線路

段場(chǎng)出入線一般由車站經(jīng)道岔引出,之后根據(jù)功能需求由道岔分叉成停車線、檢修線、換輪線、洗車線、調(diào)車線、試車線、臨修線及工程車庫(kù)線等段場(chǎng)停放線。以某車輛段為例,其段場(chǎng)出入線及停放線的道岔設(shè)置如圖6—圖7所示。

圖6 段場(chǎng)出入線的道岔設(shè)置示意圖

圖7 段場(chǎng)停放線的道岔設(shè)置示意圖

3 道岔選型及工藝布置

3.1 車站出入線

車站出入線道岔的轉(zhuǎn)轍時(shí)間關(guān)系列車的通行能力,直接影響線路的運(yùn)營(yíng)時(shí)間及營(yíng)收效益。道岔的平順性,直接影響列車行駛安全和乘客乘坐的舒適性。

芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔和平移換梁型道岔產(chǎn)品均已成熟且有工程應(yīng)用,其中平移換梁型道岔所需空間較大,不利于車站布置;梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔走行面不連續(xù),需配合特定的列車轉(zhuǎn)向架才能使用,平順性較差;倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔更加平順、安全,轉(zhuǎn)轍時(shí)間較短。由此可見,現(xiàn)階段建議車站出入線優(yōu)先采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔。車站出入線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置如圖8所示。

圖8 車站出入線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置圖

3.2 正線單渡線

正線的單渡線主要用于線路間聯(lián)絡(luò)以及行車折返。道岔的尺寸,特別是寬度參數(shù),與線間距相關(guān),直接影響工程的占地面積及建設(shè)投資。單渡線同車站出入線一樣,對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)間及平順性有較高的需求。

相較平移換梁型道岔,倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔占地面積更小,轉(zhuǎn)轍時(shí)間更短,平順性更好。因此,現(xiàn)階段建議正線單渡線優(yōu)先采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔。正線單渡線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置如圖9所示。

圖9 正線單渡線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置圖

3.3 故障停車線

故障停車線的使用頻率較低,對(duì)轉(zhuǎn)轍時(shí)間、平順性均要求不高,因此其道岔選擇僅需考慮占地面積因素。現(xiàn)階段建議故障停車線優(yōu)先采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔+平移換梁型道岔的組合方式。故障停車線的組合道岔工藝布置如圖10所示。

圖10 故障停車線的組合道岔工藝布置圖

3.4 段場(chǎng)出入線

段場(chǎng)出入線主要用于空載列車或工程車進(jìn)出段場(chǎng),使用頻率高,對(duì)轉(zhuǎn)轍時(shí)間要求高,但對(duì)平順性要求不高,因此其道岔選擇僅需考慮占地面積因素?，F(xiàn)階段建議段場(chǎng)出入線優(yōu)先采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔。段場(chǎng)出入線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置如圖11所示。

圖11 段場(chǎng)出入線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置圖

3.5 段場(chǎng)停放線

段場(chǎng)中停放線數(shù)量眾多,使用頻率較高,對(duì)道岔的轉(zhuǎn)轍時(shí)間及平順性要求不高,但十分重視道岔對(duì)段場(chǎng)整體布置、用地面積、土地利用率、調(diào)車停放效率及工程投資等方面的影響。采用不同類型道岔和工藝布置時(shí),段場(chǎng)方案會(huì)有較大差別。以某車輛段為例,分別采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔、平移換梁型道岔及關(guān)節(jié)型道岔,進(jìn)行段場(chǎng)工藝布置。不同道岔方案的段場(chǎng)線路工藝布置如圖12所示。

a) 倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔方案

三種方案的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 三種道岔方案的主要技術(shù)指標(biāo)

由表3可知,與倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔方案相比:平移換梁型道岔方案的道岔數(shù)量減少31.3%,車輛段橫向長(zhǎng)度減少10.3%,占地面積減少6.7%;關(guān)節(jié)型道岔方案道岔數(shù)量減少50.0%,車輛段橫向長(zhǎng)度減少16.0%,占地面積減少10.4%。

考慮產(chǎn)品成熟度分析后建議,段場(chǎng)停放線優(yōu)先采用平移換梁型道岔,待懸掛式單軌關(guān)節(jié)型道岔產(chǎn)品成熟后再優(yōu)先采用關(guān)節(jié)型道岔。

4 結(jié)語(yǔ)

通過分析不同懸掛式單軌道岔類型及結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),結(jié)合工程需求,最終提出適用于不同場(chǎng)景的最優(yōu)道岔類型及工藝布置建議。

隨著懸掛式單軌交通的推廣,本文可作為后續(xù)項(xiàng)目中道岔選型及工藝布置的參考。