重慶市軌道交通6號線60 kg/m鋼軌曲線形組合道岔的設計

雷 潔，李文博

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西寶雞 721006)

1 概述

普通單開道岔主線為直線，側線向主線左或右側分支為曲線，這種道岔是常見的形式，在線路上占著絕對大的比例;曲線道岔則是指將岔前直線或曲線軌道向一側或兩側分支為2條曲線的道岔，只有在地形十分特殊的條件下才使用，分為對稱道岔與非對稱道岔，其中對稱道岔在車站駝峰下使用較為普遍，同側曲線道岔在國內使用則較少。

重慶6號線一期工程，需在大劇院站和江北城站之間做1個過渡工程，即在300 m半徑曲線雙線上布置1組單渡線道岔，幾年后將道岔拆除或固定作為正線運營。

通過分析縱斷面圖，道岔只能設置在25‰坡度上，且在25‰坡度上的同里程位置，左右線軌面高程相同，能夠滿足道岔在左右線路上的布置要求。雙線為不同心的兩支緩和曲線，線間距從4.6 m過渡到10 m。單渡線道岔由2組道岔組成，左側為對稱道岔，右側為同側曲線形道岔。對稱道岔兩側曲線半徑均為300 m;曲線道岔主曲線半徑為300 m，側股曲線半徑為150 m。如圖1所示。

為了保證區間線路與道岔的正常過渡，左右側道岔前后至少20 m范圍內鋼軌外股不能設置超高。

圖1 線路示意(單位:m)

2 道岔設計

2.1 設計依據及原則

(1)《標準軌距鐵路道岔技術條件》(TB/T412－2004)。

(2)《線路縱斷面圖》和《線路平面圖》。

(3)道岔容許通過速度:正線方向不大于35 km/h，側線方向不大于20 km/h。

(4)設計參數選擇:動能損失ω≤0.65 km2/h2;未被平衡的離心加速度a≤0.5 m/s2;

未被平衡的離心加速度增量φ≤0.5 m/s3，尖軌尖端此值不大于1.0～1.3 m/s3。

2.2 道岔主要結構設計

(1)對稱道岔軌距為1 435 mm;曲線道岔主線路軌距為1 435 mm，側線路軌距為1 450 mm。

在兩道岔之間的連接段5 000 mm范圍內，軌距由1 435 mm過渡為1 450 mm。

(2)基本軌、導曲線軌采用60 kg/m鋼軌;尖軌采用60AT鋼軌;轍叉采用高錳鋼轍叉，護軌采用UIC33槽型鋼。

(3)道岔區不設置軌頂坡或軌底坡，道岔前后通過順坡墊板與區間線路相接。

(4)扣件采用Ⅲ型彈條分開式可調扣件，通過軌距塊調整軌距，軌距塊材質采用玻璃纖維增強聚酰胺66。

(5)軌下基礎按整體道床設計，采用合成軌枕，通過螺紋道釘與墊板相連。

(6)尖軌前端藏尖，曲線形單開道岔部分跟部為彈性可彎結構，對稱道岔尖軌跟部為活接頭結構，尖軌跟端設置1個間隔鐵。

(7)電務轉換系統采用內鎖閉結構。曲線形單開道岔電務轉換系統按2個牽引點設置，第一牽引點動程為160 mm，第二牽引點動程為80 mm。對稱道岔電務轉換系統按一點牽引設置，牽引點動程為160 mm。

(8)對稱道岔尖軌采用曲線尖軌，從尖軌寬度56.7 mm斷面到尖軌尖端為直線，之后為R300717.5 mm曲線。曲線形單開道岔尖軌采用半切線型尖軌，半切點處尖軌軌頭寬度為27 mm。

(9)尖軌工作邊、非工作邊的斜度均為1∶4。

(10)為保證在列車運行條件下尖軌頂寬20 mm斷面之后開始承載，減緩尖軌磨損，曲線形單開道岔及對稱道岔直、曲尖軌頂面縱坡數值見表1。

表1 尖軌頂面縱坡數值 mm

(11)為了加強基本軌的穩定性，減小基本軌的外傾和減小軌距擴張，對稱道岔基本軌外側部分設置軌撐，軌撐滑床板處調整軌距采用軌撐調整楔，可以調整軌距2 mm，同時滑床板在安裝時設計了軌距調整片，確保鋪設時能夠保證軌距，如圖2所示。

圖2 軌撐滑床板示意

(12)連桿采用可調連桿，通過旋轉中間的螺紋套筒調節連桿的長度。

(13)對稱道岔和曲線形單開道岔轍叉心均采用高錳鋼轍叉，對稱道岔高錳鋼轍叉工作邊一側為直線，一側為曲線。曲線形單開道岔高錳鋼轍叉工作邊一側為R299.282 5 m圓弧，另一側為R150.717 5 m圓弧。

(14)鋼軌及高錳鋼整鑄轍叉下設5 mm厚橡膠墊板，鐵墊板下設10 mm厚橡膠墊板。

3 設計參數的評估分析

曲線道岔因導曲線半徑較小，道岔導曲線與岔前岔后曲線間的連接條件較差，常常形成不同半徑的同向曲線或反向曲線，同時因道岔號碼較小，在轉轍器及轍叉部分形成的結構不平順較大，輪軌間的橫向作用較大，行車安全性及平穩性均較低，駝峰下的曲線對稱道岔曾在國內發生過多次脫軌事故，因此設計難度很大，需對設計參數進行評估分析。

3.1 導曲線半徑

對稱道岔曲線半徑為300 m，最高通過速度為44 km/h，欠超高為76.1 mm，小于容許限值90 mm;未被平衡離心加速度為0.497 m/s2，小于容許限值0.65 m/s2;道岔入口處的未被平衡離心加速度增量為0.41 m/s3，小于容許限值1.0 m/s2;動能損失值為0.43 km2/h2，小于容許限值0.65 km2/h2。

曲線道岔主線半徑及通過速度與對稱道岔相同。側線半徑為150 m，最高通過速度為30 km/h，欠超高為70.8 mm，小于容許限值90 mm;未被平衡離心加速度為0.46 m/s2，小于容許限值0.65 m/s2;道岔入口處的未被平衡離心加速度增量為0.26 m/s2，小于容許限值1.0 m/s2;動能損失值為0.26 km2/h2，小于容許限值0.65 km2/h2。

檢算結論:設計原則中所規定的正線及側線容許通過速度均小于上述容許最高通過速度。

3.2 夾直線長度

對稱道岔與曲線道岔兩反向圓線間夾直線長度為18.4 m，大于120 km/h以下的列車振動疊加容許限度0.4V(V為渡線方向允許通過速度)，也滿足車輛橫擺限度即1節車輛長(14.8 m)的要求。

3.3 道岔布置

對稱道岔與曲線道岔均未布置在緩和曲線及豎曲線上，滿足道岔布置要求。

3.4 軌底坡

對稱道岔及曲線道岔均未設置軌底坡或軌頂坡，對于列車通過速度低于120 km/h的道岔是可行的，有利于降低制造難度及造價，區間線路設置1/40軌底坡，通過設置帶1/60、1/80軌底坡的墊板完成過渡，軌底坡的變化率分別為1/120、1/240，滿足鐵路線路規定的小于1/80～1/120的要求。

3.5 超高

受道岔結構及輪軌關系的限制，道岔一般不設置超高，即使設置，容許超高量也很小，對改善行車舒適性的作用十分有限。因此本次設計的對稱道岔與曲線道岔均未設置超高，而區間線路設置有超高，兩者間設置有20 m的不設超高的隔離段，大于1節車的長度14.8 m，可以避免在道岔范圍內形成因超高引起的三角坑。

3.6 曲線加寬

以地鐵車輛兩軸轉向架按自由內接通過曲線檢算，所需最小軌距為

式中，qmax為最大輪對寬度，取為1 424 mm;f0為曲線外矢距，為L2/2R，地鐵車輛轉向架固定軸L為2 200 mm，對于R=300 m曲線半徑外矢距為8.1 mm，對于150 m曲線半徑外矢距為16.1 mm。

按此檢算，對于300 m曲線半徑可采用標準軌距1 435 mm，對于150 m曲線半徑需加寬10～15 mm。

本設計中，對稱道岔軌距采用1 435 mm;曲線道岔主線軌距采用1 435 mm，側線采用1 450 mm，岔前與標準軌距的過渡范圍為3 335 mm，軌距變化率為4.50‰，岔后與標準軌距的過渡范圍為5 000 mm，軌距變化率為3.33‰。

軌距加寬值均在容許限度內，軌距變化率均在容許限度6‰以內。

3.7 尖軌頂面降低值

普通道岔尖軌頂面降低值的設計以尖軌強度及行車安全性、平穩性為控制條件，尖軌頂面縱坡越小，輪載過渡范圍越短，所形成的道岔結構不平順越小，行車安全性與平穩性越好，但尖軌受力大，通常以尖軌頂寬20 mm處開始承載、頂寬50 mm處完全承載為設計控制條件，頂寬20 mm處降低3～5 mm。

對于曲線道岔，還有一個控制條件，即是結構不平順中的三角坑4 mm限值。當列車由岔前圓曲線進入時，外側車輪將貼靠外軌運行，因此在與岔前曲線同向的道岔轉轍器尖軌尖端范圍內，車輪均是貼靠尖軌運行的，如圖3所示。這樣若尖軌降低值過小，則在尖軌頂寬15 mm附近尖軌頂面就有可能開始承載，這對尖軌受力不利。同時，若轉向架后輪對外側車輪也貼靠尖軌運行，輪緣接觸角較小的情況下(此時只有輪緣一個接觸點，輪軌踏面不接觸;因尖軌頂面輪廓軌距角處圓弧半徑較小，易導致輪緣接觸角減小)將致使車輪抬高，若接觸角為65°，磨耗型踏面的車輪抬高量可達6 mm左右，造成轉向架前輪對外側車輪與鋼軌脫離接觸，形成類似三角坑的結構不平順，嚴重時將造成列車脫軌。車輪接觸點越早脫離基本軌，尖軌與車輪輪緣角越小，所形成的三角坑越大，如在尖軌頂寬30 mm處完全承載，就有可能使前輪對外側車輪與鋼軌形成4 mm以上的離縫，為安全計，尖軌頂面降低值應盡可能取較大值，故曲尖軌頂寬20 mm處降低值取為5 mm。

圖3 車輪輪緣與尖軌的貼靠狀態

3.8 道岔轉換力

道岔尖軌轉換分析模型如圖4所示。考慮特殊結構外形和關鍵性細節部位，如尖軌與心軌的截面特性、牽引點位置、動程等，考慮到轉換過程中的線性和非線性因素，如摩擦力、密貼反力、頂鐵反力、扣件阻力等。密貼段的密貼作用、頂鐵反力作用及扣件支撐采用非線性彈簧單元模擬。尖軌與心軌采用非線性變截面梁單元模擬。扣件采用非線性彈簧單元進行模擬，跟端以前長、短心軌之間的間隔鐵結構采用彈簧單元進行模擬，跟端間隔鐵采用等截面梁單元進行模擬。

圖4 道岔轉換力計算模型

曲線道岔轉換力計算值為:正位至反位，一動轉換力668 N，二動轉換力3 755 N，轉換不足位移1.0 mm;反位至正位，一動轉換力607 N，二動轉換力2 157 N，轉換不足位移1.0 mm。轉換力在6 000 N容許范圍內。

對稱道岔轉換力計算值為:正位至反位轉換力2 982 N;反位至正位轉換力2 025 N。轉換力在容許限度6 000 N以內。

經過以上參數評估分析，得出結論:當地鐵車輛以容許速度通過對稱道岔及曲線道岔時，安全性與平穩性均在容許限度內。

4 結論

重慶市軌道交通6號線60 kg/m鋼軌曲線形組合道岔目前已制造并試鋪完成，在制造過程中，對導曲線鋼軌及接頭夾板均進行了預彎，保證了曲線道岔的線形準確。本道岔在國內為首組對稱道岔和同側曲線道岔組合道岔，為以后曲線道岔的設計奠定了基礎。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/T412－2004標準軌距鐵路道岔技術條件[S].北京:中國鐵道出版社，2004.

[2]鐵道部第三勘測設計院.道岔設計手冊[M].北京:人民鐵道出版社，1975.

[3]郝瀛.鐵道工程[M].北京:中國鐵道出版社，2000.

[4]趙衛華，曹洋，王平.用于工程設計的道岔動力參數法研究[J].鐵道標準設計，2011(9):9-11.

[5]王平.道岔區輪軌系統空間耦合振動模型及其應用[J].西南交通大學學報，1998，33(3):284-289.

[6]李成輝.軌道[M].成都:西南交通大學出版社，2004.

[7]王平.道岔轉轍器部分的力學特性分析[J].西南交通大學學報，2000，22(1):79-82.

[8]徐井芒，荊果，徐浩，王平.客運專線鐵路無砟道岔軌距偏小原因分析[J].鐵道標準設計，2011(9):33-35.

[9]練松良.軌道工程[M].北京:中國鐵道出版社，2006.

[10]任尊松，孫守光.道岔輪軌接觸幾何關系研究[J].工程力學，2008，25(11):223-230.