城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號對稱道岔設計

王國術

(中鐵十四局集團 第五工程有限公司，山東 濟寧 272100)

國內城市軌道交通建設方興未艾，各城市軌道交通網絡不斷展開。城市軌道交通線路向郊區發展，市郊線路設計速度一般高于市內線路，因而對道岔直、側向通過速度和旅客舒適度有了新要求。城市軌道交通行車密度越來越高，要求不斷提高折返能力。目前城市軌道交通的道岔類型主要以3號、6號小號碼[2]系列道岔為主，已不能滿足新建線路的使用要求。為盡可能發揮城市軌道交通作為客運主要載體的作用，有必要加大道岔號數以提高道岔的直、側向通過速度。這已成為城市軌道交通發展的一個趨勢[1]。

新研制的12號對稱道岔應用在城市軌道交通中，能夠縮短道岔區段長度，減少地下開挖面積，有效地降低土建工程造價[3]，提高列車的側向容許通過速度。60 kg/m鋼軌12號對稱道岔開始在城市軌道交通線路實際工程中應用，使用效果良好。

1 主要技術標準及設計原則

①軌距1 435 mm。

②道岔不設軌底坡，道岔兩端設順坡墊板過渡。

③尖軌采用60AT鋼軌制造，護軌為UIC33槽形軌，護軌頂面高出基本軌頂面12 mm。

④采用接頭夾板固定聯結。

⑤轍叉采用合金鋼轍叉。

⑥道岔區采用Ⅲ型彈條扣件(鐵座采用國鐵Ⅲ型鐵座，彈條采用國鐵專線3328-3型)。這是由于沈陽軌道交通線路使用Ⅲ型彈條扣件。為與線路扣件一致，方便現場備料，故該道岔采用了Ⅲ型彈條扣件。

⑦軌距塊設計安裝號數：非工作邊安裝9號軌距塊；工作邊安裝11號軌距塊；鋼軌接頭處安裝接頭軌距塊。

⑧鋼軌軌下及轍叉下設置5 mm厚橡膠墊板，墊板下設置10 mm厚橡膠墊板。這種雙層墊板的設置，能有效減少車輛的振動，降低噪聲。

2 道岔的平面設計

2.1 道岔的平面線型設計

道岔的平面線型包括4種類型：單圓型、復圓型、圓緩型和緩圓緩型[4-5]。鐵路所使用側向容許通過速度較低的道岔一般選用半徑較小的單圓曲線型。結合國內常用單開道岔的設計經驗，對于新研制的12號對稱道岔，由于側向容許通過速度僅為60 km/h，在這里采用單圓曲線的平面線型。

2.2 尖軌平面線型的確定

常見的尖軌平面型式為直線型尖軌和曲線型尖軌。比較兩者，曲線型尖軌單開道岔具有導曲線半徑顯著增大、道岔全長顯著縮短、車輪對尖軌的沖擊較小、可使尖軌使用壽命加長等優點，故推薦采用曲線型尖軌。

曲線尖軌分為切線型、半切線型、割線型及相離型[6]。其中切線型、割線型尖軌尖端較薄，12號曲線尖軌采用半切線型。該對稱道岔用于折返線，使用頻繁，順向出岔較多時尖軌的磨耗較為嚴重。根據提速以來國鐵12號道岔的使用經驗，采用相離型曲線尖軌對減輕曲尖軌的磨耗較為有利，能夠顯著延長尖軌的使用壽命，同時該線型也可以減小尖軌的沖擊角，因此采用相離半切線型曲線尖軌。

2.3 道岔平面主要尺寸

該道岔主要尺寸：道岔全長L=37 907 mm；道岔前端長度a=16 838 mm；道岔后端長度b=21 069 mm；尖軌尖端前基本軌長度q=4 395 mm；尖軌長度l0=12 400 mm；導曲線半徑R=700 m；轍叉趾距n=2 192 mm。

道岔設計如圖1所示。

圖1 60 kg/m 12號對稱道岔設計(單位：mm)

2.4 牽引點的布置

為保證基尖軌密貼及線型的穩定性，尖軌設置2個牽引點，拉桿中心距尖軌尖端430 mm。第1牽引點設計動程為90 mm，第2牽引點設計動程為48 mm。尖軌牽引點設計要充分考慮牽引點間密貼及牽引點后不足位移因素，在尖軌薄弱斷面牽引點距離為 4 200 mm。

2.5 岔枕布置

1)采用無擋肩混凝土短岔枕，轉轍器及轍叉部分垂直轍叉角平分線，其余均垂直于鋼軌。

2)岔枕間距按600 mm模數進行布置，局部位置作了調整，在第1、第2牽引點的岔枕間距為690 mm，短軌枕的設計寬度應滿足電務轉換設備的安裝要求。

3 道岔結構設計

3.1 轉轍器主要結構設計

①尖軌采用60AT彈性可彎式尖軌。

②跟端軋制成60 kg/m鋼軌斷面形式，過渡段長度為150 mm，成型段長度為450 mm。

③尖軌前端按藏尖式設計，藏尖厚度為3 mm，尖軌藏尖補充刨切長度為120 mm。尖軌前端的藏尖結構(見圖2)既減少尖軌尖端沖擊角，又明顯增加尖軌前端厚度，增加耐磨性。

圖2 尖軌藏尖結構(單位：mm)

④尖軌尖端降低值既要滿足鋼軌及輪緣發生最大垂直磨耗時不會軋傷尖軌尖端，又要防止尖軌與基本軌偶有不密貼時車輪爬上尖軌。

為合理設置輪載轉移及運行平順性，對頂面降低值應給予控制，采用如下尖軌頂面縱坡設計：0,20,40 mm 斷面處降低值分別采用23,3,0 mm，如圖3所示。

圖3 尖軌頂面縱坡(單位：mm)

⑤尖軌工作邊和非工作邊斜度均為1∶4；基尖軌密貼區段的斜面貼合配合藏尖結構，能夠提高列車逆向運行的安全性，加強尖軌尖端附近區域的穩定性。

⑥尖軌設置2個牽引點，第1牽引點設計動程為90 mm，第2牽引點設計動程為48 mm。

⑦在尖軌軌頭水平刨切之后基本軌軌腰上設置頂鐵，起保持尖軌支距的作用，并使基本軌與尖軌共同承受水平力。

⑧尖軌跟端采用彈性可彎式，對工作邊軌底進行刨切，降低尖軌理論彎折點區域的橫向剛度，從而減小扳動力。為了防止尖軌爬行及更好地傳遞溫度力，跟端采用間隔鐵型式。由于該道岔軌下基礎是整體道床結構，在間隔鐵兩側及尖軌與導軌連接的接頭夾板范圍設置安裝箱，便于螺栓拆卸，達到尖軌易更換的目的。尖軌跟端結構如圖4所示。

圖4 尖軌跟端結構

圖5 合金鋼組合轍叉

3.2 固定型合金鋼轍叉

采用合金鋼組合轍叉，如圖5所示。合金鋼鍛造心軌組合轍叉是針對整鑄式高錳鋼轍叉在使用中失效的主要形態為裂紋、剝離掉塊和壽命散度大的情況而研制的，在國內廣泛使用。合金鋼叉心拼裝式轍叉是由合金鋼鍛造叉心、翼軌、叉跟軌以及間隔鐵通過橫向高強度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跟軌均由普通鋼軌制造，可直接與線路鋼軌連接。

轍叉全長 5 992 mm，趾端長度 2 192 mm，跟端長度 3 800 mm。心軌為鍛造合金鋼叉心，與叉跟軌拼接。翼軌為標準60 kg/m鋼軌。叉跟軌為標準60 kg/m鋼軌。

4 列車通過道岔時的動力學特性分析

采用多體動力學理論，建立有軌電車-道岔動力學模型，計算有軌電車通過12號對稱道岔時的動力學響應，分析道岔動力學特性。動力學模型的建立方法參見文獻[7]。

有軌電車以速度60 km/h逆向通過60 kg/m 12號對稱道岔時，輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數、減載率、輪軸橫向力和車體橫向加速度時程曲線如圖6所示。圖中橫坐標50 m處為尖軌尖端，80 m處為心軌尖端。由圖可見：有軌電車進入道岔區后，在0.382°轉轍角作用下形成輪軌橫向沖擊荷載，輪軌橫向力達到40 kN。轍叉區存在有害空間，輪載在心軌與翼軌間過渡時形成明顯的輪軌沖擊荷載，輪軌垂向力峰值達到122.7 kN，為靜輪載的2倍。輪軸橫向力峰值為67 kN，減載率、脫軌系數的峰值分別達到0.61,0.62，安全性指標均小于限值要求。在未平衡超高作用下，車體橫向加速度最大值為0.42 m/s2，屬于合格等級。因此，上述道岔區各項動力學指標均滿足運營要求。

圖6 有軌電車以速度60 km/h逆向通過60 kg/m 12號對稱道岔時動力學指標時程曲線

5 結語

軌道交通用60 kg/m鋼軌12號對稱道岔設計，在縮短道岔區段長度，減少地下開挖面積，降低土建工程造價，提高列車的側向容許通過速度和對運量的儲備等方面進行了改進。目前60 kg/m鋼軌12號對稱道岔已經在沈陽有軌電車2號線運營，根據用戶信息反饋，對稱道岔運行正常，尚未發生因道岔本身結構而產生的故障。

60 kg/m鋼軌12號對稱道岔的設計研發，較好地填補城市軌道交通道岔系列的空白，可為新建線行車組織提供技術儲備。本道岔的平面型式及結構設計發揮了曲線尖軌道岔的優勢，同時滿足國家相關規范和標準的要求，在城市軌道交通工程中應用前景廣闊。

[1]張東風，蔣昕，侯愛濱，等.北京城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號單開道岔的設計研究[J].鐵道標準設計,2012,50(9):30-33.

[2]陳漫，劉成，王平.有軌電車6號道岔尖軌轉換有限元分析[J].鐵道建筑，2017,57(1):135-137.

[3]唐志堅,馮毅,雷潔，等.駝峰站場用對稱道岔的設計改進與應用[J].鐵道標準設計,2006,50(5):19-20.

[4]趙衛華,王平,曹洋.基于輪軌動力學的緩和曲線型道岔平面線型設計[J].鐵道科學與工程學報,2015,12(5): 999-1002.

[5]王樹國,葛晶,孫家林.高速鐵路道岔平面設計參數與側線線型的研究[J].鐵道建筑,2014,54(1):91-94.

[6]許有全.客運專線60-18號道岔設計方法的研究[D].北京:北京交通大學,2006.

[7]王樹國,司道林,王猛,等.高速鐵路道岔尖軌降低值對行車平穩性的影響機理研究[J].中國鐵道科學,2014,35(3):28-33.