新型懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

王 雙，張穎暉，王 朋，張 坤

（中鐵工程機(jī)械裝備研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430066）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)各大城市人口的不斷增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)公共交通的需求越來(lái)越大，城市的可持續(xù)發(fā)展對(duì)公共交通的要求越來(lái)越苛刻，在滿足人們出行需求且不阻礙城市可持續(xù)發(fā)展的前提下，懸掛式軌道交通漸漸出現(xiàn)在人們的視野。

懸掛式單軌交通并非是一種全新的軌道交通運(yùn)輸形式。1903年，世界第一個(gè)懸掛式軌道交通系統(tǒng)在德國(guó)伍珀塔爾市全線通車(chē)，全長(zhǎng)13.3 km。1984年，自動(dòng)化的現(xiàn)代懸掛式空中列車(chē)系統(tǒng)在德國(guó)多特蒙德開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，并且在1993年進(jìn)行了系統(tǒng)的擴(kuò)建與更新，現(xiàn)已建成兩條懸掛式空中列車(chē)交通線。2002年，德國(guó)又建成開(kāi)通了杜塞爾多夫空中列車(chē)線。1970年和1988年日本先后開(kāi)通了湘南線和千葉線。

懸掛式軌道交通系統(tǒng)主要由支柱、軌道梁、道岔系統(tǒng)、機(jī)車(chē)車(chē)輛和通訊信號(hào)等組成。其中核心技術(shù)的研究主要集中在軌道梁、車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架和道岔系統(tǒng)。

1 懸掛式軌道交通道岔分類(lèi)

（1）整體移動(dòng)式道岔梁。整體移動(dòng)式道岔梁是根據(jù)國(guó)內(nèi)既有常規(guī)鐵路和跨座式單軌交通的道岔形式演變而來(lái)。主要由根據(jù)道岔線型預(yù)制的直線梁和曲線梁組合而成。

從原理上講，整體移動(dòng)式道岔梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制作方便，成本較低，動(dòng)作單一，但體積龐大，安裝及運(yùn)輸困難，不宜推廣。

（2）梯子型轍叉道岔。梯子型轍叉道岔主要由道岔梁、梯子型長(zhǎng)心軌和短心軌組成。其轉(zhuǎn)轍原理與鐵路道岔可動(dòng)心軌類(lèi)似，是通過(guò)在箱型軌道梁內(nèi)的長(zhǎng)短心軌的擺動(dòng)，改變列車(chē)的行駛方向，早期在懸掛式單軌交通系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已逐漸被倒T形轍叉道岔所取代。

（3）倒T形轍叉道岔。倒T形轍叉道岔主要由可動(dòng)軌、修正軌、被動(dòng)軌以及其他動(dòng)力裝置組成。其轉(zhuǎn)轍原理與梯子型轍叉道岔基本相同，但結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)方面存在較大差異，日本的湘南線和千葉線均采用該形式的道岔，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，技術(shù)含量較高，存在技術(shù)壟斷。

2 新型懸掛式單軌交通道岔

本文研究目的主要是：通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究和分析，掌握懸掛式單軌交通道岔的關(guān)鍵技術(shù)，著力解決當(dāng)前道岔形式存在的車(chē)輛通過(guò)道岔時(shí)的受力不均狀態(tài)，并提出可行性建議方案，用以改善梁體受力均衡性及車(chē)輛轉(zhuǎn)向架的平穩(wěn)性，進(jìn)而提高車(chē)輛通過(guò)道岔時(shí)的速度、乘坐的舒適度和安全性。

2.1 結(jié)構(gòu)方案

上述梯子型轍叉道岔與倒T形轍叉道岔雖滿足運(yùn)營(yíng)線路使用要求，但兩者都有一定的缺陷。梯子型轍叉道岔方案中，轉(zhuǎn)向架走行時(shí)靠近長(zhǎng)心軌處的走行輪處于懸空狀態(tài)；而倒T形轍叉道岔方案中雖然解決了這一問(wèn)題，但由于可動(dòng)軌底板在水平擺動(dòng)時(shí)重疊在箱梁走行面的上方，與另一側(cè)的走行面形成了一定的高度差，因此車(chē)輛駛過(guò)道岔時(shí)會(huì)使得轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生一定的傾斜，同時(shí)車(chē)廂產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)道岔梁產(chǎn)生沖擊，影響乘坐舒適性。基于上述問(wèn)題的考慮，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種新型的懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)用以解決和改善當(dāng)前存在的問(wèn)題，同時(shí)打破國(guó)外的技術(shù)壟斷是必要的。

新型懸掛式軌道交通系統(tǒng)主要由道岔梁、可動(dòng)軌、被動(dòng)軌、補(bǔ)償軌、修正軌、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及鎖閉機(jī)構(gòu)等組成（圖 1）。

圖1 新型懸掛式軌道交通系統(tǒng)

（1）可動(dòng)軌。可動(dòng)軌是道岔用以實(shí)現(xiàn)改變線路功能的主要結(jié)構(gòu)。它采用倒T形結(jié)構(gòu)，中間部分為導(dǎo)向板，兩翼為走行面板。其直線側(cè)走行面板為直線，岔線側(cè)走行面板為曲線。

（2）被動(dòng)軌。是可動(dòng)軌導(dǎo)向面板的延伸，用以連接可動(dòng)軌的導(dǎo)向面板和道岔梁的導(dǎo)向面板，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪從鋼梁側(cè)導(dǎo)向面到可動(dòng)軌導(dǎo)向面的平滑過(guò)渡。

（3）補(bǔ)償軌。用于補(bǔ)償由于可動(dòng)軌擺動(dòng)侵占轉(zhuǎn)向架走行輪行走踏面而造成的踏面銜接處水平間隙和高差。也是本方案有別于其他道岔的關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)。

（4）修正軌。用于修正可動(dòng)軌行走軌道和道岔梁行走軌道之間的線性差。

（5）驅(qū)動(dòng)裝置。用于驅(qū)動(dòng)可動(dòng)軌擺動(dòng)、補(bǔ)償軌平移、修正軌轉(zhuǎn)動(dòng)、鎖定裝置鎖定等提供動(dòng)力。

（6）控制系統(tǒng)。包括驅(qū)動(dòng)控制、鎖定控制、狀態(tài)檢測(cè)等，并與信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連鎖，保證道岔系統(tǒng)能夠安全、高效地運(yùn)行。

（7）鎖閉裝置。鎖定裝置是道岔安全性和可靠性的重要保證。采用鎖定壓板（銷(xiāo)）的鎖定方式，通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)鎖定壓板（銷(xiāo)），實(shí)現(xiàn)道岔的解鎖和閉鎖。

道岔采用電控裝置（設(shè)獨(dú)立控制箱）進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換，在電控裝置出現(xiàn)緊急情況后，采用人工備用模式。

2.2 工作原理

本道岔系統(tǒng)與倒T形轍叉道岔系統(tǒng)工作原理類(lèi)似，但是由于在倒T形轍叉道岔系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了補(bǔ)償軌，又與倒T形轍叉道岔系統(tǒng)的工作原理有所差異。當(dāng)列車(chē)轉(zhuǎn)向架從軌道交通道岔直線側(cè)轉(zhuǎn)入岔線側(cè)時(shí)，道岔梁內(nèi)部構(gòu)件的工作步驟如下。

（1）正線側(cè)補(bǔ)償軌鎖定裝置（磁力壓板）解除對(duì)補(bǔ)償軌走行面的壓緊。

（2）正線側(cè)補(bǔ)償軌向外側(cè)平移，為可動(dòng)軌走行板讓開(kāi)位置。

（3）岔線側(cè)可動(dòng)軌鎖定裝置（磁力壓板）解鎖（即解除對(duì)可動(dòng)軌走行面的壓緊）。

（4）道岔驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)撥叉，帶動(dòng)可動(dòng)軌、被動(dòng)軌共同向正線側(cè)擺動(dòng)，從而讓開(kāi)可供車(chē)輛在岔線側(cè)通過(guò)的位置。

（5）擺動(dòng)到位后，正線側(cè)可動(dòng)軌鎖定裝置（磁力壓板）壓緊可動(dòng)軌走行面，鎖定可動(dòng)軌的空間位置。

（6）岔線側(cè)補(bǔ)償軌向內(nèi)側(cè)平移，到達(dá)曲線補(bǔ)償位置。

（7）岔線側(cè)補(bǔ)償軌鎖定裝置（磁力壓板）壓緊補(bǔ)償軌走行面，鎖定在岔線側(cè)補(bǔ)償軌的空間位置。

（8）兩側(cè)修正軌鎖定裝置（磁力壓板）解除對(duì)修正軌走行面的壓緊。

（9）兩側(cè)修正軌轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)曲線修正位置。

（10）兩側(cè)修正軌鎖定裝置（磁力壓板）壓緊修正軌走行面，對(duì)兩側(cè)修正軌進(jìn)行鎖定。

（11）此時(shí)可動(dòng)軌曲線側(cè)、被動(dòng)軌曲線側(cè)、補(bǔ)償軌曲線側(cè)、修正軌與梁體共同提供車(chē)輛通過(guò)道岔曲線所需的走行面和導(dǎo)向面。

（12）控制系統(tǒng)PLC檢測(cè)傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)，確認(rèn)位置正確、鎖定可靠后，發(fā)出允許岔線通過(guò)的行車(chē)信號(hào)。

同理，當(dāng)列車(chē)從岔線側(cè)轉(zhuǎn)入直線側(cè)時(shí)也可按照相應(yīng)步驟安全、平穩(wěn)的通過(guò)道岔。

2.3 技術(shù)參數(shù)（表1）

表1 道岔梁技術(shù)參數(shù)

2.4 相關(guān)計(jì)算

（1）道岔梁有限元計(jì)算。本次計(jì)算使用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算校核，道岔梁主要結(jié)構(gòu)為鋼板焊接而成，因此選用SHELL63板單元進(jìn)行模擬。由于道岔梁的受力情況隨著車(chē)輛的位置改變而改變，因此考慮最危險(xiǎn)情況計(jì)算，即轉(zhuǎn)向架中心與可動(dòng)軌中心重合。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，由表2可知，最大應(yīng)力值為271 MPa，最大靜撓度為10.693 mm。道岔梁整體結(jié)構(gòu)均采用Q370q橋梁鋼，其許用應(yīng)力為370/1.5=247 MPa，需要在應(yīng)力集中處進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。

（2）可動(dòng)軌有限元計(jì)算。可動(dòng)軌主要由鋼板拼焊而成，因此選用SHELL 63單元對(duì)鋼板進(jìn)行模擬。前后回轉(zhuǎn)軸提供Z向約束，2個(gè)轉(zhuǎn)向架4個(gè)車(chē)輪載荷（單個(gè)2.65 t）作用在軌道面上4個(gè)位置，轉(zhuǎn)向架單個(gè)輪子作用在可動(dòng)軌后邊緣。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由ANSYS模擬結(jié)果，最大應(yīng)力值為249.432 MPa，最大靜撓度為2.545 mm。模板結(jié)構(gòu)均采用Q370材料型鋼，許用應(yīng)力為3370/1.5=247 MPa，由于本次計(jì)算將車(chē)輪載荷簡(jiǎn)化為集中載荷，存在單點(diǎn)應(yīng)力集中，經(jīng)局部處理后滿足要求。

表2 計(jì)算結(jié)果

表3 計(jì)算結(jié)果

2.5 特點(diǎn)

新型懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)實(shí)為在倒T形轍叉道岔系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。提出了補(bǔ)償軌的概念，切實(shí)的解決了梯子型轍叉道岔導(dǎo)向面不完全連續(xù)以及倒T形轍叉道岔走行輪踏面不完全連續(xù)和存在高差的問(wèn)題，由此轉(zhuǎn)向架不再發(fā)生傾斜，導(dǎo)向輪對(duì)箱梁不再發(fā)生沖擊，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，車(chē)輛過(guò)岔速度得到提升，大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，并且提高了乘車(chē)的舒適性。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)現(xiàn)存懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，找出技術(shù)難點(diǎn)和問(wèn)題所在，經(jīng)分析論證之后，提出了新型的懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和思路。首次提出了補(bǔ)償軌的概念，用以解決當(dāng)前懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題。簡(jiǎn)要提及道岔系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件道岔梁的力學(xué)計(jì)算方法，旨在輔助技術(shù)研究人員用以對(duì)梁體的強(qiáng)度的計(jì)算分析和借鑒。新型懸掛式單軌交通道岔的研制成功將填補(bǔ)我國(guó)懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的空白，為解決國(guó)內(nèi)交通擁擠問(wèn)題做出巨大貢獻(xiàn)。