現(xiàn)代有軌電車小號(hào)碼道岔彈性可彎尖軌的研制

車 偉

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

1 概述

城市軌道交通系統(tǒng)含地鐵、輕軌、單軌、市域快軌、現(xiàn)代有軌電車5種制式，其中現(xiàn)代有軌電車新建里程占比逐年增長，已經(jīng)成為城市軌道交通系統(tǒng)重要組成部分。為了進(jìn)一步提高營運(yùn)的舒適性及安全性，現(xiàn)代有軌電車對(duì)道岔的性能提出了更高的要求。在不斷總結(jié)早期有軌電車道岔設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)代有軌電車尖軌跟端活接頭病害問題，提出了新的解決方案。

2 道岔尖軌結(jié)構(gòu)選型

2.1 道岔平面線型

為減少占地面積，車輛站場一般采用50 kg/m鋼軌3號(hào)單開道岔。道岔平面線型見圖1，導(dǎo)曲線半徑為25 m，圓切線型，尖軌為半切線型。道岔全長L=10 440 mm，前長a=5 605 mm，后長b=4 835 mm，軌距為1 435 mm。

2.2 尖軌結(jié)構(gòu)的選型

尖軌采用50AT1鋼軌制造，跟端熱壓成型為標(biāo)準(zhǔn)50 kg/m鋼軌。

由于3號(hào)道岔角度大，尖軌長度短，為減小尖軌扳動(dòng)力，保證最小輪緣槽尺寸，尖軌跟端固定結(jié)構(gòu)一般采用活接頭形式(見圖2)。活接頭結(jié)構(gòu)尖軌可在由帶擋肩的雙頭螺柱在魚尾板與間隔鐵形成的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由扳動(dòng)，魚尾板、間隔鐵及螺栓約束尖軌的跟端。尖軌一般采用直線型，其彈性變形小，所需轉(zhuǎn)換力小，有利于尖軌和基本軌之間的自然密貼。但由于尖軌跟端存在接頭，導(dǎo)致接頭處穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生病害，是道岔的薄弱環(huán)節(jié)[1-3]。

鑒于活接頭結(jié)構(gòu)病害問題發(fā)生數(shù)量較多，首次提出了在小號(hào)碼道岔中尖軌采用彈性可彎結(jié)構(gòu)(見圖3)，尖軌跟端直接與轍叉趾端相連接，徹底消除活接頭病害。彈性可彎尖軌跟端縱橫向和扭轉(zhuǎn)位移均被扣件約束，其扳動(dòng)主要通過尖軌自身彈性形變實(shí)現(xiàn)。在彈性可彎中心處，對(duì)軌底進(jìn)行刨切，以減小截面的橫向慣性矩，可以有效降低尖軌彈性轉(zhuǎn)換力[4-6]。

3 尖軌彈性可彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換力和不足位移是尖軌設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵衡量指標(biāo)，既有小號(hào)碼道岔由于尖軌長度短，彈性應(yīng)力較大，轉(zhuǎn)換力同樣較大，不適宜設(shè)計(jì)為彈性可彎式。本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)就是通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)換力的目的。

3.1 尖軌長度

由于3號(hào)道岔號(hào)碼小，角度大，原有設(shè)計(jì)活接頭結(jié)構(gòu)尖軌較短，僅為3 263 mm。為減少轉(zhuǎn)換力，需加長尖軌長度。因此本次設(shè)計(jì)尖軌與后端導(dǎo)曲線鋼軌合并，尖軌跟端直接與轍叉趾端相連接，直線尖軌長度為6 723 mm，曲線尖軌長度為6 892 mm。

3.2 彈性可彎結(jié)構(gòu)

尖軌銑削彈性可彎段是最常采用的降低轉(zhuǎn)換力方案。本次設(shè)計(jì)擬采用兩種彈性可彎段加工方案。方案一是僅銑削50AT1鋼軌工作邊一側(cè)軌肢(如圖4所示)。方案二是銑削50AT1鋼軌工作邊一側(cè)軌肢和兩側(cè)軌腰(如圖5所示)。

3.3 尖軌轉(zhuǎn)換力計(jì)算

對(duì)轉(zhuǎn)換力進(jìn)行計(jì)算可以有效模擬其變化規(guī)律及發(fā)展趨勢，更有助于進(jìn)行尖軌結(jié)構(gòu)的輔助設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)道岔號(hào)數(shù)為3號(hào)，側(cè)股軌道中心線半徑為25 m，尖軌扳動(dòng)共設(shè)置1個(gè)牽引點(diǎn)，第1牽引點(diǎn)距尖軌尖端距離為0.4 m。針對(duì)擬采用的不同工況進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 不同工況轉(zhuǎn)換力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上模擬工況計(jì)算結(jié)果可以確定，彈性可彎段長度的增長可以小幅降低轉(zhuǎn)換力；動(dòng)程降低可以降低轉(zhuǎn)換力及不足位移。經(jīng)與電務(wù)部門溝通，轉(zhuǎn)轍機(jī)額定轉(zhuǎn)換力為4 kN，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)程可以設(shè)置為80 mm。因此，綜合確定尖軌彈性可彎段長度采用工況四進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 尖軌轉(zhuǎn)換力實(shí)物測試

分別按照方案一(如圖4所示)、方案二(如圖5所示)彈性可彎結(jié)構(gòu)對(duì)尖軌進(jìn)行加工，其中彈性可彎段長度按照計(jì)算結(jié)果中的1 500 mm執(zhí)行，動(dòng)程采用80 mm，并進(jìn)行了廠內(nèi)道岔試制和轉(zhuǎn)換力測試(如圖6所示)，結(jié)果見表2。

表2 轉(zhuǎn)換力實(shí)物測試結(jié)果

從以上測試結(jié)果可以看出，實(shí)測轉(zhuǎn)換力較計(jì)算結(jié)果偏大。原因是道岔系統(tǒng)內(nèi)受制造、組裝公差配合的影響，滑床板的摩擦阻力不穩(wěn)定；道岔設(shè)置的連桿同樣提供了橫向轉(zhuǎn)換阻力；頂鐵的頂靠增大了轉(zhuǎn)換阻力等。通過尖軌轉(zhuǎn)換力實(shí)物測試，方案一轉(zhuǎn)換力接近電轉(zhuǎn)機(jī)額定轉(zhuǎn)換力，不利于長期使用。因此，尖軌彈性可彎結(jié)構(gòu)最終采用如下方案：尖軌工作邊一側(cè)軌肢+雙側(cè)軌腰切削結(jié)構(gòu)+長度1 500 mm+動(dòng)程80 mm。

4 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1)首次設(shè)計(jì)了小號(hào)碼道岔尖軌彈性可彎結(jié)構(gòu)，打破了設(shè)計(jì)思維定勢，為今后小號(hào)碼道岔設(shè)計(jì)提供了借鑒。

2)通過理論模型計(jì)算和實(shí)物測試，確認(rèn)了小號(hào)碼彈性可彎尖軌的可行性。但理論計(jì)算與實(shí)際鋪設(shè)測試之間誤差較大，后續(xù)可進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)，完善小號(hào)碼彈性可彎尖軌計(jì)算模型，使其理論計(jì)算結(jié)果更具有準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

通過理論計(jì)算及廠內(nèi)試制，小號(hào)碼道岔彈性可彎尖軌達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。新研制的50 kg/m鋼軌3號(hào)單開道岔已在文山州城市軌道交通現(xiàn)代有軌電車示范項(xiàng)目4號(hào)線中應(yīng)用，使用效果良好。

小號(hào)碼道岔彈性可彎尖軌可以有效解決既有道岔尖軌活接頭結(jié)構(gòu)病害問題，隨著城軌交通建設(shè)規(guī)模不斷增大，該技術(shù)有較大的推廣價(jià)值。