跨座式單軌整體平轉式道岔系統研究

解麗霞

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

跨座式單軌是一種車輛騎跨于軌道梁上運行的軌道交通制式,道岔是該系統三大關鍵技術之一,采用電力驅動,使道岔梁整體轉轍,與軌道梁或道岔梁對位而形成岔道,以完成車輛行駛線路的轉線需要[1]。跨座式單軌道岔類型主要包括關節式道岔和整體式道岔兩種,關節式道岔又可分為關節型道岔和關節可撓型道岔,整體式道岔又可分為平移式道岔和平轉式道岔,我國重慶單軌主要采用關節式道岔,少量采用平移式道岔[2]。目前,國內外與跨座式單軌道岔相關的研究大多針對關節式道岔,主要涉及道岔構成、參數及設置[3],道岔線形[4],道岔梁結構計算[5],道岔產品研制[6],道岔安裝[7]等;另有部分文獻研究了道岔選型[8]以及整體式道岔道岔梁的結構計算[9-10]。近年來,國內部分城市擬發展具有輕量化、簡約化特點的輕型跨座式單軌。現有關節型道岔側股線形為折線,側向容許通過速度僅為15 km/h,適用于不載客、對速度要求較低的區段,可撓型道岔側股線形為近似曲線,側向容許通過速度為25 km/h,適用于載客或速度較高的區段。從結構組成上分析,關節型道岔通過調整尺寸可用于各種梁寬的單軌;關節可撓型道岔因撓曲機構需安裝在道岔梁內,只能用于梁寬不小于800 mm的單軌,并不適用于梁寬大多在700 mm 左右的輕型跨座式單軌。故梁寬較窄的輕型單軌的正線或速度較高區段缺乏適用的道岔產品。為此,針對輕型跨座式單軌需求,系統研究整體平轉式道岔技術,完成換梁型和樞軸型道岔產品設計。

1 道岔工作原理、技術特點及適用范圍

1.1 道岔工作原理

(1)換梁型道岔工作原理

換梁型道岔由兩根整體道岔梁組成,每根梁的固定端設尾軸,兩根梁通過鉸接連桿連接在一起。道岔轉轍時,由驅動裝置驅動一根道岔梁圍繞其尾軸在水平面內轉動,同時連桿帶動另一根道岔梁圍繞其尾軸在水平面內轉動,當指定道岔梁活動端轉轍至與軌道梁對齊位置時,將道岔梁活動端鎖定,線路接通,從而實現列車轉線功能。換梁型單開道岔的工作原理見圖1。

圖1 換梁型單開道岔工作原理

(2)樞軸型道岔工作原理

樞軸型道岔由一根整體直梁組成,梁的固定端設尾軸。道岔轉轍時,由驅動裝置驅動道岔梁圍繞其尾軸在水平面內轉動,當道岔梁活動端轉轍至與指定軌道梁對齊位置時,將道岔梁活動端鎖定,線路接通,從而實現列車轉線功能。樞軸型四開道岔的工作原理見圖2。

圖2 樞軸型四開道岔工作原理

1.2 道岔技術特點及適用范圍

換梁型道岔的側股線形為曲線,具有側向線形平順、容許通過速度較高、結構比較簡單、造價較低、占地面積較大等特點,主要適用于對容許通過速度、平穩性要求較高的配線。

樞軸型道岔的側股線形為折線,具有側向線形不夠平順、容許通過速度較低、結構簡單、占地面積小、造價低、易于實現多開功能等特點,主要適用于對容許通過速度、平穩性要求較低的車場線或其它配線。

2 道岔結構組成研究

2.1 換梁型道岔的結構組成

根據工作原理,換梁型道岔應由道岔梁、走行臺車、驅動及連桿裝置、鎖定裝置、活動端固定段、樞軸端固定段、尾軸、底板及軌道以及控制裝置等組成。

換梁型道岔根據功能需要可分為單開道岔、對開道岔和單渡線道岔。

換梁型單開道岔的結構組成見圖3,其道岔梁由1 根直梁和1 根曲梁組成。

圖3 換梁型單開道岔結構組成

換梁型對開道岔的結構見圖4,其道岔梁由2 根曲梁組成,其余組成與單開道岔相同。

圖4 換梁型對開道岔結構組成

換梁型單渡線道岔的結構示意見圖5,除2 根曲梁共用同一根尾軸外,單渡線道岔形式上相當于由2 組單開道岔反向對接組合而成。

圖5 換梁型單渡線道岔結構組成

2.2 樞軸型道岔的結構組成

根據工作原理,樞軸型道岔與換梁型道岔的最大差異為只設1 根直梁,其余部件與換梁型道岔類似。

樞軸型道岔根據功能需要可分為單開道岔、對開道岔、三開道岔、四開道岔和單渡線道岔,其中單渡線道岔形式上相當于由兩組單開道岔反向對接組合而成。樞軸型四開道岔的結構組成見圖6。

圖6 樞軸型四開道岔結構組成

3 道岔主要技術參數研究

道岔技術參數主要包括道岔梁尺寸、容許通過速度、曲線半徑、轉轍角、轉轍時間及轉轍量等。道岔的技術參數應與工程需要相匹配。

3.1 道岔梁尺寸

對于整體平轉式道岔,道岔梁相當于可轉動的軌道梁,道岔梁各部位尺寸應滿足車輛走行輪、導向輪和穩定輪的走行要求,道岔其它部件以及接觸軌等相關系統的安裝要求和限界要求。

道岔梁寬度需與車輛相匹配,根據蕪湖軌道交通項目車輛選型,道岔梁寬度為690 mm。

3.2 容許通過速度

根據現行國家標準《跨座式單軌交通設計規范》,當道岔處于曲線或折線狀態下車輛通過時應限速行駛,當道岔處于直線狀態時,應滿足列車最高行駛速度的要求[11]。因此,道岔直向容許通過速度應不低于列車最高行駛速度;道岔側向容許通過速度:在折返線、出入段線等地段應滿足行車組織要求,根據國內外跨座式單軌線路實際經營情況,配線道岔側向容許通過速度通常在15～40 km/h 之間,車場作業區通常對容許通過速度要求較低,車場線道岔側向容許通過速度可控制在5～15 km/h。

3.3 換梁型道岔曲線半徑

換梁型道岔側股線形為曲線,可采用簡單圓曲線線形,也可采用舒適度更佳的緩圓緩曲線線形。

側股道岔梁線形應滿足車輛結構、車輛過岔平穩性的要求,載客區道岔尚應滿足乘客舒適度的要求。根據蕪湖軌道交通項目選型車輛資料,道岔側股曲線半徑應不小于車輛可通過的最小曲線半徑46 m。

因道岔區不設超高,換梁型道岔側向容許通過速度與曲線半徑的關系應滿足

式中,R為道岔側股曲線半徑;V為道岔側向容許通過速度;a為列車通過曲線時產生的未被平衡的橫向加速度。

關于未被平衡的橫向加速度a的取值,配線道岔參考現行國家標準《地鐵設計規范》條文說明中的建議(正常為0.5 m/s2,瞬間為0.65 m/s2)[12],即載客側向通過的道岔,a的取值按照一般不大于0.5 m/s2,最大不大于0.65 m/s2的原則控制,這個取值為“有些不舒適,但可以忍受”的感覺范圍;其它不載客側向通過的道岔,參考國外相關線路的欠超高率限值,結合離心力檢算,根據導曲線半徑按照欠超高率限值為6.5%～10%控制,即不載客側向通過的道岔,a的取值可根據曲線半徑大小按照0.65～1.0 m/s2控制。

根據式(1),可由未被平衡的橫向加速度及側向容許通過速度計算需要的最小曲線半徑,或由未被平衡的橫向加速度及曲線半徑計算道岔側向容許最大速度。

3.4 樞軸型道岔轉轍角

樞軸型道岔側股線形為折線,其輪軌關系類似于鐵路道岔的直線尖軌區。對于膠輪系統,目前對這種折線形道岔側向容許通過速度尚無成熟的計算方法,預計與車輛走行系統、道岔線形及結構等有關。考慮到跨座式單軌采用導向輪擠壓軌道梁側面導向,常規鐵路采用輪緣擠壓鋼軌側面導向,兩者的輪軌關系有一定的相似性,研究中道岔側股轉轍角與容許通過速度間的限制性關系參考鐵路客貨共線道岔對列車動能損失的影響,即道岔側向容許通過速度應滿足列車動能損失不大于0.65 km2/h2的要求[13],有

式中,ω為列車動能損失;β為道岔側股轉轍角;V為道岔側向通過速度。

理論上,根據式(2),由道岔側向容許通過速度計算出允許的最大轉轍角,或由轉轍角計算出道岔側向容許最大速度。重慶單軌關節型道岔側向容許通過速度限值基本符合式(2)的要求。但跨座式單軌轉向架結構不同于常規的鋼輪鋼軌車輛轉向架,列車側向通過折線形道岔時的輪軌相互作用有其特點。相關測試表明,由于膠輪具有良好的彈性,列車以較高速度通過折線時對舒適度的影響沒有鋼輪軌系統明顯,但轉向架承受的沖擊效應較為明顯,較高速度頻繁通過折線會降低轉向架的使用壽命。因此,樞軸型道岔容許通過速度需考慮車輛對通過速度的適應性要求,在式(2)計算結果基礎上予以適當折減。

3.5 轉轍量及線間距

道岔轉轍量及渡線道岔線間距應滿足跨座式單軌交通限界、道岔線形及自身結構的要求。根據蕪湖軌道交通項目車輛選型,道岔區直線限界取2 170 mm,曲線區限界根據曲線半徑進行適當加寬。

3.6 轉轍時間

根據重慶單軌道岔應用情況和蕪湖軌道交通項目需求,道岔相鄰位置轉轍時間應不大于15 s。

3.7 研究的系列道岔規格及參數

根據對國內單軌線路的需求分析,從道岔系列化和標準化角度,研究了單開、對開、三開、四開樞軸型道岔,側股曲線半徑為54 m、69 m、100 m 和140 m 的換梁型道岔,針對蕪湖軌道交通項目需求及選型車輛技術參數設計的換梁型道岔規格及主要技術參數見表1,樞軸型道岔規格及主要技術參數見表2。

表1 換梁型道岔規格及主要技術參數

表2 樞軸型道岔規格及主要技術參數

4 道岔主要部件研究

4.1 道岔梁及固定段

道岔梁及固定段為車輛的走行軌道,應具有車輛走行、導向、穩定和支承功能,應能承受車輛、風等外部載荷的作用,設計要點如下。

(1)道岔梁及固定段的結構尺寸應根據車輛轉向架要求的軌道截面進行設計。主體結構采用箱型焊接結構,主要由頂板、腹板、底板、隔板、加強筋等組成,其中頂板為車輛走行面板。樞軸型道岔的腹板兼做導向板及穩定板;換梁型道岔梁兩側腹板外側設π 形結構,π 形結構的立板為車輛走行的導向面板和穩定面板。道岔梁、固定段需要為道岔驅動裝置、鎖定裝置、臺車、尾軸等的安裝設置安裝板或安裝架,為接觸軌安裝槽道。

(2)結構計算是道岔梁及固定段設計中的重要內容,結構強度、剛度要求及計算方法應符合《跨座式單軌交通設計規范》“軌道梁橋”章節的規定。

(3)為避免道岔轉轍時發生干涉,道岔梁與活動端固定段之間需保留較大間隙時,應在梁端部走行面及導向面、穩定面處設置接縫板,以保證車輛平穩通行。

(4)道岔梁及固定段的走行面應進行防滑處理,以滿足車輛行駛時的防滑要求。

4.2 驅動及連桿裝置

驅動及連桿裝置是使道岔實現換線功能的動作機構,應能使道岔在規定時間內完成道岔梁從啟動到停止的轉轍動作,且應保證道岔運行平穩、到位準確,設計要點如下。

(1)換梁型道岔的驅動及連桿裝置可由電動推桿、推桿安裝架、鉸接銷軸、驅動連桿連接架等組成。樞軸型道岔的驅動裝置可由電動推桿、推桿安裝架、螺桿連接架、拉桿、拉桿安裝架等組成。

(2)驅動推桿的推力及運行速度應滿足使用需要,并考慮一定安全余量,驅動電機的絕緣及防護等級應適合道岔的使用環境。

(3)連桿兩端以鉸接方式與道岔梁連接,以實現換梁型道岔直股接通、側股接通時不同限界的要求。電動推桿電機端采用耳軸安裝方式,活動端采用鉸接方式,以適應道岔轉轍過程中推桿與道岔梁之間角度的變化。

(4)驅動裝置須具有手動功能,以確保斷電等異常情況下可通過手動操作使道岔轉轍復位。

(5)驅動及連桿裝置應便于安裝、調整及后期維護。

4.3 鎖定裝置

鎖定裝置是在道岔梁轉轍到位后,使道岔梁準確對位并牢固鎖緊的裝置,應能使道岔在規定時間內完成道岔鎖定動作,且保證定位準確、鎖定牢固可靠,設計要點如下。

(1)鎖定裝置可由電動推桿、推桿安裝座、鎖銷或滾輪、定位槽、鎖銷座及鎖定位置檢測裝置等組成。

(2)鎖定裝置應能承受車輛通過時產生的橫向載荷,具有足夠的強度和剛度,保證道岔梁鎖定牢固可靠。

(3)鎖定推桿的推力及運行速度應滿足使用需要,并考慮一定安全裕量,鎖定電機的絕緣及防護等級應適合道岔的使用環境。

(4)鎖定裝置須具有手動功能,以確保斷電等異常情況下可通過手動操作使道岔鎖定復位。

(5)應設置鎖定位置自動檢測裝置并與信號系統聯鎖,以準確檢測并反饋道岔位置信息,保證車輛安全運行。當自動控制故障時,應能切換為人工操作方式。

(6)換梁型道岔活動端走行面宜設活動式接縫板,并與鎖定裝置聯動,使道岔在鎖閉狀態時接縫板與走行面保持平齊,車輛可平穩通行;在道岔解鎖時,接縫板隨鎖銷縮回而抬起,保證道岔梁在轉轍時與固定段不發生干涉。

(6)鎖定裝置應便于安裝、調整及后期維護。

4.4 走行臺車

走行臺車是道岔梁的走行和支撐裝置,應具有承受車輛載荷、風載荷和抗傾覆的能力;臺車在道岔轉轍時,應運行平穩順暢,無異常卡頓、沖擊、振動及噪聲,設計要點如下。

(1)走行臺車可由臺車架、車輪組、連接螺栓等部分組成。

(2)每組臺車應由兩個車輪組支撐,保證足夠的穩定性。臺車架應具有足夠的強度和剛度,并用螺栓連接或焊接方式與道岔梁牢固連接在一起。臺車兩輪軸間設有一定的夾角,夾角的大小應與轉轍半徑相匹配。

(3)車輪組應具有足夠的承載力,軸承選型應考慮一定承載力裕量。

(4)車輪組應設置可靠的潤滑裝置,確保車輪運轉靈活。

(5)車輪組設計應考慮互換性,并便于安裝、調整及后期維護。

(6)活動端臺車走行兩端終點應設置臺車車擋,以限制走行臺車在規定范圍內運行。

4.5 尾軸

尾軸中心為道岔梁的轉轍中心,應牢固穩定,能承受車輛通過時的載荷作用,設計要點如下。

(1)道岔尾軸宜由轉軸、軸承及安裝座等部分組成。

(2)轉軸應具有足夠的強度和剛度,軸徑安裝軸承部分應進行耐磨處理。

(3)轉軸軸承宜選用關節軸承,以適應梁體誤差及變形,應具有足夠的承載力,并設置良好潤滑。

(4)安裝座應牢固地安裝在道岔基礎上。

(5)尾軸應便于安裝、調整及后期維護。

4.6 控制裝置

控制裝置是對道岔各機構進行控制和檢測的電氣設備,接收信號系統位置指令,控制道岔狀態,向信號系統送出道岔位置信號。控制裝置是道岔核心部件之一,直接影響運營安全,可靠性、安全性要求高[14],設計要點如下。

(1)控制裝置應具備對道岔進行控制、狀態檢測及向信號系統反饋道岔位置表示信號的功能。道岔控制應能按指令完成道岔的解鎖、電機啟動、轉轍、鎖閉動作;道岔狀態檢測及信息反饋應能準確檢測道岔位置信息,并將道岔位置表示信號傳輸給信號系統,且道岔位置表示與道岔的實際位置一致。

(2)控制裝置應具有集中控制、現場控制及手動控制三種控制模式,各控制模式應能互相切換使用。正常運行時為集中控制模式,即道岔應能按信號系統發出的指令自動完成系列動作。現場控制通過操作控制面板對道岔進行控制,應能對道岔轉轍實施連續及分步控制。手動控制通常是在道岔失電情況下,通過手工操作對道岔進行控制。道岔控制裝置與信號系統間應設置授權、收權聯鎖電路。

(3)控制裝置應具備系統檢測、故障診斷、故障保護和報警功能,檢測范圍應包括道岔工作模式、梁體位置、鎖定狀態等;故障診斷應包括電機、控制器等核心部件;當診斷出內部故障時,應觸發本地報警功能。電氣保護應包括電源相序檢測、電源短路、斷相、電機過流及過載等保護功能。

(4)控制電路須滿足“故障-安全”原則,聯鎖控制和信號回路應采用安全型繼電器。

(5)動力電源應采用一級負荷供電,控制電源應由不間斷電源供電。

(6)應設可靠的工作接地和防雷保護接地,防雷接地電阻值應不大于10 Ω,工作接地電阻值應不大于4 Ω。

5 道岔制造及安裝精度要求

道岔設備結構復雜,制造精度和安裝精度要求高。道岔梁及固定段是車輛走行的軌道,其寬度誤差應滿足車輛走行的要求。道岔梁走行面、導向面、穩定面的直線度,走行面和導向面及穩定面的垂直度,道岔梁與固定段的水平、高低錯位等精度要求應符合《跨座式單軌交通設計規范》的規定。道岔轉轍量允許偏差應符合《跨座式單軌交通施工及驗收規范》[15]的規定。

6 結語

以蕪湖軌道交通輕型跨座式單軌車輛特征為對象,系統研究整體平轉式道岔兩種細分類型換梁型道岔和樞軸型道岔技術,主要研究成果如下。

(1)明確道岔的工作原理、技術特點、適用范圍、結構組成、主要部件研究要點以及道岔制造及安裝精度要求。

(2)確定道岔容許通過速度、曲線半徑、轉轍角、轉轍量及轉轍時間等主要參數的計算或取值方法。

(3)形成適用于不同需求的系列道岔規格,包括側股曲線半徑為54 m、69 m 和100 m 的換梁型道岔以及單開、對開、三開、四開樞軸型道岔。

整體平轉式道岔具有結構簡單、維護方便、造價低等特點,其基本型式不僅適應于蕪湖軌道交通所采用的輕型單軌系統,也適用于其它類型跨座式單軌。