槽形軌井字形組合道岔的設計

呂文濤 耿超 劉翠華 樊小平

1.中國土木工程集團有限公司， 北京 100038； 2.鐵科（北京）軌道裝備技術有限公司， 北京 102202

隨著現代有軌電車發展，我國沈陽、珠海、蘇州等大中城市已先后建成有軌電車線路。為適應地面車輛混行需求，有軌電車線路軌頂面需要與公路面齊平，并預留有軌電車運行所需的輪緣槽［1］。輪緣槽多采用槽形軌結構。對有軌電車用道岔的研發主要集中于小號碼單開道岔。

槽形軌井字形組合道岔（簡稱井字形道岔）一般由4個菱形交叉組成。該道岔主要用于平交道口，滿足電車在同一路面雙向垂直交叉通過需要，見圖1。兩條交叉的鋼軌曲線半徑可以不同，須根據線路實際情況設計。近年來各大城市構建有軌電車路網的需求增加，急需開展井字形道岔的研發。本文根據三亞市有軌電車線路的需求對井字形道岔進行了設計。

圖1 井字形道岔

1 平面結構設計

1.1 設計參數

受行車條件、城市路網規劃多種因素影響，有軌電車道岔除單開道岔外，其他道岔多為定制產品。井字形道岔需根據線路實際需求特殊定制。

井字形道岔主要技術參數：線路交叉形式為直線與半徑2 000 m曲線相交；線間距為4.3 m；兩條線路交叉角度為89°；道岔允許通過速度小于等于15 km/h；軌距為1 4350-2mm；軌下基礎采用短岔枕埋入設計；鋼軌采用焊接接頭，不設鋼軌絕緣。

車輛輪對參數：最小車輪直徑520 mm，最小輪緣厚度15 mm，輪緣高度28 mm。每個有軌電車項目配備的車型為特殊定制，因此輪對參數不同。道岔設計前應進行查照間隔、護背距離的檢算，以確定轍叉的輪緣槽尺寸。

1.2 轍叉結構參數

車輪在經過鋼軌交叉點時，左右兩車輪同時通過轍叉有害空間。有害空間長度即轍叉輪緣槽寬度，兩交叉輪緣槽工作邊軌線中斷［2-3］，相當于輪對通過較寬的軌縫，見圖2。

圖2 輪軌過渡示意

根據最小輪緣厚度，輪緣槽寬度采用槽形軌槽寬（42 mm），明顯大于鐵路一般要求的18 mm構造軌縫寬度。若采用車輪踏面承擔列車荷載的輪軌接觸形式，則沖擊力巨大，嚴重影響電車運行品質，縮短道岔使用壽命。

為了降低轍叉區輪軌沖擊，將井字形道岔轍叉輪緣槽的深度減小，使其小于輪緣高度［4-5］。這樣車輪通過轍叉時踏面不與軌頂面接觸，輪緣承載，可避免踏面跨越輪緣槽時產生沖擊，如圖3所示。

圖3 輪軌接觸形式變化

井字形道岔的轍叉采用淺槽時，車輪與槽底接觸，輪緣呈倒梯形；輪緣抬升后，輪緣底部較窄。為更好地約束車輪走向，在輪緣槽較淺區段應同步減小輪緣槽寬度［6］。

按軌頂面下14 mm處計算，在淺槽狀態下輪緣厚度為15 mm。輪背距（T）為1 387 mm，因輪背與輪緣槽實際接觸位置并未到達輪背平面，而是處于輪背底部斜面，故實際輪背距大于1 387 mm。名義軌距也因輪緣厚度減小，同步減小為1 430 mm。

根據《道岔設計手冊》［7］要求，淺槽轍叉查照間隔Dy≤T-1 = 1 386 mm。在軌距1 430 mm的前提下滿足Dy的要求，計算得到轍叉平直段輪緣槽寬度為26 mm?？紤]輪對跨越轍叉時輪緣應始終處于輪緣槽約束范圍內，輪緣槽深度取18 mm。轍叉輪緣槽（淺槽）深度及寬度須漸變過渡至與標準槽形軌輪緣槽（深槽）相同，坡率取1∶100。輪緣槽緩沖段末端輪緣槽形狀與標準槽形軌輪緣槽相同，并須保證距接頭大于等于100 mm范圍內為標準槽形軌斷面形狀，方便與線路連接。

2 轍叉鋼軌選型

采用有限元仿真計算軟件分析不同工況下不同類型鋼軌的受力狀態，根據計算結果選定轍叉使用的軌型。

道岔允許通過速度小于等于15 km/h，車輪軸重12.5 t。由于轍叉角度（89°）過大，須采用淺槽結構以保證列車安全通過有害空間。軌型可選73C1鋼軌、105C1鋼軌。兩種鋼軌截面如圖4所示。

圖4 兩種鋼軌截面

由于轍叉結構可看作對稱結構，為簡化計算采用兩種鋼軌制造的轍叉均只建立1/2轍叉模型。轍叉有害空間位置由輪緣槽承受荷載，故重點計算分析列車通過時鋼軌輪緣槽處應力與鋼軌橫向位移的變化。

設計兩種工況。工況1：在鋼軌輪緣槽中間施加150 kN的垂向荷載；工況2：在鋼軌輪緣槽中間施加150 kN的垂向荷載，同時施加50 kN的橫向荷載。

工況1兩種鋼軌Von Mises應力分布見圖5?？芍?3C1鋼軌、105C1鋼軌最大Von Mises應力均出現于軌腰處，其值分別為355.9、199.3 MPa，均小于鋼軌許用應力（880 MPa），受力滿足材料強度要求。

圖5 工況1兩種鋼軌Von Mises應力分布（單位：MPa）

對于工況1，73C1鋼軌、105C1鋼軌最大橫向位移均出現于軌頭處，其值分別為2.83、0.73 mm。

工況2兩種鋼軌Von Mises應力分布見圖6。可知：73C1鋼軌、105C1鋼軌最大Von Mises應力均出現于軌腰處，其值分別為539.6、280.6 MPa，均小于鋼軌許用應力，受力滿足材料強度要求。

圖6 工況2兩種鋼軌Von Mises應力分布（單位：MPa）

對于工況2，73C1鋼軌、105C1鋼軌最大橫向位移均出現于軌頭，其值分別為7.70、3.15 mm。

綜上，無論是受力，還是橫向位移，兩種工況下105C1鋼軌均優于73C1鋼軌。

從結構和受力兩方面綜合考慮，轍叉設置為淺槽結構時車輪與輪緣槽底接觸，鋼軌所承受的車輪壓力主要集中于槽底。105C1鋼軌軌頭較73C1鋼軌寬，105C1鋼軌軌腰較73C1鋼軌厚，105C1鋼軌受力滿足材料強度要求，重心更穩定，開槽位置較自由，焊接性能更好，因此選用105C1鋼軌。

3 焊接式轍叉設計

通常道岔中菱形交叉的鈍角轍叉、銳角轍叉由數控加工而成，將兩種轍叉外形設計成同尺寸的八邊形，滿足轍叉四邊與鋼軌的焊接要求即可，但是焊接成本高，開裂風險大。

既有轍叉［圖7（a）］接頭采用手工電弧焊焊接，單個接頭焊接用時6 ~ 8 h，焊后打磨及調頂用時2 d。焊接單個轍叉至少需要24 h。工人勞動強度大，焊接溫度要求高，焊接變形大。

圖7 新舊轍叉對比

將既有轍叉結構形式優化為105C1鋼軌焊接式轍叉，見圖7（b）。鋼軌焊接式轍叉即在兩鋼軌交叉位置設置一根主軌，將主軌兩側鋼軌焊接到主軌上?？紤]井字形道岔現場運量問題，將運量大的一股鋼軌作為主軌。同側的兩轍叉通過一根主軌聯結為一個轍叉單元，一組菱形交叉由兩個轍叉單元組合而成。

通過大量鋼軌焊接試驗，對比不同斷面形式鋼軌靜彎強度。結果表明：采用仿形斷面鋼軌、熔化極活性氣體保護焊工藝焊接后，鋼軌軌頭和軌底的靜彎強度可達到1 600 ~ 1 700 kN，滿足大于等于1 450 kN的規范要求［8］；焊接單個接頭用時5 h，小于傳統焊接工藝用時（6 ~ 8 h）。

采用105C1鋼軌焊接式轍叉相當于2個既有轍叉，焊接接頭減小1/2，焊接量明顯減小。既有轍叉、105C1鋼軌焊接式轍叉焊接用時分別為48 ~ 64 h、20 h。焊接式轍叉用時明顯減少，工人勞動強度明顯降低。

4 結語

本文首先根據線路設置與行車條件確定了井字形道岔的平面布置形式；然后采用有限元方法進行了鋼軌選型，繼而將既有轍叉結構形式優化為鋼軌焊接式轍叉；最后選取仿形斷面鋼軌，采用熔化極活性氣體保護焊工藝焊接后進行了鋼軌靜彎強度試驗。主要成果如下：

1）根據線路設置與行車條件，確定了井字形道岔的平面布置形式。井字形道岔由4組直曲菱形交叉組成。曲線半徑2 000 m，兩條線路交叉角度為89°，線間距為4.3 m。

2）井字形道岔的轍叉采用淺槽結構。淺槽段名義軌距1 430 mm，查照間隔小于等于1 386 mm，輪緣槽寬度26 mm，深度18 mm。從淺槽過渡至深槽坡率取1∶100，并保證距接頭大于等于100 mm范圍內為標準槽形軌斷面形狀，方便與線路連接。

3）105C1 鋼軌受力滿足材料強度要求且重心穩定，開槽位置較自由，焊接性能更好，因此轍叉采用105C1鋼軌制造。

4）井字形道岔的轍叉采用熔化極活性氣體保護焊工藝焊接。經試驗，采用該焊接工藝后鋼軌軌頭和軌底的靜彎強度滿足規范要求，且焊接單個接頭比傳統工藝用時減少。與既有轍叉相比，采用105C1鋼軌焊接式轍叉焊接接頭減少1/2，降低了加工成本和開裂風險。

井字形道岔已于2019年在三亞有軌電車示范線上應用。上道4年來，線路運營狀態良好。