懸掛式單軌道岔選型及工藝布置研究*

游鵬輝

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥工程師)

懸掛式單軌交通因其建設周期短、占地面積小、不破壞城市景觀,而廣受中小城市及旅游城市的青睞[1-2]。

道岔作為懸掛式單軌交通的關鍵設備之一,其類型和工藝布置直接影響項目建設方案、線路運行效率,甚至行車安全。因此,有必要對懸掛式單軌道岔的選型和工藝布置進行研究。

1 懸掛式單軌道岔的類型及結構

根據結構的不同,懸掛式單軌道岔主要分為平移換梁型道岔、梯子型芯軌轉轍道岔及倒T形芯軌轉轍道岔[2-3]。國內外懸掛式單軌項目中主要采用的道岔類型如表1所示。

表1 懸掛式單軌項目采用的道岔類型

不同類型的懸掛式單軌道岔,具有不同的結構及特點,適用的工況場景也會不同。

1.1 平移換梁型道岔

德國伍伯塔爾市線平移換梁型道岔將直線和曲線道岔梁設置在門式框架上,通過移動門式框架實現道岔梁的切換,進而改變單軌列車的運行方向。該道岔結構較復雜,移動結構的質量較大,因此對動力系統要求較高,轉轍速度較低,投資較高[2-4]。該道岔僅適用于輪軌關系為浪琴型的懸掛式單軌交通,而不適用應用最廣的SAFEGE型懸掛式單軌交通[5]。

我國中鐵寶橋集團有限公司研發了一種適用于SAFEGE型懸掛式單軌交通的平移換梁型道岔(單開),并在成都中唐空鐵試驗線中進行了應用[6]。該平移換梁型道岔結構如圖1所示[7]。本文以該型道岔為例對平移換梁型道岔進行研究。

注:1—門式橫梁;2—鎖定機構;3—直線道岔梁;4—電氣控制柜;5—驅動及走行裝置;6—曲線道岔梁;7—人梯及檢修平臺。

該平移換梁型道岔通過齒輪齒條傳動的方式平行移動直線道岔梁或曲線道岔梁,使之與兩端線路軌道梁對接貫通,實現列車的換線行駛。

該型道岔的主要特點為[3]:

1) 轉轍運動單一,結構簡單,成本較低,直線和曲線道岔梁可預制,平順性高。

2) 道岔梁整體平移對轉轍動力系統要求較高,轉轍時間長。

3) 多個單獨的道岔梁,整體體積龐大,占用較大空間,安裝及運輸困難。

1.2 梯子型芯軌轉轍道岔

梯子型芯軌轉轍道岔主要結構如圖2所示。在驅動裝置、傳動桿及傳動器的作用下,長尖軌繞軸轉動,短尖軌進行復合擺動,長尖軌與短尖軌不同側對接貫通,從而實現列車換向切換[8]。

注:1—道岔梁;2—長尖軌;3—驅動裝置;4—傳動桿; 5—傳動器;6—短尖軌。

該型道岔的長尖軌兩側處無走行面,會產生走行不連續,即當列車走行到道岔長尖軌區域時,一側走行輪會處于懸空,此時列車在該側僅能通過導向輪的支承來獲得穩定平衡[2-3]。

該型道岔的主要特點為:

1) 轉轍運動復雜,對控制系統要求較高。

2) 長尖軌與短尖軌同時動作對接,轉轍時間短,但平順性較差。

3) 結構緊湊,道岔整體尺寸較小,安裝與運輸方便。

1.3 倒T形芯軌轉轍道岔

倒T形芯軌轉轍道岔三維結構如圖3所示。道岔核心部件轉轍芯軌采用兩段式設計,由轉動軌和隨動導向尖軌組成;補償板、修正板配合其使用。

注:1—轉動軌驅動機構;2—補償板驅動機構;3—補償板;4—轉動軌;5—銷式閉鎖裝置;6—修正板驅動機構; 7—隨動導向尖軌;8—爪式閉鎖裝置;9—修正板。

該型道岔的轉轍原理與梯子型芯軌轉轍道岔基本相同,但結構存在較大差異。其轉動軌采用倒T形結構,底板為走行面,立板為導向面;補償板在轉動軌轉轍時對走行面缺口進行補充,修正板配合補償板與轉動軌底板修整梁開口線形狀,二者為列車走行輪提供了連續、平順的走行面[2-4]。

該型道岔的主要特點為:

1) 道岔結構復雜,對控制系統要求高。

2) 轉動軌、補償板及修正板相互協同,使道岔平順性和安全性更高。

3) 由于只有一段轉動軌,因此該道岔比梯子型芯軌轉轍道岔更短。但由于補償板驅動機構、修正板驅動機構側置,該道岔比梯子型芯軌轉轍道岔更寬。

1.4 關節型道岔

借鑒成熟的跨坐式單軌交通關節型道岔,中國鐵建重工集團股份有限公司研發了一種適用于懸掛式單軌交通的多開關節型道岔,并制造了樣機。目前該型道岔還未在工程項目中得到應用。

關節型道岔結構如圖4所示[9]。該道岔通過驅動多個道岔梁關節進行曲線擬合,能實現與多個方向軌道梁的對接貫通。

注:1—關節道岔梁;2—指形接手;3—驅動裝置;4—鎖定裝置;5—多開軌道梁;6—門式梁。

該型道岔的主要特點為:

1) 可實現一對多轉轍切換,占地面積更小,工程投資更少。

2) 多段折線擬合,平順性差。

3) 產品不成熟,控制系統更加復雜,轉轍時間長。

1.5 各類型道岔對比

各類型道岔的主要特征對比如表2所示。

表2 各類型道岔主要特征對比

2 工程需求分析

懸掛式單軌道岔主要設置在正線的車站出入線、渡線、故障停車線、折返線,以及車輛段與停車場(以下簡稱“段場”)的出入線、停車線等工程場景中,不同場景對道岔的需求不同。由于道岔在渡線和折返線的應用功能類似,故本文不單獨分析折返線的工程需求。

2.1 正線

為增加列車運行及調度的靈活性,正線為單線的車站會設置出入線及道岔,正線為雙線的車站可能會設置單渡線及道岔。為應對突發事故,在條件允許時還會在正線設置停車線用于故障列車的應急暫停。正線車站出入線、單渡線及故障停車線的道岔設置情況如圖5所示。

a) 車站出入線

2.2 段場線路

段場出入線一般由車站經道岔引出,之后根據功能需求由道岔分叉成停車線、檢修線、換輪線、洗車線、調車線、試車線、臨修線及工程車庫線等段場停放線。以某車輛段為例,其段場出入線及停放線的道岔設置如圖6—圖7所示。

圖6 段場出入線的道岔設置示意圖

圖7 段場停放線的道岔設置示意圖

3 道岔選型及工藝布置

3.1 車站出入線

車站出入線道岔的轉轍時間關系列車的通行能力,直接影響線路的運營時間及營收效益。道岔的平順性,直接影響列車行駛安全和乘客乘坐的舒適性。

芯軌轉轍型道岔和平移換梁型道岔產品均已成熟且有工程應用,其中平移換梁型道岔所需空間較大,不利于車站布置;梯子型芯軌轉轍型道岔走行面不連續,需配合特定的列車轉向架才能使用,平順性較差;倒T形芯軌轉轍型道岔更加平順、安全,轉轍時間較短。由此可見,現階段建議車站出入線優先采用倒T形芯軌轉轍型道岔。車站出入線的倒T形芯軌轉轍型道岔工藝布置如圖8所示。

圖8 車站出入線的倒T形芯軌轉轍型道岔工藝布置圖

3.2 正線單渡線

正線的單渡線主要用于線路間聯絡以及行車折返。道岔的尺寸,特別是寬度參數,與線間距相關,直接影響工程的占地面積及建設投資。單渡線同車站出入線一樣,對道岔轉轍時間及平順性有較高的需求。

相較平移換梁型道岔,倒T形芯軌轉轍型道岔占地面積更小,轉轍時間更短,平順性更好。因此,現階段建議正線單渡線優先采用倒T形芯軌轉轍型道岔。正線單渡線的倒T形芯軌轉轍型道岔工藝布置如圖9所示。

圖9 正線單渡線的倒T形芯軌轉轍型道岔工藝布置圖

3.3 故障停車線

故障停車線的使用頻率較低,對轉轍時間、平順性均要求不高,因此其道岔選擇僅需考慮占地面積因素。現階段建議故障停車線優先采用倒T形芯軌轉轍型道岔+平移換梁型道岔的組合方式。故障停車線的組合道岔工藝布置如圖10所示。

圖10 故障停車線的組合道岔工藝布置圖

3.4 段場出入線

段場出入線主要用于空載列車或工程車進出段場,使用頻率高,對轉轍時間要求高,但對平順性要求不高,因此其道岔選擇僅需考慮占地面積因素。現階段建議段場出入線優先采用倒T形芯軌轉轍型道岔。段場出入線的倒T形芯軌轉轍型道岔工藝布置如圖11所示。

圖11 段場出入線的倒T形芯軌轉轍型道岔工藝布置圖

3.5 段場停放線

段場中停放線數量眾多,使用頻率較高,對道岔的轉轍時間及平順性要求不高,但十分重視道岔對段場整體布置、用地面積、土地利用率、調車停放效率及工程投資等方面的影響。采用不同類型道岔和工藝布置時,段場方案會有較大差別。以某車輛段為例,分別采用倒T形芯軌轉轍型道岔、平移換梁型道岔及關節型道岔,進行段場工藝布置。不同道岔方案的段場線路工藝布置如圖12所示。

a) 倒T形芯軌轉轍型道岔方案

三種方案的主要技術指標如表3所示。

表3 三種道岔方案的主要技術指標

由表3可知,與倒T形芯軌轉轍型道岔方案相比:平移換梁型道岔方案的道岔數量減少31.3%,車輛段橫向長度減少10.3%,占地面積減少6.7%;關節型道岔方案道岔數量減少50.0%,車輛段橫向長度減少16.0%,占地面積減少10.4%。

考慮產品成熟度分析后建議,段場停放線優先采用平移換梁型道岔,待懸掛式單軌關節型道岔產品成熟后再優先采用關節型道岔。

4 結語

通過分析不同懸掛式單軌道岔類型及結構的特點,結合工程需求,最終提出適用于不同場景的最優道岔類型及工藝布置建議。

隨著懸掛式單軌交通的推廣,本文可作為后續項目中道岔選型及工藝布置的參考。