現代有軌電車6號單開新型道岔設計

閆 宇 青

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西 寶雞 721006)

現代有軌電車運行可靠、舒適、節能、環保等特點,作為城市新興先進的公交方式,已完成了從傳統到現代化的轉變,在全球得到推廣應用。傳統的鐵路道岔主要由工字軌加工制造而成,現代有軌電車道岔主要用槽型鋼軌加工制造。現代有軌電車主要鋪設于城市路面,要便于鋼軌埋入地面,還能夠給電車提供走行軌道,在保證電車正常運行的同時,還要保證路面其他交通參與者的正常通行。有軌電車道岔設計時要保證埋入式結構的耐用性和維修方便。因此,有軌電車道岔對材料及道岔用軌型的選擇有著較為特殊的要求,道岔不僅要安全可靠,而且要性能穩定,適應性強。為了積極響應國家內外雙循環發展戰略,應盡快研發適合國際市場更多軌型、結構形式、扣件形式及集成化的有軌電車用道岔產品,為“一帶一路”建設貢獻更多的力量。

國內外對道岔設計方面的研究積累了大量寶貴經驗,文獻[1] 收集了我國鐵路道岔各個發展階段的重點產品,對具有代表性的道岔還提供了配套的轉轍設備主要技術參數和部件布置圖。趙晨[2]針對國家鐵道試驗中心環形試驗線的運行需求,設計了60 kg/m鋼軌15號單式同側道岔。文獻[3]系統論述天津地鐵6號線道岔選型,通過對三開道岔與普通道岔結構、側向速度、導曲線半徑、配線形式等經濟和技術比較分析方法,定性和定量的闡述了地鐵設計中根據車站周邊房屋樓群,交通疏解,管線切改等周邊環境的制約,選用三開道岔類型的合理性。張立軍等[4]介紹了交叉渡線道岔的平面線型、結構設計、扣件系統、軌下基礎等關鍵技術。該道岔是一種新型重載渡線道岔,可與現有160 km/h的提速道岔用交叉渡線道岔實現替換,其單開轍叉、銳角轍叉、鈍角轍叉均采用合金鋼組合轍叉,以達到延長道岔及其部件使用壽命的目的,采用彈性鉸接裝置可有效隔斷震動的傳遞,調整鉸接岔枕之間離縫。趙振華等[5]基于既有50 kg/m鋼軌9號道岔的現場調研和重載鐵路道岔關鍵設計技術,提出新型50 kg/m鋼軌9號單開道岔設計原則。王樹國等[6]根據國內外重載鐵路道岔運營實踐和技術發展趨勢,提出了重載道岔設計的技術原則和技術指標。駱焱等[7]采用60AT2尖軌并設置軌頂坡,提高了列車經過岔區時的平穩性和旅客的乘座舒適度;采用鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉提高了轍叉使用壽命,減小了養護維修量;采用不同剛度的板下彈性墊層,實現了城市軌道交通道岔區的剛度均勻化及整體低剛度化,有效降低了岔區的振動噪聲。劉婷林等[8]采用彈性可彎式尖軌提出了新道岔轉轍器,徹底消除了活接頭病害,對轍叉跟端進行了優化(采用夾板連接),選用33 kg/m槽型護軌,基本軌內側采用彈性扣壓,提高了車輛段道岔的通過速度(側向通過速度由25 km/h提高到35 km/h),保證了道岔功能要求。王雷等[9]介紹60R2槽型鋼軌6號不對稱三開道岔的設計,闡述道岔平面線型、結構設計等關鍵技術。蔡魯泉等[10]以北京有軌電車西郊線軌道安裝工程為例,介紹了道岔施工中現場準備、道岔布置、道床立模、道岔精調、道床混凝土澆筑、道岔施工、道床頂面施工等具體施工工序,總結出了有軌電車槽型軌道岔安裝施工技術。近年來,我國研制的現代有軌電車道岔結構主要有以下三種。主要結構型式及優缺點對比如表1所示,方案一采用高錳鋼轉轍器與整鑄造高錳鋼轍叉,由于高錳鋼無法直接與導軌焊接,其尖軌跟端養護維修量大,而轍叉需要整體鑄造,需要個性化開模,不能通用。方案二轉轍器采用焊接式框架阻焊,焊接工藝要求高,且轉轍器不易清理框架槽,道岔結構整體復雜,維修難度大;方案三采用了拼裝式轉轍器與焊接轍叉組合結構,整體性好,壽命長,性價比高而且維護工作量小。

表1 現代有軌電車主要結構及優缺點

由表1可知,轉轍器尖軌設計中,轉轍器跟端采用活接頭(樞軸式)結構以達到降低轉轍機轉換力的目的。尖軌跟端采用壓板限位的方式滿足無縫線路的使用要求。這兩者之間存在著一定的矛盾,采用跟端活接頭時,容易發生尖軌跟端連接結構變形、接頭錯牙引起的掉道等病害;采用跟端壓板限位時,容易引起扳動力過大,限位裝置失效等病害。為解決這一矛盾,既能滿足尖軌無縫線路的使用要求,又能保證道岔尖軌順利實現搬動轉換。

基于現代有軌電車道岔實際運用中存在的痛點問題,本文擬提出一種新型合金鋼彈性可彎尖軌及跟端限位機構,以滿足道岔無縫線路的使用需要和解決道岔尖軌搬動力過大等問題。

1 60R2槽型鋼軌6號單開道岔結構設計

1.1 平面線型設計

現代有軌電車60R2槽型鋼軌6號單開道岔主要技術參數如下:道岔角度9°27′44″,全長L=16 000 mm,前長a=4 760 mm,后長b=11 240 mm,軌距1 435 mm。導曲線為單圓曲線,導曲線半徑為50 m。尖軌按相離6 mm半切線型設計,導曲線實際起點在理論28 mm斷面,密貼段結束處在尖軌理論35 mm斷面。道岔平面線型如圖1所示。

圖1 60R2槽型鋼軌6號單開道岔線型圖(單位:mm)

為了提高道岔轉轍區尖軌強度,延長道岔服役壽命,將尖軌向非工作邊側水平加厚3 mm,導曲線實際起點變為31 mm斷面,密貼段結束處變為38 mm斷面,增加了曲線尖軌的粗壯度,提高了尖軌的耐磨性,如圖2所示。

圖2 60R2槽型鋼軌6號單開道岔轉轍器部分軌距圖

1.2 轉轍器設計

1.2.1 基本軌設計

道岔區基本軌采用60R2鋼軌加工制造,分直曲和左右側。采用1∶5斜藏尖結構,同時銑削內側軌底,軌頭、軌底均采用圓弧過渡。如圖3所示。

圖3 基本軌結構示意圖

1.2.2 轉轍器框架與尖軌結構設計

(1) 尖軌結構設計。轉轍區尖軌采用合金鋼鋼板加工制造,尖軌在下料時,按照尖軌的設計外形輪廓進行下料,以提高尖軌的加工效率和材料利用率。由于本次尖軌設計采用了合金鋼鋼板加工制造,設計靈活性強,設計時考慮轉轍機的接口尺寸,為降低尖軌在轉換時的搬動力,考慮彈性可彎段的設計,為保證彈性可彎尖軌固定端的可靠性,設計時配合尖軌固定端結構,考慮彈性可彎尖軌固定端設計。尖軌各斷面設計具體如圖4所示。

圖4 合金鋼尖軌示意圖

(2) 尖軌強度驗算。為了保證尖軌設計的可靠性,對尖軌建立了三維有限元模型,變截面梁采用關鍵斷面插值形成連續結構,如圖5所示。對尖軌的設計強度進行校核,分別對直線、曲線尖軌的15 mm、25 mm、35 mm斷面進行強度檢算。尖軌不同斷面的強度校核示意圖見圖6。由圖5和圖6可知,直線、曲線尖軌各薄弱斷面強度均小于合金鋼材料的屈服極限,且安全系數均大于2.5,尖軌的強度滿足設計要求,具體見表2。

表2 合金鋼尖軌各斷面計算結果

圖5 尖軌三維模型圖

圖6 尖軌15 mm斷面等效位移及等效應力云圖

(3)尖軌搬動力檢算。為了校核尖軌的實際搬動力是否滿足設計理論值的要求,建立尖軌與轉轍機耦合有限元模型,對尖軌的設計搬動力進行校核。經計算,當尖軌牽引點動程按照設計動程60 mm時,尖軌前端開口值為68 mm,扳動力為2 378.6 N,遠小于轉轍機的額定功率3 500 N,可以看出尖軌的結構設計合理,滿足工電配合的要求,搬動力計算見圖7。

圖7 尖軌尖端最大等效位移及尖軌搬動力計算示意圖

(4)尖軌跟端結構設計。彈性可彎尖軌設計的核心技術為尖軌動程選擇、彈性可彎段長度的確定及跟端固定結構的設計。有軌電車道岔的軌型較為特殊,基本軌沒有對應的尖軌AT軌的軌型,因此尖軌固定端的設計更為特殊和重要,為了改變以往有軌電車尖軌采用50AT1或60AT1鋼軌,跟端固定結構采用壓板扣壓,設計了一種能限制尖軌跟端六個自由度的限位結構,有效的解決尖軌跟端在線路使用過程中出現的錯牙及爬行而引起的掉道病害,具體見圖8。

圖8 彈性可彎尖軌固定端結構示意圖

1.3 轍叉及護軌設計

1.3.1 合金鋼轍叉設計

道岔合金鋼轍叉采用分層焊接結構,上層為合金鋼鋼板、下層為普通結構鋼,轍叉兩頭加工成60R2槽型鋼軌,與標準鋼軌進行廠內閃光焊連接,具體如圖9所示。護軌采用合金鋼加工而成,與槽型軌栓接,為確保護軌安裝穩固,在護軌與槽型軌軌腰間設置間隔鐵。

圖9 上下層組合合金鋼轍叉示意圖

1.3.2 合金鋼轍叉深、淺槽計算

為了保證有軌電車順利通過菱形交叉,特對菱形交叉部分的深淺槽進行了模擬計算。轍叉輪緣槽深、淺槽設計原則在于車輪通過轍叉有害空間處,最不利情況下車輪踏面同時接觸翼軌和心軌,并考慮車輪磨耗極限情況下,車輪與轍叉間具有足夠的接觸寬度,以保證車輪安全通過,轍叉區域輪軌關系示意及車輛踏面如圖10所示。

圖10 轍叉俯視圖及轍叉斷面圖

根據轍叉區域輪軌關系示意圖(圖10)可得公式(1),如果其值大于等于0,說明最不利過岔情況下,車輪與轍叉間具有足夠的接觸寬度,轍叉可按深槽設計;否則,轍叉有害空間區域應按淺槽設計,使得最不利情況下,可通過淺槽設計抬高車輪,使其安全通過。

bp-fmax-WHSmax-(0.5×bRH)-((0.5×bRH)+WHZmax)/cosβ-bRF≥0

(1)

1.4 電務接口設計

現代有軌電車6號單開道岔尖軌設一個牽引點,尖軌尖端開口值、動程分別為68 mm和60 mm,見圖11。

圖11 工電接口示意圖

2 廠內試制試鋪和現場使用效果

(1) 廠內試鋪。為了驗證60R2槽型鋼軌合金鋼道岔設計的合理性,特對首組道岔進行了試制和試鋪。試制試鋪過程中通過對所有零件進行廠內組裝和工電聯調,通過測試道岔各部位尺寸均能滿足設計要求和用戶需求。

(2) 現場使用效果。現代有軌電車60R2槽型鋼軌6號合金鋼道岔于2020年6月正式在云南普者黑有軌電車示范線上道試運營,道岔整體狀態良好。通過對道岔的上道檢測,發現尖軌和轍叉采用合金鋼材質后,極大地提升了道岔的整體耐磨性和服役壽命。彈性可彎尖軌跟端結構穩定。另外,也可進一步提升轉轍器跟端結構的穩定性,防止現有結構由于跟端高強螺栓松動或者斷裂造成掉道病害發生,后續將尖軌的固定端后移,通過設置大間隔鐵的方式,以提升跟端結構的穩定性。

3 結 論

基于現代有軌電車道岔實際運用中存在的痛點問題,本文提出了一種新型的有軌電車線路用60R2槽型鋼軌6號單開道岔結構, 通過科學設計與理論檢算方法分析了6號單開新型道岔的平面線型、轉轍器結構及轍叉及護軌的結構的可靠性、安全性和養護維修的方便性。主要得出如下結論:

(1) 研發了國內首組60R2槽型鋼軌6號單開道岔,在槽型軌道岔引入“直+曲”組合尖軌線型,合金鋼尖軌首次采用彈性可彎結構,消除了跟端活接頭結構的調道病害和道岔的不平順性。

(2) 采用合金鋼尖軌的跟端固定結構能很好的限制了尖軌水平、垂直、縱向等方向的運動。

(3) 采用上下層焊接的深淺槽式合金鋼組合轍叉結構,延長了轍叉服役壽命,提高了現代有軌電車側向通過交叉渡線的安全性。

(4) 對現代有軌電車6號槽型軌道岔尖軌強度及搬動力進行了理論計算,為后續類似產品的開發設計提供了理論支撐。