重庆市轨道交通6号线60 kg/m钢轨曲线形组合道岔的设计

2012-08-02李文博

铁道标准设计 2012年4期

雷洁，李文博

(中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡 721006)

1 概述

普通单开道岔主线为直线，侧线向主线左或右侧分支为曲线，这种道岔是常见的形式，在线路上占着绝对大的比例;曲线道岔则是指将岔前直线或曲线轨道向一侧或两侧分支为2条曲线的道岔，只有在地形十分特殊的条件下才使用，分为对称道岔与非对称道岔，其中对称道岔在车站驼峰下使用较为普遍，同侧曲线道岔在国内使用则较少。

重庆6号线一期工程，需在大剧院站和江北城站之间做1个过渡工程，即在300 m半径曲线双线上布置1组单渡线道岔，几年后将道岔拆除或固定作为正线运营。

通过分析纵断面图，道岔只能设置在25‰坡度上，且在25‰坡度上的同里程位置，左右线轨面高程相同，能够满足道岔在左右线路上的布置要求。双线为不同心的两支缓和曲线，线间距从4.6 m过渡到10 m。单渡线道岔由2组道岔组成，左侧为对称道岔，右侧为同侧曲线形道岔。对称道岔两侧曲线半径均为300 m;曲线道岔主曲线半径为300 m，侧股曲线半径为150 m。如图1所示。

为了保证区间线路与道岔的正常过渡，左右侧道岔前后至少20 m范围内钢轨外股不能设置超高。

图1 线路示意(单位:m)

2 道岔设计

2.1 设计依据及原则

(1)《标准轨距铁路道岔技术条件》(TB/T412－2004)。

(2)《线路纵断面图》和《线路平面图》。

(3)道岔容许通过速度:正线方向不大于35 km/h，侧线方向不大于20 km/h。

(4)设计参数选择:动能损失ω≤0.65 km2/h2;未被平衡的离心加速度a≤0.5 m/s2;

未被平衡的离心加速度增量φ≤0.5 m/s3，尖轨尖端此值不大于1.0～1.3 m/s3。

2.2 道岔主要结构设计

(1)对称道岔轨距为1 435 mm;曲线道岔主线路轨距为1 435 mm，侧线路轨距为1 450 mm。

在两道岔之间的连接段5 000 mm范围内，轨距由1 435 mm过渡为1 450 mm。

(2)基本轨、导曲线轨采用60 kg/m钢轨;尖轨采用60AT钢轨;辙叉采用高锰钢辙叉，护轨采用UIC33槽型钢。

(3)道岔区不设置轨顶坡或轨底坡，道岔前后通过顺坡垫板与区间线路相接。

(4)扣件采用Ⅲ型弹条分开式可调扣件，通过轨距块调整轨距，轨距块材质采用玻璃纤维增强聚酰胺66。

(5)轨下基础按整体道床设计，采用合成轨枕，通过螺纹道钉与垫板相连。

(6)尖轨前端藏尖，曲线形单开道岔部分跟部为弹性可弯结构，对称道岔尖轨跟部为活接头结构，尖轨跟端设置1个间隔铁。

(7)电务转换系统采用内锁闭结构。曲线形单开道岔电务转换系统按2个牵引点设置，第一牵引点动程为160 mm，第二牵引点动程为80 mm。对称道岔电务转换系统按一点牵引设置，牵引点动程为160 mm。

(8)对称道岔尖轨采用曲线尖轨，从尖轨宽度56.7 mm断面到尖轨尖端为直线，之后为R300717.5 mm曲线。曲线形单开道岔尖轨采用半切线型尖轨，半切点处尖轨轨头宽度为27 mm。

(9)尖轨工作边、非工作边的斜度均为1∶4。

(10)为保证在列车运行条件下尖轨顶宽20 mm断面之后开始承载，减缓尖轨磨损，曲线形单开道岔及对称道岔直、曲尖轨顶面纵坡数值见表1。

表1 尖轨顶面纵坡数值 mm

(11)为了加强基本轨的稳定性，减小基本轨的外倾和减小轨距扩张，对称道岔基本轨外侧部分设置轨撑，轨撑滑床板处调整轨距采用轨撑调整楔，可以调整轨距2 mm，同时滑床板在安装时设计了轨距调整片，确保铺设时能够保证轨距，如图2所示。

图2 轨撑滑床板示意

(12)连杆采用可调连杆，通过旋转中间的螺纹套筒调节连杆的长度。

(13)对称道岔和曲线形单开道岔辙叉心均采用高锰钢辙叉，对称道岔高锰钢辙叉工作边一侧为直线，一侧为曲线。曲线形单开道岔高锰钢辙叉工作边一侧为R299.282 5 m圆弧，另一侧为R150.717 5 m圆弧。

(14)钢轨及高锰钢整铸辙叉下设5 mm厚橡胶垫板，铁垫板下设10 mm厚橡胶垫板。

3 设计参数的评估分析

曲线道岔因导曲线半径较小，道岔导曲线与岔前岔后曲线间的连接条件较差，常常形成不同半径的同向曲线或反向曲线，同时因道岔号码较小，在转辙器及辙叉部分形成的结构不平顺较大，轮轨间的横向作用较大，行车安全性及平稳性均较低，驼峰下的曲线对称道岔曾在国内发生过多次脱轨事故，因此设计难度很大，需对设计参数进行评估分析。

3.1 导曲线半径

对称道岔曲线半径为300 m，最高通过速度为44 km/h，欠超高为76.1 mm，小于容许限值90 mm;未被平衡离心加速度为0.497 m/s2，小于容许限值0.65 m/s2;道岔入口处的未被平衡离心加速度增量为0.41 m/s3，小于容许限值1.0 m/s2;动能损失值为0.43 km2/h2，小于容许限值0.65 km2/h2。

曲线道岔主线半径及通过速度与对称道岔相同。侧线半径为150 m，最高通过速度为30 km/h，欠超高为70.8 mm，小于容许限值90 mm;未被平衡离心加速度为0.46 m/s2，小于容许限值0.65 m/s2;道岔入口处的未被平衡离心加速度增量为0.26 m/s2，小于容许限值1.0 m/s2;动能损失值为0.26 km2/h2，小于容许限值0.65 km2/h2。

检算结论:设计原则中所规定的正线及侧线容许通过速度均小于上述容许最高通过速度。

3.2 夹直线长度

对称道岔与曲线道岔两反向圆线间夹直线长度为18.4 m，大于120 km/h以下的列车振动叠加容许限度0.4V(V为渡线方向允许通过速度)，也满足车辆横摆限度即1节车辆长(14.8 m)的要求。

3.3 道岔布置

对称道岔与曲线道岔均未布置在缓和曲线及竖曲线上，满足道岔布置要求。

3.4 轨底坡

对称道岔及曲线道岔均未设置轨底坡或轨顶坡，对于列车通过速度低于120 km/h的道岔是可行的，有利于降低制造难度及造价，区间线路设置1/40轨底坡，通过设置带1/60、1/80轨底坡的垫板完成过渡，轨底坡的变化率分别为1/120、1/240，满足铁路线路规定的小于1/80～1/120的要求。

3.5 超高

受道岔结构及轮轨关系的限制，道岔一般不设置超高，即使设置，容许超高量也很小，对改善行车舒适性的作用十分有限。因此本次设计的对称道岔与曲线道岔均未设置超高，而区间线路设置有超高，两者间设置有20 m的不设超高的隔离段，大于1节车的长度14.8 m，可以避免在道岔范围内形成因超高引起的三角坑。

3.6 曲线加宽

以地铁车辆两轴转向架按自由内接通过曲线检算，所需最小轨距为

式中，qmax为最大轮对宽度，取为1 424 mm;f0为曲线外矢距，为L2/2R，地铁车辆转向架固定轴L为2 200 mm，对于R=300 m曲线半径外矢距为8.1 mm，对于150 m曲线半径外矢距为16.1 mm。

按此检算，对于300 m曲线半径可采用标准轨距1 435 mm，对于150 m曲线半径需加宽10～15 mm。

本设计中，对称道岔轨距采用1 435 mm;曲线道岔主线轨距采用1 435 mm，侧线采用1 450 mm，岔前与标准轨距的过渡范围为3 335 mm，轨距变化率为4.50‰，岔后与标准轨距的过渡范围为5 000 mm，轨距变化率为3.33‰。

轨距加宽值均在容许限度内，轨距变化率均在容许限度6‰以内。

3.7 尖轨顶面降低值

普通道岔尖轨顶面降低值的设计以尖轨强度及行车安全性、平稳性为控制条件，尖轨顶面纵坡越小，轮载过渡范围越短，所形成的道岔结构不平顺越小，行车安全性与平稳性越好，但尖轨受力大，通常以尖轨顶宽20 mm处开始承载、顶宽50 mm处完全承载为设计控制条件，顶宽20 mm处降低3～5 mm。

对于曲线道岔，还有一个控制条件，即是结构不平顺中的三角坑4 mm限值。当列车由岔前圆曲线进入时，外侧车轮将贴靠外轨运行，因此在与岔前曲线同向的道岔转辙器尖轨尖端范围内，车轮均是贴靠尖轨运行的，如图3所示。这样若尖轨降低值过小，则在尖轨顶宽15 mm附近尖轨顶面就有可能开始承载，这对尖轨受力不利。同时，若转向架后轮对外侧车轮也贴靠尖轨运行，轮缘接触角较小的情况下(此时只有轮缘一个接触点，轮轨踏面不接触;因尖轨顶面轮廓轨距角处圆弧半径较小，易导致轮缘接触角减小)将致使车轮抬高，若接触角为65°，磨耗型踏面的车轮抬高量可达6 mm左右，造成转向架前轮对外侧车轮与钢轨脱离接触，形成类似三角坑的结构不平顺，严重时将造成列车脱轨。车轮接触点越早脱离基本轨，尖轨与车轮轮缘角越小，所形成的三角坑越大，如在尖轨顶宽30 mm处完全承载，就有可能使前轮对外侧车轮与钢轨形成4 mm以上的离缝，为安全计，尖轨顶面降低值应尽可能取较大值，故曲尖轨顶宽20 mm处降低值取为5 mm。

图3 车轮轮缘与尖轨的贴靠状态

3.8 道岔转换力

道岔尖轨转换分析模型如图4所示。考虑特殊结构外形和关键性细节部位，如尖轨与心轨的截面特性、牵引点位置、动程等，考虑到转换过程中的线性和非线性因素，如摩擦力、密贴反力、顶铁反力、扣件阻力等。密贴段的密贴作用、顶铁反力作用及扣件支撑采用非线性弹簧单元模拟。尖轨与心轨采用非线性变截面梁单元模拟。扣件采用非线性弹簧单元进行模拟，跟端以前长、短心轨之间的间隔铁结构采用弹簧单元进行模拟，跟端间隔铁采用等截面梁单元进行模拟。