城市轨道交通车辆段新型9号单开道岔设计研究

2020-06-16刘婷林乔神路

铁道勘察 2020年3期

刘婷林石熠乔神路，3

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；3.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室，北京 100044)

1 概述

随着我国城市轨道交通的发展，高速、舒适、快捷出行成为当代人愈发迫切的需求[1]。北京轨道交通新机场线作为服务于北京大兴国际机场的轨道交通专线，是我国首条最高速度达到160 km/h的地铁线路[2-3]。该线采用CRH6型市域列车[4]，突破了常规地铁的设计范畴[5]。针对新机场线的工程特点，在磁各庄车辆段及路基段停车场选用了50 kg/m钢轨9号道岔，可为中远期的运量提供充足的技术保证。城市轨道交通车辆段用道岔一般采用50 kg/m钢轨7号道岔[5]，尚无应用50 kg/m钢轨9号道岔的先例，故需要对其进行深入研究。

2 道岔平面设计

2.1 基本参数确定原则[6]

道岔设计常用的基本参数有三项：动能损失(ω)、未被平衡的离心加速度(α)以及未被平衡的离心加速度增量(ψ)。三个参数以不同方式表达了列车运行在道岔侧线上所产生的横向力影响。如控制不当，其危害性主要为：

①旅客舒适度差；

②不利于道岔结构稳定性和行车稳定性；

③加速道岔零件的磨损，缩短道岔使用寿命。

因此，在确定道岔平面线型时，各项参数不能超过规定的容许值。部分国家的参数容许值选用情况如表1所示。

表1 部分国家参数容许值选用情况

在我国，道岔基本参数的容许值取值如下：动能损失(ω0)取0.65 km2/h2，未被平衡的离心加速度(α0)取0.5～0.65 m/s2，未被平衡的离心加速度增量(ψ0)取0.5 m/s3。

2.2 尖轨平面线型的确定

9号及以上道岔尖轨设计时，常用平面线型主要有4种：直线型尖轨、切线型曲线尖轨、半切线型曲线尖轨和相离半切线型曲线尖轨，如图1所示。

图1 各型式尖轨示意

目前，最常用的是相离半切线型曲线尖轨，其介于直线尖轨和切线型曲线尖轨之间，可兼顾切线型曲线尖轨平顺性好的特点，又能使尖轨尖端厚度不至太薄[7]。

相离型曲线尖轨能够有效减轻尖轨的侧磨，在列车轴重、运行速度和行车密度一定的条件下，其尖轨耐磨性能最好。采用适当的相离值，能够有效保证弹性可弯曲线尖轨的稳定性，减少工务养护维修工作量，并且旅客的舒适度最高[8]。因此，本设计中采用了相离半切线型曲线尖轨。

2.3 道岔平面主要尺寸

设计道岔平面线型时，除需要考虑车辆段中远期运量增加的使用需求外，还需要考虑磁各庄车辆段的占地面积以及道岔顺接时的特殊情况，即道岔总长度越短越好。综合考虑各项指标，道岔平面设计方案如下。

(1)道岔尺寸

道岔前长12 570 mm，后长15 730 mm，总长28 300 mm。导曲线半径为200 m。

(2)转辙器尺寸

根据道岔主要尺寸和岔枕的布置情况，转辙器尖轨尖端至基本轨尖端的距离为2 616 mm。尖轨采用相离半切线型，从37 mm断面作半切线，尖端采用藏尖式结构，从尖轨尖端向后183 mm作补充刨切，尖轨冲击角为0°56′24″，动能损失为0.329。

(3)辙叉尺寸

辙叉趾端与辙叉理论尖端之间距离为1 538 mm，辙叉跟端与辙叉理论尖端之间距离为2 771 mm。护轨长为4 000 mm，其中开口段长150 mm，缓冲段长988 mm，平直段长1 724 mm。

(4)牵引点设置

尖轨共设置两个牵引点，采用联动内锁闭方式，第一牵引点至尖轨尖端距离为430 mm，两牵引点之间的距离为3 650 mm，第二牵引点设在尖轨密贴段外。

3 道岔结构设计

(1)转辙器结构

根据跟端结构形式不同，转辙器可分为活接头结构(见图2)和弹性可弯结构(见图3)。

图2 跟端活接头结构

活接头结构跟端采用鱼尾板进行铰接(鱼尾板可对尖轨跟端的纵、横向位移进行约束)，尖轨可实现自由扳动。扳动时，尖轨围绕活接头进行活动。尖轨一般采用直线型，其弹性变形小，所需转换力小，且当直、曲尖轨和拉连杆形成的框架扳动到工作状态时，尖轨跟端反弹力较小，有利于尖轨和基本轨之间的自然密贴。由于尖轨跟端存在接头，导致接头处稳定性较差，容易发生病害，属于道岔转辙器部分的薄弱环节[9-11]，且无法形成道岔无缝化设计。

图3 跟端弹性可弯结构

鉴于活接头结构养护维修工作量较大，故对其进行了优化，消除了活接头，采用了弹性可弯结构。弹性可弯跟端采用弹性扣压扣件，尖轨跟端纵横向和扭转位移均被约束，其扳动主要通过弹性可弯中心的转动实现。在弹性可弯中心处，对轨底单侧或双侧进行刨切，以减小截面的横向惯性矩，从而有效降低尖轨扳动力[12-14]。考虑磁各庄车辆段道岔数量多，为减少工务养护维修工作量，转辙器采用了弹性可弯结构。

(2)尖轨跟端传力结构

鉴于新机场线磁各庄车辆段温度变化较小，所产生的温度附加应力也较小，故决定采用间隔铁结构。

(3)基本轨扣压

现阶段，地铁车辆段多采用50 kg/m钢轨道岔转辙器基本轨，其内侧采用刚性扣压(见图4)。此结构扣压力小，稳定性较差。为改善这一状况，新机场线磁各庄车辆段的道岔采用了弹片和销钉的方式进行扣压(见图5)。弹片扣压的方式技术成熟，所需的滑床台高度较小且扣压力较大，可更加有效地防止基本轨外翻，确保转辙器基本轨的稳定性。

图4 基本轨刚性扣压示意

图5 基本轨弹性扣压示意

(4)护轨形式

现阶段，地铁车辆段多采用H型护轨(43 kg/m钢轨制造)，护轨和撑板通过高强螺栓进行联结(见图6)。为减少自重，新机场线磁各庄车辆段的道岔采用了33 kg/m槽型护轨(见图7)。同时，为增强护轨的耐磨性能，将护轨更换为合金钢材质，提高了护轨的整体使用寿命。

图6 H型护轨断面示意

图7 槽型护轨断面示意

(5)辙叉选择

城市轨道交通车辆段尚无应用50 kg/m钢轨9号道岔的先例，但在天津地铁1号线、北京地铁2号线等地铁正线上，有服役中的50 kg/m钢轨9号道岔可供参考。受当时技术条件的限制，既有高锰钢整铸式辙叉跟端采用间隔铁式结构与普通钢轨联结(见图8)。该结构形式辙叉跟端至理论尖端长度短，且采用间隔铁进行连接，导致辙叉强度和稳定性较差，工务养护维修工作量较大。

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辙叉跟端采用夹板形式(见图9)能够有效提高辙叉的整体强度和稳定性，且拆装方便，能够有效降低工务部门的养护维修量。

图8 辙叉跟端间隔铁结构

图9 辙叉跟端夹板结构

(6)工电接口

①设置两个转辙器牵引点，牵引点动程分别为160 mm、80 mm，理论转换力分别为2 000 N、4 350 N。

②牵引点采用联动内锁闭方式，提高了道岔锁闭的安全性、道岔及转换设备的可靠性，实现了道岔转换设备少维护、长寿命的要求。

③转辙机采用角钢安装固定。

4 下一步研究工作

(1)一点牵引技术

车辆段道岔用量较大，如采用一点牵引技术，可将电务的养护维修工作量降低50%，对于减少养护维修工作量具有重要意义。但对尖轨扳动力、尖轨密贴和不足位移的要求较高，需要进一步的研究试验。

(2)合金钢组合辙叉

目前，国内城市轨道交通多采用高锰钢整铸辙叉，其初期硬度较低，需经过列车的不断碾压来提高硬度[19]。城市轨道交通轴重轻，这使得其硬度指标的达成周期较长，易造成运营初期高锰钢辙叉磨耗较快。而合金钢辙叉具有较高的耐磨性，其使用寿命约为高锰钢的2倍以上[20]。因此，有必要对合金钢组合辙叉进行结构设计研究。

(3)低动力小号码可动心轨辙叉

随着城市轨道交通的发展，车辆段上盖物业的开发越来越普及，对地铁振动控制的要求越来越高。目前广泛使用的固定型辙叉存在有害空间，列车通过时会产生振动。因此，小号码可动心轨道岔是日后城轨道岔设计的重要研究方向。