悬挂式单轨道岔结构设计研究

2021-07-02李忠继林红松

铁道标准设计 2021年6期

代丰，李忠继，林红松，李周

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2.中建科工集团有限公司，深圳 518054)

伴随城市发展对公共交通和绿色交通的依赖，轨道交通已成为城市公共交通体系的重要组成部分，并逐渐形成多种轨道交通制式并存的格局。相较地铁.轻轨和市域铁路，悬挂式单轨因其具有占地面积小.工程造价低.环境污染小.施工周期短.攀爬能力强等优点，既可作为中小型城市的主要交通工具，又可成为大型城市交通运输方式的补充和延伸，更适于作为山地和水域较多地区的旅游基础设施[1-5]。目前，悬挂式单轨已在日本.德国[6]和美国等发达国家城市具有较为成熟的应用，而国内也已在青岛.成都和开封等地建设单轨试验线，以期率先布局悬挂式单轨的商业运营规模。悬挂式单轨主要由轨道桥梁.道岔系统.机车车辆和信号系统等部分组成，而道岔系统组成复杂.接口多样，涉及轨道.桥梁.车辆.限界.供电和信号等多个专业，是悬挂式单轨交通的关键技术之一。因此，为促进悬挂式单轨交通的推广和发展，并为满足单轨交通建设需求而做好技术储备，有必要对悬挂式单轨道岔系统的结构设计开展研究。

目前，国内关于悬挂式单轨的研究主要集中在空间线形[7-10].列车通过性能[11-17]及轨道梁类型[18]等方面，而就悬挂式单轨道岔的研究较少，既有文献[19-20]也仅从道岔系统设计或者理论受力的角度，对道岔工作原理和梁体受力作简要介绍，缺乏从设计生产实际出发，围绕悬挂式道岔结构设计和接口设计全过程的综合设计研究。结合具体实施的工程项目，从悬挂式单轨道岔的结构类型.设计参数.结构方案.接口设计几个方面，系统分析和总结了悬挂式单轨道岔结构选型设计方法和要点，旨在为悬挂式单轨道岔系统的工程设计和方案优化提供技术支撑。

1 道岔结构类型

悬挂式单轨道岔是改变单轨列车行驶方向的关键设备，是保证悬挂式单轨列车安全运行的重要系统。现行的悬挂单轨道岔结构方案主要分移动式道岔.梯型辙叉道岔以及倒T形辙叉道岔。

移动式道岔广泛用于单轨交通，以道岔梁的整体平移，实现列车转向的功能。移动式道岔对道岔转辙动力系统要求较高，相应结构复杂，移动部分质量大，转辙速度较慢，道岔综合造价较高。德国伍伯塔尔非对称式悬挂式单轨采用的移动式道岔如图1所示。

图1 移动式道岔

梯型辙叉道岔的转辙原理类似于铁路道岔可动心轨，通过可动轨在箱梁内的水平转动，引导列车行驶方向，其转辙原理如图2所示。当车体一个走行轮通过梯型辙叉道岔长心轨区域时，车体将短时间处于悬空状态，依靠导向轮侧向支承提供稳定平衡。该型道岔内部结构更为复杂，通过长短心轨协同工作实现道岔转换的结构设计，有效减小了道岔梁尺寸。德国多特蒙德工业大学校园线采用的梯型辙叉道岔，如图3所示。

图2 梯型辙叉道岔转辙原理

图3 梯型辙叉道岔

倒T形辙叉道岔与梯型辙叉道岔的转辙原理大致相同，较梯型辙叉道岔梁长度更短，结构更复杂。日本湘南线悬挂式单轨采用的倒T形辙叉道岔，如图4所示。倒T形辙叉道岔转辙结构主要由可动轨和修正轨组成。倒T形辙叉道岔通过修正轨配合可动轨底板，为走行轮提供连续走行面，使得列车通过道岔的平顺性更好。因此，在进行工程设计时，建议优先选用倒T形辙叉道岔。

图4 倒T形辙叉道岔

2 道岔设计参数

悬挂式单轨道岔设计参数主要包括车辆最大轴重.道岔理论长度.导曲线线型及半径.道岔转辙角度.道岔直向和侧向最高通过速度以及道岔转辙时间。确定道岔梁线型是开展悬挂式单轨道岔结构设计的基础，根据线路条件和行车需求，分别确定单开道岔和单渡线道岔线型。某悬挂式单轨工程单开和单渡线道岔线型分别如图5和图6所示。单开道岔理论长度(梁缝中心线间距离)20 m，位于一孔梁上，道岔导曲线采用圆曲线线型，曲线半径为60 m，道岔号码为4号。道岔的最高侧向通过速度为15 km/h，直向与区间直线通过速度相同。单渡线道岔理论长度(梁缝中心线间距离)40 m，由两组单开道岔梁拼接而成，在渡线道岔中部设置门式桥墩。道岔可动件转辙时间应不大于6 s，包含转辙.检测.锁闭等总转辙时间应不大于15 s。

图5 单开道岔线形(单位：mm)

图6 单渡线道岔线形(单位：mm)

3 道岔结构设计

悬挂式道岔系统设计基于悬挂式单轨车辆走行部的结构特点和转辙要求，设计特点包含3个方面：采用倒T形辙叉道岔，倒T形结构翼缘为走行轮提供走行面，腹板为导向轮和稳定轮提供导向和稳定面；采用分段式设计满足曲线前段提供导向功能，曲线中段及后段满足导向和走行支撑的需求；采用补偿轨和修正轨分别提供前端.后端走行面的补偿和修正，确保走行面轨迹连续并符合直线.曲线线型要求，且轮胎不悬空，满足夹钳制动需求。道岔无附加不平顺，无有害空间，可以确保列车运行平稳性。

道岔系统主要由道岔梁.可动轨.随动轨.补偿轨.修正轨.动力系统.控制系统.锁定装置等组成，如图7所示。道岔系统部件与其组成功能如表1所示。当列车直向或侧向通过道岔时，道岔梁与道岔形成的转向架走行空间满足限界要求。通过车-岔系统动力学分析，在空车和重车工况下，列车过岔动力响应及道岔承受的动荷载均未超过标准限值，满足结构使用要求。

图7 道岔结构设计

表1 道岔结构组成

4 道岔接口设计

悬挂式单轨道岔接口专业众多，道岔接口设计是道岔结构设计的主要内容之一，应重点考虑的接口设计主要包括道岔支座反力.供电轨断开区间和道岔构造加宽，配合桥墩.支座和供电轨接口设计，预留必要的运维条件。

4.1 道岔支座反力

4.1.1 计算模型

作为桥梁专业设计重要的输入参数，道岔支座反力决定道岔支座选型和桥墩设计。鉴于变截面道岔结构复杂，在进行工程设计时，将道岔简化为六点简支的梁模型，采用Beam189单元模拟，在不考虑转辙位置道岔梁变截面特性的情况下，从岔心位置分出侧股道岔梁模型，支座考虑为与道岔梁相连的刚臂，道岔梁截面属性按轨道梁截面考虑，由于道岔梁截面面积大于区间轨道梁截面，抗弯刚度更大，简化的计算模型偏保守，道岔梁计算模型如图8所示。悬挂式单轨道岔梁计算参数如表2所示。

图8 道岔梁计算模型(单位：mm)

表2 道岔梁计算参数

4.1.2 荷载工况

对计算模型施加的荷载工况分为2种，一种是仅考虑道岔自重，在道岔梁质量为80 t，道岔梁直股和侧股长度合计估算为30.6 m的情况下，对道岔梁单元施加荷载集度为26 kN/m的均布荷载以模拟道岔梁自重；另一种是在考虑自重的基础上，对道岔梁施加如图9所示的列车荷载(最大轴重)，集中荷载分别沿道岔梁直股起始端(1号节点)和道岔梁侧股终端(3号节点)开始逐一施加在道岔梁上。

图9 列车荷载作用位置(单位：mm)

4.1.3 计算结果

考虑两种荷载工况的计算结果如表3所示。在两种工况条件下，道岔梁直股起始端支座的支座反力最大，自重条件下的最大支座反力为146.75 kN，自重加列车荷载条件下的最大支座反力为246.64 kN。因此，在静力计算条件下，列车对支座的作用力最大约为100 kN。若考虑动力作用的影响，按动力系数为3考虑，列车对支座的作用力计300 kN，道岔梁支座类型按300 kN考虑。若区间轨道梁设计支座反力最大达500 kN，为尽可能满足全线支座统一采用类型一致的支座，道岔梁支座类型可仍按500 kN考虑。

表3 支座反力计算结果 kN

4.2 供电轨断开区间

当单轨列车采用供电轨供电时，为满足道岔梁直股和侧股供电需要，应进行供电轨布置设计，确定供电轨断开区间范围。悬挂式单轨道岔通过可动轨转辙实现转向功能，可动轨为倒T形结构，由立板和底板组成，当道岔锁闭时，可动轨立板与道岔梁腹板贴靠。由于道岔可动轨转辙需要贴靠道岔梁左右导向面，道岔梁内可动轨范围内不应设置安装在道岔梁内侧壁的供电轨，岔区供电轨断开区间由岔心位置.供电轨高度和供电轨与可动轨间的电气间隙决定。某悬挂式单轨工程单开和单渡线道岔供电轨断开区间布置分别如图10和图11所示。