有轨电车道岔几何线型检算与优化研究

曾志平，胡籍，贾生旭，尹华拓，王卫东，李秀东

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中南大学 重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙 410075；3.中铁十四局集团 第五工程公司，山东 济宁 272117；4.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010)

现代有轨电车是通过对传统有轨电车进行优化升级和性能改造而建立起来的一种新型交通运输方式，具有运量中等、绿色节能、灵活舒适、效能和性价比均较高的特点。故自其诞生至今，世界多个国家如荷兰、奥地利、德国和瑞士等，均有对现代有轨电车投入广泛应用[1−5]。我国对现代有轨电车的发展要晚于国外，但目前已进入了迅速大规模发展阶段。且近几年来，我国多个城市已经展开了对现代有轨电车的积极规划研究和推广运营。为了改善城市交通拥堵问题和环境逐渐恶化问题，我国开始大规模兴建城市轨道交通系统，在广州和上海等轨道交通系统已建成运营的城市，有轨电车道岔区域现已产生了严重的钢轨磨耗和轮轨撞击现象，如图1所示。轨道经过长期运营后，有轨电车道岔区病害问题日益加重。为了保证车辆运行的安全和平稳性，需要不断对线路进行监测养护维修，从而导致运营维护成本增多，经济可行性降低。综上，对有轨电车道岔区域轮轨冲击以及钢轨磨耗问题的产生机理及解决措施的研究探索显得十分必要[6−9]。目前，世界各国已经对有轨电车轨道方面进行了不少研究工作，但这些研究主要集中在耐磨高强槽型轨的制造、无缝道岔处理技术、优质合金钢道岔的焊接、轨道的减震降噪以及扣件的优化技术等方面[10]。LING等[11]研究了有轨电车与嵌入式轨道之间耦合的动态响应。SUN等[12]采用耦合波数有限元和边界元的方法对嵌入式有轨电车轨道的振动和噪声行为进行建模研究。韦安祺等[13]对有轨电车6号嵌入式道岔进行了无缝化分析。梁鑫[14]分析了梯形道岔和常规3号道岔在车辆基地建设中的使用和适用情况。樊小平等[15]在设计有轨59R2槽型轨6号道岔中采用了拼装式转辙器结构并应用了AT轨。而在道岔的几何线型设计方面，既有研究虽已进行了较为深入的探索，但多数都是针对铁路客货车或高速列车进行的，较少文献着力于研究城轨交通道岔几何线型问题，尤其缺乏对采用槽型轨的低地板有轨电车轮轨接触和道岔几何线型问题的研究。因此，需要对小半径曲线有轨电车道岔几何线型进行研究，从而科学指导有轨电车的轨道设计和车辆设计，降低有轨电车轮轨冲击作用，减少钢轨磨耗。本文针对某有轨电车路段轮轨异常磨耗问题，进行道岔各部分轨距及间隔尺寸等异常磨耗道岔轮轨线型内容的验算。根据道岔设计图纸，计算护轨端部轮轨间接触关系，提出2种可能的轮轨撞击情况，进而提出有轨电车轮轨线型关系的改进措施，并根据不同类型道岔磨耗情况，对各类型道岔的几何线型以及翼轨缓冲段槽宽进行优化分析和分类汇总，以期为有轨电车道岔几何线型的规划建设提供参考借鉴。

图1 有轨电车异常磨耗Fig.1 Abnormal wear of tram

1 有轨电车道岔轮轨线型关系计算

根据现场调研和设计施工单位所提供资料，针对某有轨电车路段轮轨异常磨耗问题，对异常磨耗下道岔轮轨线型进行验算，主要验算内容包括道岔各部分轨距及间隔尺寸[16]。

1.1 转辙器部分的间隔尺寸

转辙器区域需关键控制的间隔尺寸为最小轮缘槽tmin和尖轨动程d0。

1)尖轨的最小轮缘槽tmin

轮缘槽宽度根据最不利工况取值，应满足：

式中：Smax指尖轨突出部位直向线路的最大轨距值。

tmin≥1 435+0−(1 380−1+21.77−0.5)=34.73 mm，取整为35 mm。

图2 曲线尖轨轮缘槽Fig.2 Curved switch rail flange groove

2)尖轨动程d0

根据《铁路线路维修规则》可知：50车辆段尖轨动程80 mm。

1.2 辙叉及护轨部分的间隔尺寸

1)辙叉咽喉轮缘槽t1

辙叉咽喉轮缘槽宽度最不利组合应满足：

荷载后轮背距增大值(电车取值0)取AW0车辆计算，则：

2)查照间隔Dx及Dy

图3 查照间隔Fig.3 Guard rail check gauge

荷载后轮背距增大值(电车取值0)取(T+d)更大的AW3车辆进行计算，则有：

查照间隔Dy确定时，需保证轮对能顺利直向经过辙叉，则：

取T较小的AW0车辆计算，该车重载状态轮背扩张1 mm，核算时轮背距减小值按0计算：

3)护轨中间平直段轮缘槽tg1

护轨中间平直段的轮缘槽宽度tg1的确定原则是保证Dx在规定限度之内，则：

式中：2 mm为护轨侧边磨耗限度。

因S=1 435 mm，可取tg1≤28 mm。

侧股轨距为S=1 445 mm，则tg1≤38 mm。

护轨端部轮缘槽宽度tg2应满足：

开口段终端轮缘槽tg3取值：

tg3=1 445−(1 380−1+21.77−0.5)=44.73 mm，取整tg3为45 mm。

4)辙叉翼轨平直段轮缘槽tw

翼轨中间平直段轮缘槽宽度tw应使得查照间隔Dx和Dy在允许限度之内，则：

采用不同的Dx和Dy组合，得到tw的变化范围≥26 mm。

图4 护轨尺寸Fig.4 Dimension of each part of the guard rail

2 轮轨冲撞光点工况分析

根据道岔设计图纸，进行护轨端部轮轨接触关系计算。计算时，考虑车辆转向架自由内接经过曲线线路，此时转向架前轴外侧车轮边缘接触外侧钢轨，后轴则位于线路垂直半径处，轮轨关系如图5所示。可能出现2种轮轨撞击情况，分别为后轴外侧车轮与翼轨撞击和前轴内侧车轮与护轨相互撞击。

图5 转向架自由内接轮轨关系Fig.5 Wheel-rail relationship when the bogie is freely inscribed

2.1 后轴外侧车轮与翼轨出现撞击工况

后轴外侧车轮与翼轨撞击情况如图5所示，后轴外侧车轮撞击点为图中①处。

由于此时后轴位于曲线垂直半径处，有几何关系：

侧股轨距进行加宽，Sf为1 445 mm。则后轴外轮轮背缘与外轨作用边间垂直距离为

当车辆由侧股进入直股时，护轨缓冲段起始点与外轨作用边间距离应保证车轮不冲撞护轨。

2.2 前轴内侧车轮与护轨相互撞击工况

前轴内侧车轮与护轨相互撞击工况如图5所示，前轴内侧车轮撞击点为图中②处。

由于此时后轴占据曲线垂直半径位置，有几何关系：

所以有：

而通过自由内接最小护轨轮缘槽宽计算可得：

为保证辙叉区护轨及翼轨处不发生轮轨冲击，护轨缓冲段起始点和辙叉翼轨缓冲段起始点与内外轨作用边槽宽应取各种工况下最不利值[16]，因此取护轨和翼轨缓冲起始点与钢轨作用边槽宽f≥53 mm。

通过加宽护轨和翼轨缓冲段起始槽宽，使得前轴内轮与护轨作用后，引导车体转向架的前轴外轮与外侧钢轨脱离，同时后轴内轮与内侧钢轨脱离，从而实现辙叉区车体平稳转向。

3 轮轨关系改进措施

根据第1节以及第2节的分析，提出有轨电车轮轨线型关系改进措施，调整道岔几何线型，以减缓轮轨之间的冲撞，降低轮轨磨耗的频率。

根据不同类型道岔磨耗情况进行调整，调整值为经过核算满足道岔间隔尺寸设计要求的数值，各类型道岔检算及优化措施整理汇总如表1所示，翼轨缓冲段槽宽调整如表2所示。

表1 各类型道岔检算及优化措施Table 1 Check calculation and optimization measures of various types of turnouts

表2 辙叉翼轨缓冲段槽宽Table 2 Groove width of wing rail buffer section

4 结论

1)当车辆转向架采用自由内接的方式行经曲线线路时，转向架前轴外侧车轮边缘与外轨接触，后轴位于曲线线路垂直半径处，此时可能出现2种轮轨撞击情况，即后轴外侧车轮与翼轨出现撞击与前轴内侧车轮与护轨相互撞击。

2)通过加宽护轨和翼轨缓冲段起始槽宽，使得前轴内轮与护轨作用后，引导车体转向架的前轴外轮与外侧钢轨脱离，同时后轴内轮与内侧钢轨脱离，从而实现辙叉区车体平稳转向。

3)通过对有轨电车道岔几何线型进行调整，可以极大地减缓轮轨之间的冲撞，降低轮轨磨耗的频率，并大大减轻后期养护维修的工作强度。

4)对于小半径曲线有轨电车道岔几何线型的研究，不仅可以实现有轨电车的车轮及轨道设计参数提供理论依据，还能降低有轨电车轮轨冲撞以及磨耗，节省运营维护成本，并取得一定的经济效益。