中低速磁浮交通道岔平面线形研究与优化设计

2022-12-27仵叔强

现代城市轨道交通 2022年12期

仵叔强

（中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡 721006）

1 引言

道岔是中低速磁浮交通系统的重要组成部分，是集结构、机械和控制技术为一体的中低速磁浮线路的专用换线设备。2006年，中铁宝桥集团有限公司与同济大学磁浮交通工程技术研究中心（原上海磁浮交通工程技术研究中心）联合研制出我国第一组三节段定心式中低速磁浮道岔，并安装在上海临港中低速磁浮试验线上[1-2]。随后，又陆续研制出2款改进型单开道岔产品，并成功应用于唐山、株洲磁浮试验线。近年来，国内企业已经成功研制出单开、对开、多开、单渡线、交叉渡线等系列道岔产品，并批量安装在北京中低速磁浮示范线（S1线）、凤凰磁浮文化旅游项目、长沙磁浮快线工程等中，有力推进中低速磁浮交通技术在我国的发展和应用。

目前，我国对于中低速磁浮交通系统的研究和应用仍以直线通过速度不大于120 km/h为主，道岔平面线形、列车在道岔上的通过性能、车岔耦合动力学等核心关键技术还有待进一步研究[3-5]。随着各种新型中低速磁浮车辆的研制和应用，中低速磁浮交通系统已经出现2 000 mm、1 900 mm、1 860 mm等不同轨距的试验线和工程应用。另一方面，随着160 km/h、200 km/h等中速磁浮交通系统新技术的深入研究，对磁浮道岔产品的标准化、系列化和侧向过岔速度的提高等提出更高的要求与工程化应用需求。本文从道岔工作原理和基本线形入手，以CJ/T 412-2012《中低速磁浮交通道岔系统设备技术条件》[6]中的单开道岔为例进行道岔平面线形的设计与研究。

2 道岔工作原理和基本线形

道岔平面线形设计是道岔设计的关键，也是道岔结构设计的重要依据。目前，中低速磁浮道岔的线形仅在CJ/T 412-2012中给出示意图，中低速磁浮道岔一般由具备设计制造经验的供应商提供。

2.1 工作原理

如图1所示，中低速磁浮道岔采用三段定心式结构，由主动梁L1、第一从动梁L2和第二从动梁L3组成。O1、O2、O3分别是L1、L2、L3的转动中心。A、B分别是L1-L2和L2-L3梁之间的滑移副铰点。

图1 机构运动简图

道岔转辙时，由驱动机构在主动梁L1的作用位置处施加驱动力F，带动主动梁L1绕其回转点O1转动，由滑移副铰点A带动第一从动梁L2绕其回转点O2转动，进而由滑移副铰点B带动第二从动梁L3绕其回转点O3转动，实现道岔的转辙。

2.2 道岔基本线形

从中低速磁浮道岔的工作原理可知，该道岔基本线形设计的关键和本质是采用折线拟合纯圆曲线，这与跨座式单轨交通关节型道岔的线形构成相同。依据《跨座式单轨交通折线型道岔平面线形设计与研究》[7]中的研究成果，应以圆的内接正多边形折线拟合圆曲线做为折线型道岔的设计线形。此结论与CJ/T 412-2012中道岔曲线半径的定义完全一致，即道岔曲线半径是指道岔上各段轨道的中心线组成的折线的外接圆半径。

在道岔转辙状态下，拟合圆曲线与直线部分（即道岔直线位）有相切或不相切2种几何关系，道岔基本线形几何关系图如图2所示。

依据参考文献[8]中公式：

3 单开道岔线形设计

依据图1和图2b可知，道岔由3个道岔梁段组成，包括1根较长的主动梁L1和2根较短的从动梁L2、L3，且主动梁L1长度为L0 +L，从动梁L2、L3长度均为L0。

根据图2b中道岔转辙角间的关系和外接圆几何关系，可以得出如下关系式：

式（1）、式（2）中的变量含义与图2相同。由CJ/T 412-2012可知：d= 3 000 mm，，R= 124 000 mm，由式（2）计算可得L0 = 4 789.82 mm，将计算值取整为L0 = 4 800 m m。

图2 道岔基本线形几何关系图

表1 计算参数与标准给出的参数对照表

以取整值L0 = 4 800 mm反求出起始转辙角θ= 2.218°，并以θ= 2.218°、d= 3 000 mm、L0 = 4 800 mm为已知数，采用MATLAB工程计算或EXCEL中的单变量求解对关系式（1）进行计算，可得L= 16 282.72 mm。计算结果见表1中计算参数（二）。

由表1可知，CJ/T 412-2012中给出的道岔线形仅为示意图，并未给出道岔主要技术参数，且给出的道岔拟合圆曲线半径、直线位道岔总长与起始转辙角等技术参数数值关系不匹配，建议在标准修订时给予补充并修改完善。

4 道岔线形优化设计

依据CJJ/T 262-2017《中低速磁浮交通设计规范》[9]设计要求，线路和轨道结构宜按轨排模数1.2 m的倍数设计。道岔是中低速磁浮线路的一部分，因此也应满足上述要求。CJ/T 412-2012中给出的道岔中直线位道岔总长不是整数，不仅不满足按轨排模数的倍数设计的要求，也不利于道岔在线路中的平面布置。因此建议在道岔设计时将直线位道岔总长度进行取整优化，起始转辙角和拟合圆曲线半径满足列车通过要求即可。

4.1 直线位道岔总长计算

由道岔工作原理可知，在转辙过程中各道岔梁之间存在相对滑移，因此直线位道岔总长度不等于各段道岔梁长度之和。依据图2b可得直线位道岔总长LA：

在图2b三角形∆O2O1A中，利用余弦定理可得：

AD=L0+L，故：

显然，直线位道岔总长LA与起始转辙角θ、第一和第二从动梁长度L0、主动梁自由端长度L的关系如式（3）、式（4）所示。

4.2 线形优化设计计算

对CJ/T 412-2012中给出的直线位道岔总长LA= 34 764 mm按轨排模数1.2 m的倍数取整为34 800 mm，并以d= 3 000 mm、L0 = 4 800 mm为已知数，采用MATLAB工程计算或EXCEL中的单变量求解对式（3）、式（4）进行计算，计算结果如表2所示。

表2 线形优化计算结果

由计算可知，起始转辙角小于标准给出参数、拟合圆曲线半径大于标准给出参数，可满足列车过岔要求。

4.3 道岔计算参数校核

在道岔平面线形设计时，除进行上述平面几何关系分析外，还应进行道岔动力学参数校核。目前道岔设计中制约道岔侧向通过速度、行车安全性及乘客舒适度的3个基本参数为动能损失ω、未被平衡的离心加速度a、未被平衡的离心加速度增量ψ。依据CJJ/T 262-2017 和GB 50157-2013《地铁设计规范》[10]规定，道岔区曲线一般不设置超高，道岔设计参数允许值分别为：

式（5）中，v为车辆侧向通过道岔的速度，v= 25 km/h；β为车辆进入道岔时尖轨冲击角。由于道岔梁与垛梁之间设置有过渡轨，因此β为起始转辙角θ的一半，即：

因此：

故动能损失满足允许值要求。

未被平衡的离心加速度为：

式（8）中，v为车辆侧向通过道岔的速度，v=25km/h；R为道岔拟合圆曲线半径，R=124.49538m。

未被平衡的离心加速度增量：

式（9）中，L为车辆全长，依据CJJ/T 262-2017取L= 18 m。

5 全新道岔线形设计建议

目前，不论是中低速磁浮上海试验线、唐山试验线、株洲试验线，或是北京S1线、凤凰磁浮文化旅游项目、长沙磁浮快线，应用的道岔侧向允许通过速度均不大于25 km/h，其道岔线形设计均仅依据不同轨距进行小幅修改，对于道岔的全新设计仍缺乏全面的基础性研究。这就需要线路、车辆、道岔设计等相关专业紧密配合进行研究，全面提升我国中低速磁浮交通系统的技术水平。文章结合多年城市轨道交通道岔产品设计经验和工程实践，对新设计中低速磁浮道岔的线形提出以下设计建议。

（1）道岔起始转辙角θ须满足列车在道岔上的通过性能要求，且应尽可能的小，最大程度的减小车辆通过道岔时的冲击和横向摆动。通过目前国内各种型号磁浮车辆的研究和应用验证，道岔起始转辙角θ不宜大于 2.3°。

（2）拟合圆曲线半径R应尽可能大，以满足侧向过岔速度要求；拟合圆曲线半径R不仅要满足式（8）和式（9）的动力学要求，还要满足式（2）道岔线形的平面几何关系。拟合圆曲线最小长度应满足列车通行要求，一般情况下应大于一节列车的全长。

（3）道岔线形设计须保证在道岔结构构造上可实现，且应最大限度的降低道岔设计、制造难度，降低制造和维护保养成本。

（4）在线形设计中可以通过动能损失、未被平衡的离心加速度等基本参数进行技术参数初选或安全性校核，但对于列车在道岔上的通过性能、动力学特性、车岔耦合作用等仍需进行进一步研究和分析。

（5）道岔结构及线形设计不应局限于目前的三段定心式结构。当三段定心式结构无法满足道岔线形设计和侧向过岔速度需求时，应及时研发单点驱动式、多点驱动式等新型关节型转辙式磁浮道岔，深入开展平移型、替换梁型磁浮道岔的工程化研究与应用，以满足科研和工程需要。