北京城市轨道交通60 kg/m钢轨12号单开道岔的设计研究

张东风,蒋 昕,侯爱滨

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

国内城市轨道交通建设方兴未艾,建设规模不断增大,近年来,各城市轨道交通网络不断展开,城市轨道交通线路往郊区发展,市郊线设计速度一般高于市内线路,因而对道岔直、侧向通过速度和旅客舒适度有了新的要求。城市轨道交通行车密度越来越高,不断要求提高折返能力。目前在城市轨道交通线路中,正线大多使用9号道岔[1],为更好地贯彻“以人为本”的精神,尽可能发挥城市轨道交通作为客运主要载体的作用,对于道岔号数的使用有加大的需求,以提高道岔的直、侧向通过速度,这已成为城市轨道交通发展的一个趋势。

随着北京城市轨道交通建设的发展,多条新建线路的陆续开建,由于受不同线路的速度及线位等因素限制,目前,北京城市轨道交通的道岔类型主要以9号系列道岔为主,已不能完全满足各条新建线的使用要求,例如,15号线设计时速120 km,亦庄线宋家庄站受站前折返能力的限制,需采用12号单开道岔及交叉渡线等等。因此,迫切需要完善北京城市轨道交通用道岔的类型,提高列车的侧向容许通过速度,降低列车通过时的冲击振动,减小噪声,减少现场的养护维修工作量,以满足运量不断增长的需要[2]。研发12号道岔能够较好地满足北京城市轨道交通轨道的运行工况需要,将缩短列车的折返时间,提高行车运行速度和对运量的储备。

2 道岔平面设计

北京城市轨道交通12号道岔的平面设计经过比选采用了目前国铁既有线上使用最多、最为成熟的固定型提速60 kg/m钢轨12号单开道岔(专线4249)的平面线型。

2.1 道岔平面主要尺寸

12号道岔的平面主要尺寸与专线4249《60 kg/m钢轨12号单开道岔》(国铁用)基本相同,主要尺寸见表1,其中,道岔采用单圆曲线平面线型,平面主要尺寸见图1[3]。

表1 12号道岔的主要尺寸

图1 12号道岔平面主要尺寸示意(单位：mm)

2.2 尖轨平面线型的确定

以前在设计曲线尖轨时,使用最多的是半切线型尖轨,它介于直线尖轨和切线型尖轨之间,即兼顾了切线型平顺性好的特点，又能使尖轨尖端不太薄。所以在国铁和城市轨道交通使用半切线型比较普遍[4]。

相离型曲线尖轨起源于1986年,经过多年的实践证明,这种线型对减轻尖轨的侧磨极为有利,在列车轴重、运行速度、行车密度一定的条件下,尖轨耐磨性最好。选用相离型曲线尖轨,并采用适当的相离,就会兼有弹性可弯曲线尖轨稳定性好、可适用于跨区间无缝线路、养护维修工作量少、旅客舒适度高和直线尖轨耐磨性好的特点[8]。因此本设计采用相离型曲线尖轨，见图2。

图2 相离型曲线尖轨示意(单位：mm)

2.3 岔枕布置

(1)采用混凝土短轨枕,转辙器部分的短轨枕垂直于直股钢轨,辙叉部分的短轨枕垂直于角平分线,其余垂直于钢轨。

(2)第一、二牵引点的岔枕间距为650 mm,短轨枕的设计宽度及沟槽深度应满足电务转换设备的安装要求,同时考虑尖轨的自由伸缩。

3 道岔结构设计

3.1 道岔主要结构特点

(1)道岔不设轨底坡,道岔两端设顺坡垫板过渡。

(2)尖轨采用60AT钢轨制造。

(3)尖轨跟端为弹性可弯式,设置1个间隔铁与基本轨连接。这里需要说明的是尖轨跟端的传力结构,一种是设置间隔铁,一种是设置限位器,根据国铁提速道岔的使用经验,认为设置间隔铁使用效果要优于限位器,故该道岔尖轨跟端设置了间隔铁[5，9]。

(4)尖轨设置2个牵引点,设计动程分别为160、70 mm,在正常养护情况下,尖轨理论总扳动力不大于6 000 N[9]。

(5)固定辙叉采用高锰钢整铸式,可利用既有国铁60 kg/m钢轨12号单开道岔用辙叉。

(6)趾、跟端均采用接头夹板固定联结,辙叉下设置垫板。

(7)护轨为分开式,采用50 kg/m钢轨制造,护轨顶面高出基本轨顶面12 mm,护轨轨头工作边侧面进行表面淬火[10]。

(8)采用无螺栓φ18 e型扣压件扣压(图3)。这是由于北京城市轨道交通大部分线路使用的DTⅦ2型扣压件也是无螺栓φ18e型扣压件,考虑到该道岔主要用于新建城市轨道交通线路,为与线路扣件一致,方便现场备料,故该道岔采用了无螺栓φ18e型扣压件。

图3 无螺栓φ18e型扣压件

(9)转辙器基本轨和护轨基本轨内侧的扣压均采用弹片扣压[6]。且为防止钢轨外翻,转辙器基本轨外侧部分设置了轨撑,以加强基本轨的稳定性,同时又在轨撑中心位置增设了螺栓孔,防止轨撑纵向窜动(图4)。

图4 轨撑及弹片

(10)转辙器设置辊轮滑床板, 可以显著降低尖轨与滑床台板的摩擦力,从而减小扳动力,减小尖轨后端不足位移[5](图5)。需要说明的是这种辊轮滑床板相对高速道岔用辊轮滑床板结构较为简单,且为独立安装于两岔枕之间,安装、拆卸均较为方便,比较适合用于城市轨道交通线路。

图5 辊轮滑床板

(11)转辙器设置防跳限位装置, 防止尖轨在斥离状态下随着列车的振动而跳动,确保行车安全[6，8](图6)。这种防跳限位装置在国铁提速道岔上使用较多,技术成熟,使用效果良好。

图6 防跳限位装置

(12)铁垫板与混凝土短轨枕的连接,仍采用M30螺钉,但在螺钉与铁垫板间加设调距盖板(材料为尼龙66),其主要作用一是缓冲铁垫板与螺钉之间的相互作用,避免铁垫板螺钉孔的磨损和变形,二是可以调整轨距,轨距的调整量为-4～+2 mm,以解决以前滑床板和护轨部分轨距难以调整的难题(图7)。

图7 调距盖板

(13)钢轨轨下和辙叉下设置12 mm厚橡胶垫板,垫板下设置12 mm厚橡胶垫板。这种双层垫板的设置,能有效地减少车辆的振动、降低噪声。

(14)轨距块配置(表2)。

(15)调距盖板配置(表3)。

3.2 混凝土短轨枕

混凝土短轨枕采用无挡肩岔枕,短轨枕内预埋塑料套管与道岔铁垫板连接。见图8。本道岔用混凝土短轨枕共5种长度、38种规格。

表2 轨距块配置

表3 调距盖板配置

图8 混凝土短轨枕断面示意(单位：mm)

3.3 工电接口

(1)转辙机安装在基础角钢上。

(2)道岔采用分动外锁闭装置。

(3)尖轨设置2个牵引点,设计动程分别为160、70 mm。

(4)牵引点处岔枕间距为650 mm。

4 道岔设计创新点

(1)借鉴客运专线高速道岔设计技术,转辙器设置辊轮滑床板, 可以显著降低尖轨与滑床台板的摩擦力,从而减小扳动力,减小尖轨后端不足位移。

(2)转辙器设置防跳限位装置, 防止尖轨在斥离状态下随着列车的振动而跳动,确保行车安全。

(3)在铁垫板上使用调距盖板,方便现场对轨距的调整,尤其是转辙器滑床板部分和护轨轨撑部分的轨距调整。

(4)借鉴客运专线高速道岔转换装置技术,外锁闭装置在锁闭框、锁闭杆、锁钩之间设置导向、防跳动等机构,从而达到转换灵活、可靠,避免卡阻现象。

(5)转换安装装置中,表示杆接头采用活络接头,较好的适应过车引起的振动。螺栓基本采用防松螺栓,从而减少维护工作量。

5 下一步研究工作

由于此次12号道岔研发时间有限,周期较短,且许多新结构还需要做试验等因素,该道岔在许多方面仍然采用了既有技术。在以下3个主要方面提出优化设计方案,有待以后进一步研究,优化设计。

5.1 合金钢拼装辙叉

目前国内城市轨道交通主要采用高锰钢整铸辙叉,其具有结构简单、整体性强的特点,可以满足一般使用要求。不可否认高锰钢具有良好的冲击韧性,经初期磨耗后,硬度有较大提高,比较适合制造辙叉[7]。但正是由于高锰钢初期硬度较低,需经过列车的不断辗压来提高硬度,然而用在城市轨道交通领域,由于城市轨道交通列车轴重轻(一般轴重≤14 t),使高锰钢辙叉硬度提高缓慢,造成高锰钢辙叉初期磨耗较快。同时高锰钢辙叉整体铸造时,容易产生内部铸造缺陷,在列车频繁的冲击作用下,会逐渐产生裂纹并向外扩展。有相当数量的高锰钢辙叉,其绝大部分在没有达到磨耗限度之前提前破损,便不得不提前下道,使高锰钢的优势得不到充分发挥[7]。

随着我国城市轨道交通事业的蓬勃发展,跨区间无缝线路成为当今城市轨道交通发展的主流,这就要求道岔范围内和其相邻的钢轨接头都焊接起来成为无缝道岔,然而由于高锰钢的辙叉和高碳钢的钢轨现场难以相互焊接,而厂内焊接造价较高,所以在跨区间无缝线路中使用高锰钢整铸辙叉成为技术障碍,而且由于高锰钢整铸辙叉使用寿命短,不宜在跨区间无缝线路上频繁更换使用[7]。

为此根据城市轨道交通的特点,建议采用合金钢叉心拼装式辙叉。合金钢叉心拼装式辙叉是由合金钢锻造叉心、翼轨(一般采用U75V热处理钢轨制造),耐磨性提高、连心轨(普通钢轨制造)及间隔铁通过横向高强螺栓组合而成为整体。该辙叉具有强度高、耐磨耗的特点,同时由于其翼轨与叉后连心轨均为普通钢轨制造,可直接与线路钢轨焊接。

合金钢叉心拼装式辙叉是新一代的辙叉结构,已广泛应用于国铁。该辙叉使用寿命质量保证≥200 Mt,约为高锰钢整铸辙叉使用寿命的2倍以上,但价格与高锰钢辙叉相当,故合金钢叉心拼装式辙叉的性价比优势明显,若推广使用,将产生巨大的经济效益。此外,由于合金钢叉心拼装式辙叉使用寿命的延长,将减少更换次数,从而降低工务养护维修工作量。

5.2 转辙器基本轨和护轨基本轨内侧的扣压

借鉴客运专线高速道岔设计技术, 转辙器基本轨和护轨基本轨内侧的扣压,采用弹性夹扣压,基本轨外侧不设轨撑[5，6]。采用弹性夹扣压的优点是扣压力大,安装和拆卸均较为方便(图9),此弹性夹同样可应用于护轨垫板(图10)。

图9 转辙器滑床板用弹性夹

图10 辙叉护轨垫板用弹性夹

国铁提速道岔在滑床板范围的基本轨内侧普遍采用弹片扣压,安装和拆卸不便(此次设计的道岔仍采用弹片扣压)。

但由于城市轨道交通用道岔均不设置轨底坡,且尖轨为60AT钢轨,尖轨与基本轨高差为24 mm,较客专道岔(客专道岔设置1∶40轨底坡,且尖轨为60D40钢轨,尖轨与基本轨高差为36 mm)小12 mm,故采用弹性夹扣压需重新研究滑床板结构形式,重新做试验等等。

5.3 高锰钢辙叉下设置高弹性垫板

由于固定型辙叉存在有害空间,列车车轮通过高锰钢辙叉时必须克服这种垂直几何不平顺,引起车体的振动和摇摆[10]。当车轮或辙叉磨耗时,更加剧这种状况。为减轻冲击振动,提高旅客乘座舒适度,延长辙叉使用寿命,可在高锰钢辙叉下设置高弹性垫板(可借鉴高速道岔硫化垫板技术,橡胶金属一体化的弹性垫板,垫板静刚度可以在20～60 kN/mm之间设定,该垫板具体型面尺寸及刚度均需要通过试验来不断优化)。

6 结语

目前,研发的12号道岔已在北京城市轨道交通亦庄线宋家庄车站成功应用,很好地解决了宋家庄站受站前折返能力限制的问题,亦庄线开通运营1年多时间,12号道岔使用情况良好。北京城市轨道交通12号道岔的设计研发,较好地填补北京城市轨道交通道岔系列的空白,可为几条设计时速≥100 km/h的新建线行车组织提供技术储备,大大提升线路提速空间。随着北京新建轨道交通线路速度提高、折返时间缩短的要求越来越普遍,12号道岔将会推广使用,其应用前景十分广阔。

[1] 高晓新.地铁正线用道岔平面及号数的探讨[J].都市快轨交通,2004(3)：29-31.

[2] 许有全,高亮.城市轨道交通用道岔有关问题的探讨[J].铁道标准设计,2003(5)：5-7.

[3] 沈长耀.60 kg/m钢轨12号提速单开道岔的研制[J].铁道标准设计,1996(5)：1-5.

[4] 于春华.城市轨道交通道岔总体方案研究[J].铁道标准设计,2006(S1)：170-172.

[5] 侯爱滨. 时速250 km客运专线铁路60 kg/m钢轨18号单开道岔结构设计[J].铁道标准设计,2006(6)：1-4.

[6] 侯爱滨.时速200 km、60 kg/m钢轨12号单开道岔的设计[J].铁道标准设计,2005(8)：4-6.

[7] 张东风,蒋昕.合金钢叉心拼装式辙叉的结构设计[J].铁道标准设计,2008(2)：4-7.

[8] 田德仓.秦沈客运专线60 kg/m钢轨18号单开道岔设计[J].铁道标准设计,2000(S1)：63-65.

[9] 许有全.既有线提速以来铁路轨道技术的发展[J].铁道标准设计,2004(07)：114-116.

[10] 刘语冰.铁路道岔论文集[M].北京：中国铁道出版社,2004.