跨座式单轨整体平转式道岔系统研究

解丽霞

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

跨座式单轨是一种车辆骑跨于轨道梁上运行的轨道交通制式,道岔是该系统三大关键技术之一,采用电力驱动,使道岔梁整体转辙,与轨道梁或道岔梁对位而形成岔道,以完成车辆行驶线路的转线需要[1]。跨座式单轨道岔类型主要包括关节式道岔和整体式道岔两种,关节式道岔又可分为关节型道岔和关节可挠型道岔,整体式道岔又可分为平移式道岔和平转式道岔,我国重庆单轨主要采用关节式道岔,少量采用平移式道岔[2]。目前,国内外与跨座式单轨道岔相关的研究大多针对关节式道岔,主要涉及道岔构成、参数及设置[3],道岔线形[4],道岔梁结构计算[5],道岔产品研制[6],道岔安装[7]等;另有部分文献研究了道岔选型[8]以及整体式道岔道岔梁的结构计算[9-10]。近年来,国内部分城市拟发展具有轻量化、简约化特点的轻型跨座式单轨。现有关节型道岔侧股线形为折线,侧向容许通过速度仅为15 km/h,适用于不载客、对速度要求较低的区段,可挠型道岔侧股线形为近似曲线,侧向容许通过速度为25 km/h,适用于载客或速度较高的区段。从结构组成上分析,关节型道岔通过调整尺寸可用于各种梁宽的单轨;关节可挠型道岔因挠曲机构需安装在道岔梁内,只能用于梁宽不小于800 mm的单轨,并不适用于梁宽大多在700 mm 左右的轻型跨座式单轨。故梁宽较窄的轻型单轨的正线或速度较高区段缺乏适用的道岔产品。为此,针对轻型跨座式单轨需求,系统研究整体平转式道岔技术,完成换梁型和枢轴型道岔产品设计。

1 道岔工作原理、技术特点及适用范围

1.1 道岔工作原理

(1)换梁型道岔工作原理

换梁型道岔由两根整体道岔梁组成,每根梁的固定端设尾轴,两根梁通过铰接连杆连接在一起。道岔转辙时,由驱动装置驱动一根道岔梁围绕其尾轴在水平面内转动,同时连杆带动另一根道岔梁围绕其尾轴在水平面内转动,当指定道岔梁活动端转辙至与轨道梁对齐位置时,将道岔梁活动端锁定,线路接通,从而实现列车转线功能。换梁型单开道岔的工作原理见图1。

图1 换梁型单开道岔工作原理

(2)枢轴型道岔工作原理

枢轴型道岔由一根整体直梁组成,梁的固定端设尾轴。道岔转辙时,由驱动装置驱动道岔梁围绕其尾轴在水平面内转动,当道岔梁活动端转辙至与指定轨道梁对齐位置时,将道岔梁活动端锁定,线路接通,从而实现列车转线功能。枢轴型四开道岔的工作原理见图2。

图2 枢轴型四开道岔工作原理

1.2 道岔技术特点及适用范围

换梁型道岔的侧股线形为曲线,具有侧向线形平顺、容许通过速度较高、结构比较简单、造价较低、占地面积较大等特点,主要适用于对容许通过速度、平稳性要求较高的配线。

枢轴型道岔的侧股线形为折线,具有侧向线形不够平顺、容许通过速度较低、结构简单、占地面积小、造价低、易于实现多开功能等特点,主要适用于对容许通过速度、平稳性要求较低的车场线或其它配线。

2 道岔结构组成研究

2.1 换梁型道岔的结构组成

根据工作原理,换梁型道岔应由道岔梁、走行台车、驱动及连杆装置、锁定装置、活动端固定段、枢轴端固定段、尾轴、底板及轨道以及控制装置等组成。

换梁型道岔根据功能需要可分为单开道岔、对开道岔和单渡线道岔。

换梁型单开道岔的结构组成见图3,其道岔梁由1 根直梁和1 根曲梁组成。

图3 换梁型单开道岔结构组成

换梁型对开道岔的结构见图4,其道岔梁由2 根曲梁组成,其余组成与单开道岔相同。

图4 换梁型对开道岔结构组成

换梁型单渡线道岔的结构示意见图5,除2 根曲梁共用同一根尾轴外,单渡线道岔形式上相当于由2 组单开道岔反向对接组合而成。

图5 换梁型单渡线道岔结构组成

2.2 枢轴型道岔的结构组成

根据工作原理,枢轴型道岔与换梁型道岔的最大差异为只设1 根直梁,其余部件与换梁型道岔类似。

枢轴型道岔根据功能需要可分为单开道岔、对开道岔、三开道岔、四开道岔和单渡线道岔,其中单渡线道岔形式上相当于由两组单开道岔反向对接组合而成。枢轴型四开道岔的结构组成见图6。

图6 枢轴型四开道岔结构组成

3 道岔主要技术参数研究

道岔技术参数主要包括道岔梁尺寸、容许通过速度、曲线半径、转辙角、转辙时间及转辙量等。道岔的技术参数应与工程需要相匹配。

3.1 道岔梁尺寸

对于整体平转式道岔,道岔梁相当于可转动的轨道梁,道岔梁各部位尺寸应满足车辆走行轮、导向轮和稳定轮的走行要求,道岔其它部件以及接触轨等相关系统的安装要求和限界要求。

道岔梁宽度需与车辆相匹配,根据芜湖轨道交通项目车辆选型,道岔梁宽度为690 mm。

3.2 容许通过速度

根据现行国家标准《跨座式单轨交通设计规范》,当道岔处于曲线或折线状态下车辆通过时应限速行驶,当道岔处于直线状态时,应满足列车最高行驶速度的要求[11]。因此,道岔直向容许通过速度应不低于列车最高行驶速度;道岔侧向容许通过速度:在折返线、出入段线等地段应满足行车组织要求,根据国内外跨座式单轨线路实际经营情况,配线道岔侧向容许通过速度通常在15～40 km/h 之间,车场作业区通常对容许通过速度要求较低,车场线道岔侧向容许通过速度可控制在5～15 km/h。

3.3 换梁型道岔曲线半径

换梁型道岔侧股线形为曲线,可采用简单圆曲线线形,也可采用舒适度更佳的缓圆缓曲线线形。

侧股道岔梁线形应满足车辆结构、车辆过岔平稳性的要求,载客区道岔尚应满足乘客舒适度的要求。根据芜湖轨道交通项目选型车辆资料,道岔侧股曲线半径应不小于车辆可通过的最小曲线半径46 m。

因道岔区不设超高,换梁型道岔侧向容许通过速度与曲线半径的关系应满足

式中,R为道岔侧股曲线半径;V为道岔侧向容许通过速度;a为列车通过曲线时产生的未被平衡的横向加速度。

关于未被平衡的横向加速度a的取值,配线道岔参考现行国家标准《地铁设计规范》条文说明中的建议(正常为0.5 m/s2,瞬间为0.65 m/s2)[12],即载客侧向通过的道岔,a的取值按照一般不大于0.5 m/s2,最大不大于0.65 m/s2的原则控制,这个取值为“有些不舒适,但可以忍受”的感觉范围;其它不载客侧向通过的道岔,参考国外相关线路的欠超高率限值,结合离心力检算,根据导曲线半径按照欠超高率限值为6.5%～10%控制,即不载客侧向通过的道岔,a的取值可根据曲线半径大小按照0.65～1.0 m/s2控制。

根据式(1),可由未被平衡的横向加速度及侧向容许通过速度计算需要的最小曲线半径,或由未被平衡的横向加速度及曲线半径计算道岔侧向容许最大速度。

3.4 枢轴型道岔转辙角

枢轴型道岔侧股线形为折线,其轮轨关系类似于铁路道岔的直线尖轨区。对于胶轮系统,目前对这种折线形道岔侧向容许通过速度尚无成熟的计算方法,预计与车辆走行系统、道岔线形及结构等有关。考虑到跨座式单轨采用导向轮挤压轨道梁侧面导向,常规铁路采用轮缘挤压钢轨侧面导向,两者的轮轨关系有一定的相似性,研究中道岔侧股转辙角与容许通过速度间的限制性关系参考铁路客货共线道岔对列车动能损失的影响,即道岔侧向容许通过速度应满足列车动能损失不大于0.65 km2/h2的要求[13],有

式中,ω为列车动能损失;β为道岔侧股转辙角;V为道岔侧向通过速度。

理论上,根据式(2),由道岔侧向容许通过速度计算出允许的最大转辙角,或由转辙角计算出道岔侧向容许最大速度。重庆单轨关节型道岔侧向容许通过速度限值基本符合式(2)的要求。但跨座式单轨转向架结构不同于常规的钢轮钢轨车辆转向架,列车侧向通过折线形道岔时的轮轨相互作用有其特点。相关测试表明,由于胶轮具有良好的弹性,列车以较高速度通过折线时对舒适度的影响没有钢轮轨系统明显,但转向架承受的冲击效应较为明显,较高速度频繁通过折线会降低转向架的使用寿命。因此,枢轴型道岔容许通过速度需考虑车辆对通过速度的适应性要求,在式(2)计算结果基础上予以适当折减。

3.5 转辙量及线间距

道岔转辙量及渡线道岔线间距应满足跨座式单轨交通限界、道岔线形及自身结构的要求。根据芜湖轨道交通项目车辆选型,道岔区直线限界取2 170 mm,曲线区限界根据曲线半径进行适当加宽。

3.6 转辙时间

根据重庆单轨道岔应用情况和芜湖轨道交通项目需求,道岔相邻位置转辙时间应不大于15 s。

3.7 研究的系列道岔规格及参数

根据对国内单轨线路的需求分析,从道岔系列化和标准化角度,研究了单开、对开、三开、四开枢轴型道岔,侧股曲线半径为54 m、69 m、100 m 和140 m 的换梁型道岔,针对芜湖轨道交通项目需求及选型车辆技术参数设计的换梁型道岔规格及主要技术参数见表1,枢轴型道岔规格及主要技术参数见表2。

表1 换梁型道岔规格及主要技术参数

表2 枢轴型道岔规格及主要技术参数

4 道岔主要部件研究

4.1 道岔梁及固定段

道岔梁及固定段为车辆的走行轨道,应具有车辆走行、导向、稳定和支承功能,应能承受车辆、风等外部载荷的作用,设计要点如下。

(1)道岔梁及固定段的结构尺寸应根据车辆转向架要求的轨道截面进行设计。主体结构采用箱型焊接结构,主要由顶板、腹板、底板、隔板、加强筋等组成,其中顶板为车辆走行面板。枢轴型道岔的腹板兼做导向板及稳定板;换梁型道岔梁两侧腹板外侧设π 形结构,π 形结构的立板为车辆走行的导向面板和稳定面板。道岔梁、固定段需要为道岔驱动装置、锁定装置、台车、尾轴等的安装设置安装板或安装架,为接触轨安装槽道。

(2)结构计算是道岔梁及固定段设计中的重要内容,结构强度、刚度要求及计算方法应符合《跨座式单轨交通设计规范》“轨道梁桥”章节的规定。

(3)为避免道岔转辙时发生干涉,道岔梁与活动端固定段之间需保留较大间隙时,应在梁端部走行面及导向面、稳定面处设置接缝板,以保证车辆平稳通行。

(4)道岔梁及固定段的走行面应进行防滑处理,以满足车辆行驶时的防滑要求。

4.2 驱动及连杆装置

驱动及连杆装置是使道岔实现换线功能的动作机构,应能使道岔在规定时间内完成道岔梁从启动到停止的转辙动作,且应保证道岔运行平稳、到位准确,设计要点如下。

(1)换梁型道岔的驱动及连杆装置可由电动推杆、推杆安装架、铰接销轴、驱动连杆连接架等组成。枢轴型道岔的驱动装置可由电动推杆、推杆安装架、螺杆连接架、拉杆、拉杆安装架等组成。

(2)驱动推杆的推力及运行速度应满足使用需要,并考虑一定安全余量,驱动电机的绝缘及防护等级应适合道岔的使用环境。

(3)连杆两端以铰接方式与道岔梁连接,以实现换梁型道岔直股接通、侧股接通时不同限界的要求。电动推杆电机端采用耳轴安装方式,活动端采用铰接方式,以适应道岔转辙过程中推杆与道岔梁之间角度的变化。

(4)驱动装置须具有手动功能,以确保断电等异常情况下可通过手动操作使道岔转辙复位。

(5)驱动及连杆装置应便于安装、调整及后期维护。

4.3 锁定装置

锁定装置是在道岔梁转辙到位后,使道岔梁准确对位并牢固锁紧的装置,应能使道岔在规定时间内完成道岔锁定动作,且保证定位准确、锁定牢固可靠,设计要点如下。

(1)锁定装置可由电动推杆、推杆安装座、锁销或滚轮、定位槽、锁销座及锁定位置检测装置等组成。

(2)锁定装置应能承受车辆通过时产生的横向载荷,具有足够的强度和刚度,保证道岔梁锁定牢固可靠。

(3)锁定推杆的推力及运行速度应满足使用需要,并考虑一定安全裕量,锁定电机的绝缘及防护等级应适合道岔的使用环境。

(4)锁定装置须具有手动功能,以确保断电等异常情况下可通过手动操作使道岔锁定复位。

(5)应设置锁定位置自动检测装置并与信号系统联锁,以准确检测并反馈道岔位置信息,保证车辆安全运行。当自动控制故障时,应能切换为人工操作方式。

(6)换梁型道岔活动端走行面宜设活动式接缝板,并与锁定装置联动,使道岔在锁闭状态时接缝板与走行面保持平齐,车辆可平稳通行;在道岔解锁时,接缝板随锁销缩回而抬起,保证道岔梁在转辙时与固定段不发生干涉。

(6)锁定装置应便于安装、调整及后期维护。

4.4 走行台车

走行台车是道岔梁的走行和支撑装置,应具有承受车辆载荷、风载荷和抗倾覆的能力;台车在道岔转辙时,应运行平稳顺畅,无异常卡顿、冲击、振动及噪声,设计要点如下。

(1)走行台车可由台车架、车轮组、连接螺栓等部分组成。

(2)每组台车应由两个车轮组支撑,保证足够的稳定性。台车架应具有足够的强度和刚度,并用螺栓连接或焊接方式与道岔梁牢固连接在一起。台车两轮轴间设有一定的夹角,夹角的大小应与转辙半径相匹配。

(3)车轮组应具有足够的承载力,轴承选型应考虑一定承载力裕量。

(4)车轮组应设置可靠的润滑装置,确保车轮运转灵活。

(5)车轮组设计应考虑互换性,并便于安装、调整及后期维护。

(6)活动端台车走行两端终点应设置台车车挡,以限制走行台车在规定范围内运行。

4.5 尾轴

尾轴中心为道岔梁的转辙中心,应牢固稳定,能承受车辆通过时的载荷作用,设计要点如下。

(1)道岔尾轴宜由转轴、轴承及安装座等部分组成。

(2)转轴应具有足够的强度和刚度,轴径安装轴承部分应进行耐磨处理。

(3)转轴轴承宜选用关节轴承,以适应梁体误差及变形,应具有足够的承载力,并设置良好润滑。

(4)安装座应牢固地安装在道岔基础上。

(5)尾轴应便于安装、调整及后期维护。

4.6 控制装置

控制装置是对道岔各机构进行控制和检测的电气设备,接收信号系统位置指令,控制道岔状态,向信号系统送出道岔位置信号。控制装置是道岔核心部件之一,直接影响运营安全,可靠性、安全性要求高[14],设计要点如下。

(1)控制装置应具备对道岔进行控制、状态检测及向信号系统反馈道岔位置表示信号的功能。道岔控制应能按指令完成道岔的解锁、电机启动、转辙、锁闭动作;道岔状态检测及信息反馈应能准确检测道岔位置信息,并将道岔位置表示信号传输给信号系统,且道岔位置表示与道岔的实际位置一致。

(2)控制装置应具有集中控制、现场控制及手动控制三种控制模式,各控制模式应能互相切换使用。正常运行时为集中控制模式,即道岔应能按信号系统发出的指令自动完成系列动作。现场控制通过操作控制面板对道岔进行控制,应能对道岔转辙实施连续及分步控制。手动控制通常是在道岔失电情况下,通过手工操作对道岔进行控制。道岔控制装置与信号系统间应设置授权、收权联锁电路。

(3)控制装置应具备系统检测、故障诊断、故障保护和报警功能,检测范围应包括道岔工作模式、梁体位置、锁定状态等;故障诊断应包括电机、控制器等核心部件;当诊断出内部故障时,应触发本地报警功能。电气保护应包括电源相序检测、电源短路、断相、电机过流及过载等保护功能。

(4)控制电路须满足“故障-安全”原则,联锁控制和信号回路应采用安全型继电器。

(5)动力电源应采用一级负荷供电,控制电源应由不间断电源供电。

(6)应设可靠的工作接地和防雷保护接地,防雷接地电阻值应不大于10 Ω,工作接地电阻值应不大于4 Ω。

5 道岔制造及安装精度要求

道岔设备结构复杂,制造精度和安装精度要求高。道岔梁及固定段是车辆走行的轨道,其宽度误差应满足车辆走行的要求。道岔梁走行面、导向面、稳定面的直线度,走行面和导向面及稳定面的垂直度,道岔梁与固定段的水平、高低错位等精度要求应符合《跨座式单轨交通设计规范》的规定。道岔转辙量允许偏差应符合《跨座式单轨交通施工及验收规范》[15]的规定。

6 结语

以芜湖轨道交通轻型跨座式单轨车辆特征为对象,系统研究整体平转式道岔两种细分类型换梁型道岔和枢轴型道岔技术,主要研究成果如下。

(1)明确道岔的工作原理、技术特点、适用范围、结构组成、主要部件研究要点以及道岔制造及安装精度要求。

(2)确定道岔容许通过速度、曲线半径、转辙角、转辙量及转辙时间等主要参数的计算或取值方法。

(3)形成适用于不同需求的系列道岔规格,包括侧股曲线半径为54 m、69 m 和100 m 的换梁型道岔以及单开、对开、三开、四开枢轴型道岔。

整体平转式道岔具有结构简单、维护方便、造价低等特点,其基本型式不仅适应于芜湖轨道交通所采用的轻型单轨系统,也适用于其它类型跨座式单轨。