新型懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

王 雙，張穎暉，王 朋，張 坤

（中鐵工程機械裝備研究設(shè)計院有限公司，湖北武漢 430066）

0 引言

隨著國內(nèi)各大城市人口的不斷增長、社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對公共交通的需求越來越大，城市的可持續(xù)發(fā)展對公共交通的要求越來越苛刻，在滿足人們出行需求且不阻礙城市可持續(xù)發(fā)展的前提下，懸掛式軌道交通漸漸出現(xiàn)在人們的視野。

懸掛式單軌交通并非是一種全新的軌道交通運輸形式。1903年，世界第一個懸掛式軌道交通系統(tǒng)在德國伍珀塔爾市全線通車，全長13.3 km。1984年，自動化的現(xiàn)代懸掛式空中列車系統(tǒng)在德國多特蒙德開始運營，并且在1993年進行了系統(tǒng)的擴建與更新，現(xiàn)已建成兩條懸掛式空中列車交通線。2002年，德國又建成開通了杜塞爾多夫空中列車線。1970年和1988年日本先后開通了湘南線和千葉線。

懸掛式軌道交通系統(tǒng)主要由支柱、軌道梁、道岔系統(tǒng)、機車車輛和通訊信號等組成。其中核心技術(shù)的研究主要集中在軌道梁、車輛的轉(zhuǎn)向架和道岔系統(tǒng)。

1 懸掛式軌道交通道岔分類

（1）整體移動式道岔梁。整體移動式道岔梁是根據(jù)國內(nèi)既有常規(guī)鐵路和跨座式單軌交通的道岔形式演變而來。主要由根據(jù)道岔線型預(yù)制的直線梁和曲線梁組合而成。

從原理上講，整體移動式道岔梁結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，制作方便，成本較低，動作單一，但體積龐大，安裝及運輸困難，不宜推廣。

（2）梯子型轍叉道岔。梯子型轍叉道岔主要由道岔梁、梯子型長心軌和短心軌組成。其轉(zhuǎn)轍原理與鐵路道岔可動心軌類似，是通過在箱型軌道梁內(nèi)的長短心軌的擺動，改變列車的行駛方向，早期在懸掛式單軌交通系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已逐漸被倒T形轍叉道岔所取代。

（3）倒T形轍叉道岔。倒T形轍叉道岔主要由可動軌、修正軌、被動軌以及其他動力裝置組成。其轉(zhuǎn)轍原理與梯子型轍叉道岔基本相同，但結(jié)構(gòu)細節(jié)方面存在較大差異，日本的湘南線和千葉線均采用該形式的道岔，運行穩(wěn)定可靠，技術(shù)含量較高，存在技術(shù)壟斷。

2 新型懸掛式單軌交通道岔

本文研究目的主要是：通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究和分析，掌握懸掛式單軌交通道岔的關(guān)鍵技術(shù)，著力解決當前道岔形式存在的車輛通過道岔時的受力不均狀態(tài)，并提出可行性建議方案，用以改善梁體受力均衡性及車輛轉(zhuǎn)向架的平穩(wěn)性，進而提高車輛通過道岔時的速度、乘坐的舒適度和安全性。

2.1 結(jié)構(gòu)方案

上述梯子型轍叉道岔與倒T形轍叉道岔雖滿足運營線路使用要求，但兩者都有一定的缺陷。梯子型轍叉道岔方案中，轉(zhuǎn)向架走行時靠近長心軌處的走行輪處于懸空狀態(tài)；而倒T形轍叉道岔方案中雖然解決了這一問題，但由于可動軌底板在水平擺動時重疊在箱梁走行面的上方，與另一側(cè)的走行面形成了一定的高度差，因此車輛駛過道岔時會使得轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生一定的傾斜，同時車廂產(chǎn)生振動，對道岔梁產(chǎn)生沖擊，影響乘坐舒適性。基于上述問題的考慮，設(shè)計開發(fā)一種新型的懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)用以解決和改善當前存在的問題，同時打破國外的技術(shù)壟斷是必要的。

新型懸掛式軌道交通系統(tǒng)主要由道岔梁、可動軌、被動軌、補償軌、修正軌、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及鎖閉機構(gòu)等組成（圖 1）。

圖1 新型懸掛式軌道交通系統(tǒng)

（1）可動軌。可動軌是道岔用以實現(xiàn)改變線路功能的主要結(jié)構(gòu)。它采用倒T形結(jié)構(gòu)，中間部分為導(dǎo)向板，兩翼為走行面板。其直線側(cè)走行面板為直線，岔線側(cè)走行面板為曲線。

（2）被動軌。是可動軌導(dǎo)向面板的延伸，用以連接可動軌的導(dǎo)向面板和道岔梁的導(dǎo)向面板，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向輪從鋼梁側(cè)導(dǎo)向面到可動軌導(dǎo)向面的平滑過渡。

（3）補償軌。用于補償由于可動軌擺動侵占轉(zhuǎn)向架走行輪行走踏面而造成的踏面銜接處水平間隙和高差。也是本方案有別于其他道岔的關(guān)鍵創(chuàng)新點。

（4）修正軌。用于修正可動軌行走軌道和道岔梁行走軌道之間的線性差。

（5）驅(qū)動裝置。用于驅(qū)動可動軌擺動、補償軌平移、修正軌轉(zhuǎn)動、鎖定裝置鎖定等提供動力。

（6）控制系統(tǒng)。包括驅(qū)動控制、鎖定控制、狀態(tài)檢測等，并與信號系統(tǒng)實現(xiàn)連鎖，保證道岔系統(tǒng)能夠安全、高效地運行。

（7）鎖閉裝置。鎖定裝置是道岔安全性和可靠性的重要保證。采用鎖定壓板（銷）的鎖定方式，通過磁力驅(qū)動鎖定壓板（銷），實現(xiàn)道岔的解鎖和閉鎖。

道岔采用電控裝置（設(shè)獨立控制箱）進行道岔轉(zhuǎn)換，在電控裝置出現(xiàn)緊急情況后，采用人工備用模式。

2.2 工作原理

本道岔系統(tǒng)與倒T形轍叉道岔系統(tǒng)工作原理類似，但是由于在倒T形轍叉道岔系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了補償軌，又與倒T形轍叉道岔系統(tǒng)的工作原理有所差異。當列車轉(zhuǎn)向架從軌道交通道岔直線側(cè)轉(zhuǎn)入岔線側(cè)時，道岔梁內(nèi)部構(gòu)件的工作步驟如下。

（1）正線側(cè)補償軌鎖定裝置（磁力壓板）解除對補償軌走行面的壓緊。

（2）正線側(cè)補償軌向外側(cè)平移，為可動軌走行板讓開位置。

（3）岔線側(cè)可動軌鎖定裝置（磁力壓板）解鎖（即解除對可動軌走行面的壓緊）。

（4）道岔驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)動撥叉，帶動可動軌、被動軌共同向正線側(cè)擺動，從而讓開可供車輛在岔線側(cè)通過的位置。

（5）擺動到位后，正線側(cè)可動軌鎖定裝置（磁力壓板）壓緊可動軌走行面，鎖定可動軌的空間位置。

（6）岔線側(cè)補償軌向內(nèi)側(cè)平移，到達曲線補償位置。

（7）岔線側(cè)補償軌鎖定裝置（磁力壓板）壓緊補償軌走行面，鎖定在岔線側(cè)補償軌的空間位置。

（8）兩側(cè)修正軌鎖定裝置（磁力壓板）解除對修正軌走行面的壓緊。

（9）兩側(cè)修正軌轉(zhuǎn)動，到達曲線修正位置。

（10）兩側(cè)修正軌鎖定裝置（磁力壓板）壓緊修正軌走行面，對兩側(cè)修正軌進行鎖定。

（11）此時可動軌曲線側(cè)、被動軌曲線側(cè)、補償軌曲線側(cè)、修正軌與梁體共同提供車輛通過道岔曲線所需的走行面和導(dǎo)向面。

（12）控制系統(tǒng)PLC檢測傳感器發(fā)來的信號，確認位置正確、鎖定可靠后，發(fā)出允許岔線通過的行車信號。

同理，當列車從岔線側(cè)轉(zhuǎn)入直線側(cè)時也可按照相應(yīng)步驟安全、平穩(wěn)的通過道岔。

2.3 技術(shù)參數(shù)（表1）

表1 道岔梁技術(shù)參數(shù)

2.4 相關(guān)計算

（1）道岔梁有限元計算。本次計算使用通用有限元計算軟件ANSYS進行計算校核，道岔梁主要結(jié)構(gòu)為鋼板焊接而成，因此選用SHELL63板單元進行模擬。由于道岔梁的受力情況隨著車輛的位置改變而改變，因此考慮最危險情況計算，即轉(zhuǎn)向架中心與可動軌中心重合。計算結(jié)果見表2，由表2可知，最大應(yīng)力值為271 MPa，最大靜撓度為10.693 mm。道岔梁整體結(jié)構(gòu)均采用Q370q橋梁鋼，其許用應(yīng)力為370/1.5=247 MPa，需要在應(yīng)力集中處進行局部補強。

（2）可動軌有限元計算。可動軌主要由鋼板拼焊而成，因此選用SHELL 63單元對鋼板進行模擬。前后回轉(zhuǎn)軸提供Z向約束，2個轉(zhuǎn)向架4個車輪載荷（單個2.65 t）作用在軌道面上4個位置，轉(zhuǎn)向架單個輪子作用在可動軌后邊緣。計算結(jié)果見表3。由ANSYS模擬結(jié)果，最大應(yīng)力值為249.432 MPa，最大靜撓度為2.545 mm。模板結(jié)構(gòu)均采用Q370材料型鋼，許用應(yīng)力為3370/1.5=247 MPa，由于本次計算將車輪載荷簡化為集中載荷，存在單點應(yīng)力集中，經(jīng)局部處理后滿足要求。

表2 計算結(jié)果

表3 計算結(jié)果

2.5 特點

新型懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)實為在倒T形轍叉道岔系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進而成。提出了補償軌的概念，切實的解決了梯子型轍叉道岔導(dǎo)向面不完全連續(xù)以及倒T形轍叉道岔走行輪踏面不完全連續(xù)和存在高差的問題，由此轉(zhuǎn)向架不再發(fā)生傾斜，導(dǎo)向輪對箱梁不再發(fā)生沖擊，使整個系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)，車輛過岔速度得到提升，大大降低了安全風(fēng)險，并且提高了乘車的舒適性。

3 結(jié)束語

對現(xiàn)存懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)原理進行簡要介紹，對比其優(yōu)缺點，找出技術(shù)難點和問題所在，經(jīng)分析論證之后，提出了新型的懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)的設(shè)計原理和思路。首次提出了補償軌的概念，用以解決當前懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)存在的主要問題。簡要提及道岔系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件道岔梁的力學(xué)計算方法，旨在輔助技術(shù)研究人員用以對梁體的強度的計算分析和借鑒。新型懸掛式單軌交通道岔的研制成功將填補我國懸掛式單軌交通道岔系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的空白，為解決國內(nèi)交通擁擠問題做出巨大貢獻。