有軌電車(chē)用50 kg/m鋼軌曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)道岔設(shè)計(jì)

李 文 博

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

1 概述

有軌電車(chē)是由電氣牽引輪軌導(dǎo)向的低地板式電動(dòng)車(chē)輛，運(yùn)行在專(zhuān)用軌道上，采用平交道口和優(yōu)先信號(hào)的中低運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng)，擁有低碳環(huán)保、舒適新穎和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。有軌電車(chē)道岔主要運(yùn)營(yíng)在城市內(nèi)，道岔一般埋于路面內(nèi)，軌頂面與路面平齊，要求道岔應(yīng)盡量的少維護(hù)或免維護(hù)。

我國(guó)有軌電車(chē)用道岔型號(hào)以槽型軌或工字軌3號(hào)道岔、槽型鋼軌6號(hào)道岔；槽型軌或工字軌直曲交叉、菱形交叉、梳狀道岔為主。有軌電車(chē)小號(hào)碼道岔曲線(xiàn)半徑小，其轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)和輪軌接觸關(guān)系比較復(fù)雜，機(jī)車(chē)車(chē)輛在小號(hào)碼道岔上的脫軌風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于大號(hào)碼道岔。

本次為文山普者黑有軌電車(chē)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的50 kg/m鋼軌曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)道岔，導(dǎo)曲線(xiàn)半徑25 m，號(hào)數(shù)僅為2.7號(hào)，為我國(guó)國(guó)內(nèi)目前最小號(hào)碼的道岔。在道岔設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮平面線(xiàn)型、安全、養(yǎng)護(hù)維修等各個(gè)方面，對(duì)道岔的平面線(xiàn)型、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，確保曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)道岔安全可靠，養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便。

2 道岔主要設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

2.1 設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

50 kg/m鋼軌曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)道岔設(shè)計(jì)時(shí)本著安全可靠、便于維護(hù)的目標(biāo)，道岔應(yīng)符合TB/T 412—2014標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路道岔技術(shù)條件的規(guī)定，道岔容許速度不大于10 km/h，道岔采用道岔軌距為1 440 mm(軌頂面以下14 mm測(cè)量)，即在1 435軌距的基礎(chǔ)上，在尖軌尖端進(jìn)行了5 mm軌距加寬；道岔全長(zhǎng)L=8 373 mm，前長(zhǎng)1 323.5 mm，后長(zhǎng)7 054.5 mm。道岔軌下基礎(chǔ)采用混凝土長(zhǎng)岔枕和有砟道床。主要幾何尺寸及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，圖1。

表1 道岔主要設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

2.2 主要控制參數(shù)

根據(jù)TB/T 2477—2006中規(guī)定，客貨共線(xiàn)道岔側(cè)向容許通過(guò)速度應(yīng)滿(mǎn)足：動(dòng)能損失最大容許值ω0=0.65 km2/h2,未被平衡離心加速度容許值α0=0.4 m/s3, 未被平衡離心加速度增量ψ0=0.4 m/s3。

2.2.1動(dòng)能損失

其中，ω0按0.65 km2/h2取值;βc為撞擊部位沖擊角，(°)；V為列車(chē)運(yùn)行速度，本次取值為10 km/h。

經(jīng)計(jì)算，線(xiàn)型設(shè)計(jì)時(shí)確定的尖軌沖擊角度為2.396 8°<4.624 35°，動(dòng)能損失滿(mǎn)足要求。

2.2.2未被平衡的離心加速度

未被平衡的離心加速度計(jì)算公式：

α=V2/(3.62×R)=102/(3.62×25)=0.31 m/s2。

其中,V為列車(chē)運(yùn)行速度，本次取值為10 km/h；R為導(dǎo)曲線(xiàn)半徑，本次取值為25 m。

2.2.3未被平衡的離心加速度增量

未被平衡離心加速度增量計(jì)算公式：

ψ=V3/(3.63×R×l)；

ψ=103/(3.63×25×8)=0.11 m/s3。

其中，l為車(chē)輛全軸距，按8 m取值。

因此，在確定道岔平面線(xiàn)型時(shí)，必須使各項(xiàng)參數(shù)不超過(guò)規(guī)定的限度，即滿(mǎn)足：α≤α0，ω≤ω0，ψ≤ψ0，經(jīng)檢算，動(dòng)能損失、未被平衡離心加速度、未被平衡離心加速度增量及沖擊角均滿(mǎn)足限值要求。

3 道岔平面線(xiàn)型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 對(duì)稱(chēng)道岔平面線(xiàn)型設(shè)計(jì)

道岔線(xiàn)型設(shè)計(jì)主要依據(jù)線(xiàn)路設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)提供的1∶1線(xiàn)路圖，在提高尖軌粗壯度，尖軌尖端取在軌頭寬度2 mm處；道岔平面線(xiàn)型設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 道岔設(shè)計(jì)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 對(duì)稱(chēng)道岔轉(zhuǎn)轍器設(shè)計(jì)

3.2.1轉(zhuǎn)轍器布置圖設(shè)計(jì)

基本軌采用50 kg/m鋼軌制造，尖軌采用50AT1合金鋼鋼軌制造，防脫軌裝置采用合金鋼鋼板加工制造而成。尖軌、基本軌及防脫軌裝置通過(guò)墊板安裝固定在混凝土岔枕上。轉(zhuǎn)轍器布置圖如圖2所示。

3.2.2轉(zhuǎn)轍器區(qū)域設(shè)置防脫軌裝置布置

為達(dá)到解決有軌電車(chē)在尖軌處脫線(xiàn)問(wèn)題，在對(duì)稱(chēng)道岔尖軌處設(shè)置防脫軌裝置。防脫軌裝置按照雙側(cè)設(shè)計(jì)，對(duì)稱(chēng)布置，防脫軌裝置輪緣槽設(shè)置開(kāi)口段、緩沖段、平直段，其中平直段與基本軌保持29 mm輪緣槽區(qū)段，緩沖段開(kāi)口值為52 mm，開(kāi)口段開(kāi)口值為65 mm。防脫軌裝置改變車(chē)輪運(yùn)行軌跡，防止車(chē)輪與尖軌小斷面接觸，可提高尖軌壽命。有效降低有軌電車(chē)在尖軌小斷面掉道脫線(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。防脫軌裝置具體詳見(jiàn)圖3，圖4。

3.2.3防脫軌裝置仿真計(jì)算

為了驗(yàn)證防脫軌裝置設(shè)計(jì)的可靠性對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，計(jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，本次計(jì)算截取轉(zhuǎn)轍器輪緣槽寬度為29 mm(即防脫器平直段)的一部分建立基本軌、防脫器、車(chē)輪、防脫器墊板、防脫器滑床板等結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，橡膠墊板及扣件均采用彈簧模擬，幾何模型如圖5所示。

材料參數(shù)：采用彈塑性材料模型，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.29，密度為7.85×10-9t/mm3，屈服強(qiáng)度為900 MPa。

邊界條件：板下橡膠墊板采用面彈簧模擬，彈簧一端與墊板連接，一端全約束。

本次計(jì)算中，車(chē)輪踏面與基本軌、車(chē)輪與防脫器、防脫器與防脫器支承架等零件之間的相互作用采用標(biāo)準(zhǔn)接觸模擬，摩擦系數(shù)取0.3。

加載參數(shù)：列車(chē)過(guò)岔速度不大于10 km/h，動(dòng)載系數(shù)取3，單側(cè)車(chē)輪承受的豎向力為187.5 kN(軸重12.5 t)。單側(cè)車(chē)輪承受的橫向力為56.25 kN。板下膠墊靜剛度為60 kN/m，軌下膠墊靜剛度為200 kN/m。計(jì)算過(guò)程如圖6～圖10所示。

通過(guò)計(jì)算得出防脫軌裝置最大等效應(yīng)力為82.67 MPa，最大位移為0.12 mm，防脫器受到的最大水平應(yīng)力為9.25 MPa，由最大水平應(yīng)力計(jì)算得到防脫器受到的橫向力為40.05 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度限值，設(shè)計(jì)合理。

3.2.4彈性可彎尖軌設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的對(duì)稱(chēng)道岔尖軌長(zhǎng)度較短，彈性可彎尖軌最主要問(wèn)題是扳動(dòng)力大的問(wèn)題，根據(jù)不同工況對(duì)扳動(dòng)力進(jìn)行了計(jì)算(見(jiàn)表3)。

表3 不同工況的扳動(dòng)力計(jì)算表

由以上模擬計(jì)算可以看出，隨著彈性可彎段加長(zhǎng)，扳動(dòng)力逐漸減小，但不足位移會(huì)增大。隨著動(dòng)程的減小，扳動(dòng)力減小，不足位移隨之減小，本次采用工況5進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)道岔的試制試鋪和電務(wù)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，證明模擬計(jì)算的結(jié)果符合扳動(dòng)力的要求。

3.2.5跟端限位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于小號(hào)碼道岔采用彈性可彎尖軌后，跟端支距過(guò)大，在基本軌上安裝頂鐵，頂鐵長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，受力狀況較差，故普通頂鐵結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足道岔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。本次針對(duì)小號(hào)碼的彈性可彎尖軌進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將頂鐵固定在道岔的滑床板上，一方面可以起到滑床板的作用，另一方面可起到保持道岔跟端支距離的作用，具體如圖11所示。

3.3 轍叉及護(hù)軌設(shè)計(jì)

3.3.1合金鋼轍叉設(shè)計(jì)

為提高有軌電車(chē)轍叉的耐磨性，本次轍叉采用合金鋼轍叉。合金鋼轍叉采用分層焊接結(jié)構(gòu)，上層為NM400合金鋼鋼板，下層為普通結(jié)構(gòu)鋼，轍叉兩頭加工成50 kg/m標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，與線(xiàn)路鋼軌進(jìn)行夾板連接，具體如圖12所示。

3.3.2轍叉及護(hù)軌設(shè)計(jì)

軌采用分開(kāi)式槽型護(hù)軌，采用UIC33槽型鋼制造，護(hù)軌頂面高出導(dǎo)軌頂面12 mm，護(hù)軌內(nèi)側(cè)采用彈性?shī)A扣壓鋼軌，如圖13所示。

4 扣件系統(tǒng)及岔枕設(shè)計(jì)

扣件均采用B型彈條分開(kāi)式彈性扣件系統(tǒng)。岔枕采用與提速道岔相同的岔枕結(jié)構(gòu)，頂面寬260 mm，底面寬300 mm，高度220 mm，岔枕上預(yù)埋塑料套管。有砟道床時(shí)軌下及轍叉下膠墊為5 mm，板下膠墊為10 mm。具體如圖14，圖15所示。

5 結(jié)語(yǔ)

有軌電車(chē)用50 kg/m鋼軌曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)道岔導(dǎo)曲線(xiàn)半徑為25 m，道岔號(hào)數(shù)為2.7號(hào)，本次曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)道岔的研發(fā)成功，有效解決了有軌電車(chē)車(chē)輛基地咽喉區(qū)域車(chē)輛進(jìn)入車(chē)庫(kù)的需要。尖軌處防脫軌裝置的設(shè)計(jì)有效避免了小號(hào)碼道岔的脫軌事故的發(fā)生，尖軌及轍叉采用合金鋼材質(zhì)，有效的延長(zhǎng)了道岔的使用壽命。該道岔的設(shè)計(jì)成功為其他項(xiàng)目有軌電車(chē)用小號(hào)碼道岔的設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒經(jīng)驗(yàn)，可在有電車(chē)道岔領(lǐng)域推廣應(yīng)用。