城市軌道交通車輛段新型9號單開道岔設計研究

劉婷林 石 熠 喬神路，3

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；3.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室，北京 100044)

1 概述

隨著我國城市軌道交通的發展，高速、舒適、快捷出行成為當代人愈發迫切的需求[1]。北京軌道交通新機場線作為服務于北京大興國際機場的軌道交通專線，是我國首條最高速度達到160 km/h的地鐵線路[2-3]。該線采用CRH6型市域列車[4]，突破了常規地鐵的設計范疇[5]。針對新機場線的工程特點，在磁各莊車輛段及路基段停車場選用了50 kg/m鋼軌9號道岔，可為中遠期的運量提供充足的技術保證。城市軌道交通車輛段用道岔一般采用50 kg/m鋼軌7號道岔[5]，尚無應用50 kg/m鋼軌9號道岔的先例，故需要對其進行深入研究。

2 道岔平面設計

2.1 基本參數確定原則[6]

道岔設計常用的基本參數有三項：動能損失(ω)、未被平衡的離心加速度(α)以及未被平衡的離心加速度增量(ψ)。三個參數以不同方式表達了列車運行在道岔側線上所產生的橫向力影響。如控制不當，其危害性主要為：

①旅客舒適度差；

②不利于道岔結構穩定性和行車穩定性；

③加速道岔零件的磨損，縮短道岔使用壽命。

因此，在確定道岔平面線型時，各項參數不能超過規定的容許值。部分國家的參數容許值選用情況如表1所示。

表1 部分國家參數容許值選用情況

在我國，道岔基本參數的容許值取值如下：動能損失(ω0)取0.65 km2/h2，未被平衡的離心加速度(α0)取0.5～0.65 m/s2，未被平衡的離心加速度增量(ψ0)取0.5 m/s3。

2.2 尖軌平面線型的確定

9號及以上道岔尖軌設計時，常用平面線型主要有4種：直線型尖軌、切線型曲線尖軌、半切線型曲線尖軌和相離半切線型曲線尖軌，如圖1所示。

圖1 各型式尖軌示意

目前，最常用的是相離半切線型曲線尖軌，其介于直線尖軌和切線型曲線尖軌之間，可兼顧切線型曲線尖軌平順性好的特點，又能使尖軌尖端厚度不至太薄[7]。

相離型曲線尖軌能夠有效減輕尖軌的側磨，在列車軸重、運行速度和行車密度一定的條件下，其尖軌耐磨性能最好。采用適當的相離值，能夠有效保證彈性可彎曲線尖軌的穩定性，減少工務養護維修工作量，并且旅客的舒適度最高[8]。因此，本設計中采用了相離半切線型曲線尖軌。

2.3 道岔平面主要尺寸

設計道岔平面線型時，除需要考慮車輛段中遠期運量增加的使用需求外，還需要考慮磁各莊車輛段的占地面積以及道岔順接時的特殊情況，即道岔總長度越短越好。綜合考慮各項指標，道岔平面設計方案如下。

(1)道岔尺寸

道岔前長12 570 mm，后長15 730 mm，總長28 300 mm。導曲線半徑為200 m。

(2)轉轍器尺寸

根據道岔主要尺寸和岔枕的布置情況，轉轍器尖軌尖端至基本軌尖端的距離為2 616 mm。尖軌采用相離半切線型，從37 mm斷面作半切線，尖端采用藏尖式結構，從尖軌尖端向后183 mm作補充刨切，尖軌沖擊角為0°56′24″，動能損失為0.329。

(3)轍叉尺寸

轍叉趾端與轍叉理論尖端之間距離為1 538 mm，轍叉跟端與轍叉理論尖端之間距離為2 771 mm。護軌長為4 000 mm，其中開口段長150 mm，緩沖段長988 mm，平直段長1 724 mm。

(4)牽引點設置

尖軌共設置兩個牽引點，采用聯動內鎖閉方式，第一牽引點至尖軌尖端距離為430 mm，兩牽引點之間的距離為3 650 mm，第二牽引點設在尖軌密貼段外。

3 道岔結構設計

(1)轉轍器結構

根據跟端結構形式不同，轉轍器可分為活接頭結構(見圖2)和彈性可彎結構(見圖3)。

圖2 跟端活接頭結構

活接頭結構跟端采用魚尾板進行鉸接(魚尾板可對尖軌跟端的縱、橫向位移進行約束)，尖軌可實現自由扳動。扳動時，尖軌圍繞活接頭進行活動。尖軌一般采用直線型，其彈性變形小，所需轉換力小，且當直、曲尖軌和拉連桿形成的框架扳動到工作狀態時，尖軌跟端反彈力較小，有利于尖軌和基本軌之間的自然密貼。由于尖軌跟端存在接頭，導致接頭處穩定性較差，容易發生病害，屬于道岔轉轍器部分的薄弱環節[9-11]，且無法形成道岔無縫化設計。

圖3 跟端彈性可彎結構

鑒于活接頭結構養護維修工作量較大，故對其進行了優化，消除了活接頭，采用了彈性可彎結構。彈性可彎跟端采用彈性扣壓扣件，尖軌跟端縱橫向和扭轉位移均被約束，其扳動主要通過彈性可彎中心的轉動實現。在彈性可彎中心處，對軌底單側或雙側進行刨切，以減小截面的橫向慣性矩，從而有效降低尖軌扳動力[12-14]。考慮磁各莊車輛段道岔數量多，為減少工務養護維修工作量，轉轍器采用了彈性可彎結構。

(2)尖軌跟端傳力結構

鑒于新機場線磁各莊車輛段溫度變化較小，所產生的溫度附加應力也較小，故決定采用間隔鐵結構。

(3)基本軌扣壓

現階段，地鐵車輛段多采用50 kg/m鋼軌道岔轉轍器基本軌，其內側采用剛性扣壓(見圖4)。此結構扣壓力小，穩定性較差。為改善這一狀況，新機場線磁各莊車輛段的道岔采用了彈片和銷釘的方式進行扣壓(見圖5)。彈片扣壓的方式技術成熟，所需的滑床臺高度較小且扣壓力較大，可更加有效地防止基本軌外翻，確保轉轍器基本軌的穩定性。

圖4 基本軌剛性扣壓示意

圖5 基本軌彈性扣壓示意

(4)護軌形式

現階段，地鐵車輛段多采用H型護軌(43 kg/m鋼軌制造)，護軌和撐板通過高強螺栓進行聯結(見圖6)。為減少自重，新機場線磁各莊車輛段的道岔采用了33 kg/m槽型護軌(見圖7)。同時，為增強護軌的耐磨性能，將護軌更換為合金鋼材質，提高了護軌的整體使用壽命。

圖6 H型護軌斷面示意

圖7 槽型護軌斷面示意

(5)轍叉選擇

城市軌道交通車輛段尚無應用50 kg/m鋼軌9號道岔的先例，但在天津地鐵1號線、北京地鐵2號線等地鐵正線上，有服役中的50 kg/m鋼軌9號道岔可供參考。受當時技術條件的限制，既有高錳鋼整鑄式轍叉跟端采用間隔鐵式結構與普通鋼軌聯結(見圖8)。該結構形式轍叉跟端至理論尖端長度短，且采用間隔鐵進行連接，導致轍叉強度和穩定性較差，工務養護維修工作量較大。

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轍叉跟端采用夾板形式(見圖9)能夠有效提高轍叉的整體強度和穩定性，且拆裝方便，能夠有效降低工務部門的養護維修量。

圖8 轍叉跟端間隔鐵結構

圖9 轍叉跟端夾板結構

(6)工電接口

①設置兩個轉轍器牽引點，牽引點動程分別為160 mm、80 mm，理論轉換力分別為2 000 N、4 350 N。

②牽引點采用聯動內鎖閉方式，提高了道岔鎖閉的安全性、道岔及轉換設備的可靠性，實現了道岔轉換設備少維護、長壽命的要求。

③轉轍機采用角鋼安裝固定。

4 下一步研究工作

(1)一點牽引技術

車輛段道岔用量較大，如采用一點牽引技術，可將電務的養護維修工作量降低50%，對于減少養護維修工作量具有重要意義。但對尖軌扳動力、尖軌密貼和不足位移的要求較高，需要進一步的研究試驗。

(2)合金鋼組合轍叉

目前，國內城市軌道交通多采用高錳鋼整鑄轍叉，其初期硬度較低，需經過列車的不斷碾壓來提高硬度[19]。城市軌道交通軸重輕，這使得其硬度指標的達成周期較長，易造成運營初期高錳鋼轍叉磨耗較快。而合金鋼轍叉具有較高的耐磨性，其使用壽命約為高錳鋼的2倍以上[20]。因此，有必要對合金鋼組合轍叉進行結構設計研究。

(3)低動力小號碼可動心軌轍叉

隨著城市軌道交通的發展，車輛段上蓋物業的開發越來越普及，對地鐵振動控制的要求越來越高。目前廣泛使用的固定型轍叉存在有害空間，列車通過時會產生振動。因此，小號碼可動心軌道岔是日后城軌道岔設計的重要研究方向。

5 結束語

北京新機場線磁各莊車輛段采用50 kg/m鋼軌9號道岔，突破了既有地鐵車輛段道岔設計限制，減少了工務的養護維修工作量，不但能滿足當前運營的需求，也為線路的中長期運量增加提供了技術支持和技術保證，為市域快線的發展奠定了堅實的基礎。