懸掛式單軌道岔結構設計研究

代 豐，李忠繼，林紅松，李 周

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2.中建科工集團有限公司，深圳 518054)

伴隨城市發(fā)展對公共交通和綠色交通的依賴，軌道交通已成為城市公共交通體系的重要組成部分，并逐漸形成多種軌道交通制式并存的格局。相較地鐵.輕軌和市域鐵路，懸掛式單軌因其具有占地面積小.工程造價低.環(huán)境污染小.施工周期短.攀爬能力強等優(yōu)點，既可作為中小型城市的主要交通工具，又可成為大型城市交通運輸方式的補充和延伸，更適于作為山地和水域較多地區(qū)的旅游基礎設施[1-5]。目前，懸掛式單軌已在日本.德國[6]和美國等發(fā)達國家城市具有較為成熟的應用，而國內也已在青島.成都和開封等地建設單軌試驗線，以期率先布局懸掛式單軌的商業(yè)運營規(guī)模。懸掛式單軌主要由軌道橋梁.道岔系統(tǒng).機車車輛和信號系統(tǒng)等部分組成，而道岔系統(tǒng)組成復雜.接口多樣，涉及軌道.橋梁.車輛.限界.供電和信號等多個專業(yè)，是懸掛式單軌交通的關鍵技術之一。因此，為促進懸掛式單軌交通的推廣和發(fā)展，并為滿足單軌交通建設需求而做好技術儲備，有必要對懸掛式單軌道岔系統(tǒng)的結構設計開展研究。

目前，國內關于懸掛式單軌的研究主要集中在空間線形[7-10].列車通過性能[11-17]及軌道梁類型[18]等方面，而就懸掛式單軌道岔的研究較少，既有文獻[19-20]也僅從道岔系統(tǒng)設計或者理論受力的角度，對道岔工作原理和梁體受力作簡要介紹，缺乏從設計生產(chǎn)實際出發(fā)，圍繞懸掛式道岔結構設計和接口設計全過程的綜合設計研究。結合具體實施的工程項目，從懸掛式單軌道岔的結構類型.設計參數(shù).結構方案.接口設計幾個方面，系統(tǒng)分析和總結了懸掛式單軌道岔結構選型設計方法和要點，旨在為懸掛式單軌道岔系統(tǒng)的工程設計和方案優(yōu)化提供技術支撐。

1 道岔結構類型

懸掛式單軌道岔是改變單軌列車行駛方向的關鍵設備，是保證懸掛式單軌列車安全運行的重要系統(tǒng)。現(xiàn)行的懸掛單軌道岔結構方案主要分移動式道岔.梯型轍叉道岔以及倒T形轍叉道岔。

移動式道岔廣泛用于單軌交通，以道岔梁的整體平移，實現(xiàn)列車轉向的功能。移動式道岔對道岔轉轍動力系統(tǒng)要求較高，相應結構復雜，移動部分質量大，轉轍速度較慢，道岔綜合造價較高。德國伍伯塔爾非對稱式懸掛式單軌采用的移動式道岔如圖1所示。

圖1 移動式道岔

梯型轍叉道岔的轉轍原理類似于鐵路道岔可動心軌，通過可動軌在箱梁內的水平轉動，引導列車行駛方向，其轉轍原理如圖2所示。當車體一個走行輪通過梯型轍叉道岔長心軌區(qū)域時，車體將短時間處于懸空狀態(tài)，依靠導向輪側向支承提供穩(wěn)定平衡。該型道岔內部結構更為復雜，通過長短心軌協(xié)同工作實現(xiàn)道岔轉換的結構設計，有效減小了道岔梁尺寸。德國多特蒙德工業(yè)大學校園線采用的梯型轍叉道岔，如圖3所示。

圖2 梯型轍叉道岔轉轍原理

圖3 梯型轍叉道岔

倒T形轍叉道岔與梯型轍叉道岔的轉轍原理大致相同，較梯型轍叉道岔梁長度更短，結構更復雜。日本湘南線懸掛式單軌采用的倒T形轍叉道岔，如圖4所示。倒T形轍叉道岔轉轍結構主要由可動軌和修正軌組成。倒T形轍叉道岔通過修正軌配合可動軌底板，為走行輪提供連續(xù)走行面，使得列車通過道岔的平順性更好。因此，在進行工程設計時，建議優(yōu)先選用倒T形轍叉道岔。

圖4 倒T形轍叉道岔

2 道岔設計參數(shù)

懸掛式單軌道岔設計參數(shù)主要包括車輛最大軸重.道岔理論長度.導曲線線型及半徑.道岔轉轍角度.道岔直向和側向最高通過速度以及道岔轉轍時間。確定道岔梁線型是開展懸掛式單軌道岔結構設計的基礎，根據(jù)線路條件和行車需求，分別確定單開道岔和單渡線道岔線型。某懸掛式單軌工程單開和單渡線道岔線型分別如圖5和圖6所示。單開道岔理論長度(梁縫中心線間距離)20 m，位于一孔梁上，道岔導曲線采用圓曲線線型，曲線半徑為60 m，道岔號碼為4號。道岔的最高側向通過速度為15 km/h，直向與區(qū)間直線通過速度相同。單渡線道岔理論長度(梁縫中心線間距離)40 m，由兩組單開道岔梁拼接而成，在渡線道岔中部設置門式橋墩。道岔可動件轉轍時間應不大于6 s，包含轉轍.檢測.鎖閉等總轉轍時間應不大于15 s。

圖5 單開道岔線形(單位：mm)

圖6 單渡線道岔線形(單位：mm)

3 道岔結構設計

懸掛式道岔系統(tǒng)設計基于懸掛式單軌車輛走行部的結構特點和轉轍要求，設計特點包含3個方面：采用倒T形轍叉道岔，倒T形結構翼緣為走行輪提供走行面，腹板為導向輪和穩(wěn)定輪提供導向和穩(wěn)定面；采用分段式設計滿足曲線前段提供導向功能，曲線中段及后段滿足導向和走行支撐的需求；采用補償軌和修正軌分別提供前端.后端走行面的補償和修正，確保走行面軌跡連續(xù)并符合直線.曲線線型要求，且輪胎不懸空，滿足夾鉗制動需求。道岔無附加不平順，無有害空間，可以確保列車運行平穩(wěn)性。

道岔系統(tǒng)主要由道岔梁.可動軌.隨動軌.補償軌.修正軌.動力系統(tǒng).控制系統(tǒng).鎖定裝置等組成，如圖7所示。道岔系統(tǒng)部件與其組成功能如表1所示。當列車直向或側向通過道岔時，道岔梁與道岔形成的轉向架走行空間滿足限界要求。通過車-岔系統(tǒng)動力學分析，在空車和重車工況下，列車過岔動力響應及道岔承受的動荷載均未超過標準限值，滿足結構使用要求。

圖7 道岔結構設計

表1 道岔結構組成

4 道岔接口設計

懸掛式單軌道岔接口專業(yè)眾多，道岔接口設計是道岔結構設計的主要內容之一，應重點考慮的接口設計主要包括道岔支座反力.供電軌斷開區(qū)間和道岔構造加寬，配合橋墩.支座和供電軌接口設計，預留必要的運維條件。

4.1 道岔支座反力

4.1.1 計算模型

作為橋梁專業(yè)設計重要的輸入?yún)?shù)，道岔支座反力決定道岔支座選型和橋墩設計。鑒于變截面道岔結構復雜，在進行工程設計時，將道岔簡化為六點簡支的梁模型，采用Beam189單元模擬，在不考慮轉轍位置道岔梁變截面特性的情況下，從岔心位置分出側股道岔梁模型，支座考慮為與道岔梁相連的剛臂，道岔梁截面屬性按軌道梁截面考慮，由于道岔梁截面面積大于區(qū)間軌道梁截面，抗彎剛度更大，簡化的計算模型偏保守，道岔梁計算模型如圖8所示。懸掛式單軌道岔梁計算參數(shù)如表2所示。

圖8 道岔梁計算模型(單位：mm)

表2 道岔梁計算參數(shù)

4.1.2 荷載工況

對計算模型施加的荷載工況分為2種，一種是僅考慮道岔自重，在道岔梁質量為80 t，道岔梁直股和側股長度合計估算為30.6 m的情況下，對道岔梁單元施加荷載集度為26 kN/m的均布荷載以模擬道岔梁自重；另一種是在考慮自重的基礎上，對道岔梁施加如圖9所示的列車荷載(最大軸重)，集中荷載分別沿道岔梁直股起始端(1號節(jié)點)和道岔梁側股終端(3號節(jié)點)開始逐一施加在道岔梁上。

圖9 列車荷載作用位置(單位：mm)

4.1.3 計算結果

考慮兩種荷載工況的計算結果如表3所示。在兩種工況條件下，道岔梁直股起始端支座的支座反力最大，自重條件下的最大支座反力為146.75 kN，自重加列車荷載條件下的最大支座反力為246.64 kN。因此，在靜力計算條件下，列車對支座的作用力最大約為100 kN。若考慮動力作用的影響，按動力系數(shù)為3考慮，列車對支座的作用力計300 kN，道岔梁支座類型按300 kN考慮。若區(qū)間軌道梁設計支座反力最大達500 kN，為盡可能滿足全線支座統(tǒng)一采用類型一致的支座，道岔梁支座類型可仍按500 kN考慮。

表3 支座反力計算結果 kN

4.2 供電軌斷開區(qū)間

當單軌列車采用供電軌供電時，為滿足道岔梁直股和側股供電需要，應進行供電軌布置設計，確定供電軌斷開區(qū)間范圍。懸掛式單軌道岔通過可動軌轉轍實現(xiàn)轉向功能，可動軌為倒T形結構，由立板和底板組成，當?shù)啦礞i閉時，可動軌立板與道岔梁腹板貼靠。由于道岔可動軌轉轍需要貼靠道岔梁左右導向面，道岔梁內可動軌范圍內不應設置安裝在道岔梁內側壁的供電軌，岔區(qū)供電軌斷開區(qū)間由岔心位置.供電軌高度和供電軌與可動軌間的電氣間隙決定。某懸掛式單軌工程單開和單渡線道岔供電軌斷開區(qū)間布置分別如圖10和圖11所示。

圖10 單開道岔梁供電軌斷開區(qū)間(單位：mm)

圖11 單渡線道岔梁供電軌斷開區(qū)間(單位：mm)

4.3 道岔構造加寬

在不考慮制造工差的前提下，考慮單軌車輛導向輪內接時，轉向架中心與線路中心線存在偏移量。為確保單軌車輛懸吊裝置與道岔梁曲線走行面的限界要求，應對曲線內側道岔梁底部構造加寬，加寬值根據(jù)導向輪軸距和道岔導曲線半徑確定，由式(1)計算。

(1)

式中f——理論加寬值；

L——導向輪軸距；

R——導曲線半徑。

道岔梁底部構造加寬應在直線地段內完成線性過渡，過渡段長度不小于2 m，如圖12所示。

圖12 加寬過渡方案(單位：mm)

5 結論

本文在對比既有懸掛式單軌道岔系統(tǒng)結構特征的基礎上，結合具體工程設計項目，研究了懸掛式單軌道岔結構類型和設計方案，得到如下結論。

(1)倒T形轍叉道岔運行穩(wěn)定可靠，較移動式.梯形轍叉道岔占用空間小.轉轍效率高.平順性更好，在工程設計時，建議優(yōu)先選用倒T形轍叉道岔。

(2)懸掛式單軌道岔設計參數(shù)主要包括車輛最大軸重.道岔理論長度.導曲線線型及半徑.道岔轉轍角度.道岔直向和側向最高通過速度以及道岔轉轍時間。對于線間距為5.1 m的單軌工程，導曲線半徑為60 m.道岔理論長度為20 m的4號道岔可滿足最高側向通過速度為15 km/h的單軌線路條件和行車需求。

(3)懸掛式單軌道岔結構采用分段式設計滿足曲線前段提供導向功能，曲線中段及后段滿足導向和走行支撐需求，補償軌和修正軌的創(chuàng)新設計確保走行面軌跡連續(xù)并滿足直側向線型要求。道岔無附加不平順，無有害空間，可以確保列車運行平穩(wěn)。

(4)懸掛式單軌道岔接口設計應重點考慮與橋墩設計相關的道岔支座反力.與牽引動力相關的供電軌斷開區(qū)間布置及為滿足限界要求的道岔構造加寬，配合橋墩.支座和供電軌接口設計。