地鐵60 kg/m鋼軌9號單開道岔優(yōu)化設計

楊亮

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

截至2019年底，我國已有40座城市開通地鐵，線路長度總計5 187 km。道岔是實現列車股道轉換必不可少的設備，也是地鐵設備的薄弱環(huán)節(jié)。前期各城市地鐵建設沒有統一標準，地鐵道岔多采用國鐵道岔，型號雜亂，技術陳舊，問題頻發(fā)。據現場統計，道岔的養(yǎng)護維修工作量約占地鐵維修量的40%～50%。因此，道岔性能直接影響著地鐵運營的效率。

9號單開道岔是地鐵中使用最多的道岔，用于正線、輔助線、試車線等［1-2］，對9號道岔的優(yōu)化尤為重要。隨著國有鐵路6次提速和高速鐵路、重載鐵路的發(fā)展，道岔技術有了長足進步，使用壽命得以延長，養(yǎng)護維修工作量減少［3-7］。本文針對地鐵運營軸重輕、速度較慢、使用頻繁的特性，結合高速鐵路和重載鐵道道岔的創(chuàng)新成果，將新材料新工藝引入地鐵領域來優(yōu)化9號單開道岔，以期促進地鐵領域道岔性能的提升。

1 優(yōu)化設計原則與關鍵指標

1.1 優(yōu)化設計原則

調研發(fā)現，目前60 kg∕m鋼軌9號道岔主要使用的線形有3種。圖號分別為《城軌237》（由北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司設計）、《專線9761》（由中鐵工程設計咨詢集團有限公司設計）、《DTC201》（由中鐵二院工程集團有限責任公司設計）。專線9761和城軌237這兩種線形的道岔在我國地鐵中使用率最高。專線9761道岔總長度為28 300 mm，城軌237道岔總長度為29 054 mm。地鐵建設費用高昂，拆遷困難，建成后改造、擴建極為困難。專線9761道岔總長度更小，更有利于減少城市占地和產品推廣。因此，本文基于專線9761道岔進行優(yōu)化設計。

優(yōu)化措施包括：采用60AT2軌制造尖軌；優(yōu)化尖軌尖端到道岔始端的距離（Q值）；優(yōu)化導曲線理論起點與直基本軌工作邊轉轍器相離值；優(yōu)化轍叉設計，引入合金鋼轍叉；引入性能更優(yōu)異的復合材料岔枕。

1.2 設計指標

靜軸重：小于等于16 t。

運行速度：直向小于等于120 km∕h；側向小于等于35 km∕h。

2 結構優(yōu)化設計

2.1 線形參數

優(yōu)化后道岔前長12 570 mm，后長15 730 mm，總長28 300 mm，導曲線半徑200 m，均與專線9761道岔保持一致，以便于現場互換。通過調整Q值、導曲線起點與直基本軌工作邊轉轍器相離值等參數，得到兩種優(yōu)化設計方案，與原設計參數對比見表1。

表1 優(yōu)化設計方案與專線9761道岔參數對比

2.2 尖軌軌型選擇

我國城市軌道9號道岔尖軌普遍采用60AT1軌制造。優(yōu)化設計時，尖軌采用主要在客運專線道岔尖軌和伸縮調節(jié)器中使用的60AT2軌制造［8］。兩種軌型參數對比見表2［9］。

表2 60AT1軌與60AT2軌參數對比

采用60AT2軌制造尖軌的主要原因有：

1）60AT2軌斷面面積比60AT1要小，更節(jié)省材料。地鐵車輛軸重16 t，最高速度120 km∕h；客運專線列車軸重17 t，最高速度350 km∕h。60AT2軌的強度能滿足客運專線的要求，在地鐵中更有余量。

2）60AT1軌高152 mm，用于制造尖軌時，尖軌與基本軌（60 kg∕m鋼軌）高差不足，只能采用彈片扣壓，彈片容易變形，后端的銷釘容易折斷。60AT2軌高142 mm，與基本軌高差可達34 mm，有足夠的空間安裝彈性夾，能有效改善基本軌的扣壓和支點彈性。

3）60AT2軌的y軸慣性矩比60AT1軌小13%，采用60AT2制造尖軌對減小轍叉搬動阻力和尖軌不足位移更為有利。

2.3 動力學仿真分析

采用動力學軟件建立地鐵車輛-道岔耦合模型，對比分析列車側向通過三種線形的道岔時的動力學指標，確定最優(yōu)線形。

我國地鐵車型主要有A型、B型兩種。其中，B型車最為常見，其車體較小，軸重較輕。近年來隨著城市人口快速增長，車體寬、軸重大的A型車越來越受歡迎，特別是新建線路已多選擇A型車作為運營車輛。A型車運行時對道岔影響更大。因此，本文計算時參照GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》［10］，采用A型車參數。

根據地鐵A型車參數，建立車輛在道岔區(qū)運行時的動力學模型，如圖1所示。

圖1 車輛在道岔區(qū)運行的動力學模型

計算時，車輛軸重取滿載16 t，側向過岔速度按最高設計速度35 km∕h考慮。地鐵車輛順向出岔、逆向進岔時的輪軌動力學響應見圖2、圖3。

圖2 車輛順向出岔時的輪軌動力學響應

圖3 車輛逆向進岔時的輪軌動力學響應

由圖2、圖3可知：地鐵車輛在順向出岔和逆向進岔兩種工況下，優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2的輪軌橫向力、垂向力相差不大，且均優(yōu)于專線9761道岔。以優(yōu)化方案1的輪軌橫向力為例，與專線9761相比，其順向出岔時（滿軸重、全速）由54 kN降至36 kN，逆向進岔時由45 kN降至35 kN。

優(yōu)化方案2的Q值為1 420 mm，尖軌尖端到道岔始端只有2根軌枕；優(yōu)化方案1的Q值為2 000 mm，尖軌尖端到道岔始端有3根軌枕。尖軌尖端在車輪過岔時易受到橫向沖擊力，2根軌枕的抗沖擊力較弱，因此確定優(yōu)化方案1為最優(yōu)線形。

根據GB 50157—2013，導曲線半徑200 m時軌距須有5 mm以上加寬，以利于車輪在岔區(qū)走行。參照以往設計和現場經驗，加寬值設為10 mm對輪軌動力學參數更為有利。因此，優(yōu)化方案中將導曲線處加寬設為10 mm，加寬后軌距由標準值1 435 mm更改為1 445 mm。優(yōu)化后的線形如圖4所示。

圖4 9號道岔優(yōu)化方案總布置（單位：mm）

2.4 轉轍器優(yōu)化

參照重載道岔尖軌加厚技術，對地鐵60 kg∕m鋼軌9號單開道岔尖軌部分進行加厚。在直基本軌和曲線尖軌密貼段前端4 m范圍（尖軌比較薄弱的地方），刨切直基本軌5 mm，同時加厚曲尖軌5 mm，如圖5所示，使尖軌前端最薄弱區(qū)段迅速粗壯，有利于提高尖軌耐磨性和抗沖擊性。

圖5 尖軌加厚示意（單位：mm）

具體方案為：在尖軌尖端前端30 mm處開始切削直基本軌，切削量緩慢增加，在500 mm內完成過渡，切削量到5 mm，并在后3 500 mm內維持5 mm切削量，最后再經500 mm由5 mm過渡到0。

根據高速鐵路和重載鐵路的經驗，尖軌直線段越長，半切點寬度越厚，則尖軌的耐磨性越好，使用壽命越長，同時列車過岔的平穩(wěn)性也越好。因此，優(yōu)化時將尖軌設計成直曲組合型線形，盡量延長尖軌直線段長度。優(yōu)化后尖軌直線段長度為2 852 mm，如圖6所示，比專線9761道岔尖軌直線段長595 mm。

圖6 尖軌直曲組合型線形（單位：mm）

道岔設計中尖軌跟端多采用活接頭結構，活接頭處尖軌與基本軌之間的螺栓緊固不徹底，故意留出余量讓尖軌能夠在一定范圍內轉動，以減少扳動阻力，但經多次轉換后極易出現鋼軌錯牙、螺栓折斷，甚至帶來鋼軌縱向移動等。優(yōu)化時，尖軌跟端采用彈性可彎結構，如圖7所示，取代活接頭結構，在尖軌跟端軌底1 200 mm范圍內刨切深度50 mm，以減小尖軌的轉動慣量，從而減小扳動阻力。

圖7 尖軌跟端彈性可彎結構（單位：mm）

2.5 固定型轍叉優(yōu)化

地鐵道岔中轍叉多為高錳鋼整鑄轍叉。高錳鋼整鑄轍叉澆筑后一次成型，經過簡單的機械加工即可使用，無過多組件，具有整體性強、易維修等優(yōu)點。由于高錳鋼沖擊韌性較好，轍叉上道使用后，隨著運量的增加，轍叉硬度逐步提升，有利于提升轍叉的耐磨性；且高錳鋼出現裂紋后不易脆斷，可以有充足的更換時間。

9號道岔高錳鋼整鑄轍叉總長度為4 309 mm，趾端長度為1 538 mm，跟端長度為2 771 mm，如圖8所示。轍叉翼軌在心軌共同承載區(qū)段設有抬高段，有利于匹配列車輪緣高度，保護心軌尖端薄弱區(qū)段，提高列車運行平穩(wěn)性。心軌50 mm斷面對應的翼軌處最大抬高值為4.8 mm。

圖8 9號道岔高錳鋼整鑄轍叉（單位：mm）

近些年，隨著金屬材料研究的突破，出現了高強度、高韌性的合金鋼轍叉，材質為貝氏體或奧貝氏體鋼，表面硬度可達到38～45 HRC，20℃下沖擊韌性大于等于70 J∕cm2。合金鋼轍叉在我國重載鐵路上已廣泛使用。據統計，合金鋼轍叉的使用壽命約為高錳鋼的1.5～2.0倍，通過總質量為2億～3億t，而造價與高錳鋼轍叉相差不大，因此在重載領域頗受歡迎。

優(yōu)化時，在地鐵9號道岔中引入合金鋼轍叉，其形式、尺寸、心軌降低值、翼軌抬高值均與高錳鋼轍叉相同。不同的是合金鋼轍叉由心軌、翼軌、叉跟軌等拼裝而成，如圖9所示。其中心軌采用合金鋼鋼軌加工，翼軌、叉跟軌等采用U75V在線熱處理軌加工，可與高錳鋼整鑄轍叉互換。

圖9 9號道岔合金鋼組合轍叉

3 岔枕優(yōu)化設計

3.1 岔枕受力特征

建立岔區(qū)受力有限元模型時，鋼軌采用彈性點支承梁模型，扣件采用線性彈簧模擬，岔枕用彈性地基梁模擬；列車荷載按單軸荷載施加。鋼軌彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3，線膨脹系數取1.2×10-5℃-1。根據聚氨酯纖維增強合成軌枕的實際情況，岔枕彈性模量取7 GPa，泊松比取0.2。扣件節(jié)點靜剛度取80 kN∕mm。正線軌道單根軌下半根軌枕的道床垂向剛度取120 kN∕mm；道岔區(qū)岔枕下道床垂向剛度取80 kN∕mm。荷載作用下軌道結構變形見圖10。

圖10 荷載作用下軌道結構變形（單位：m）

考慮岔枕的支承不均性，在軸重16 t的城市軌道列車荷載作用下，岔枕不同區(qū)域受到的彎矩見圖11。

圖11 岔枕彎矩（單位：N·m）

由圖11可知，岔枕所受到的最大正向彎矩為14.5 kN·m，最大負向彎矩為7.2 kN·m。

3.2 岔枕優(yōu)化設計及試驗

地鐵60 kg∕m鋼軌9號單 開 道 岔共有66根岔枕，最短2.3 m，最長4.6 m。岔枕垂直于直股鋼軌布置，轍叉區(qū)的岔枕垂直于角平分線布置，岔枕縱向間距多為600 mm，兩轉轍機處岔枕間距為650 mm。

地鐵道岔多采用混凝土枕，軌枕多采用提速岔枕，截面為梯形，上底長260 mm，下底長300 mm，高220 mm。復合材料岔枕是新型結構形式，具有質量輕、耐腐蝕、絕緣性好、可百分百回收、可重復利用等優(yōu)點，因此將復合材料岔枕引入地鐵道岔優(yōu)化設計中。優(yōu)化設計采用的聚氨酯玻璃纖維復合材料岔枕截面尺寸與提速岔枕相同，岔枕密度為800 kg∕m3，彎曲強度大于等于50 MPa，抗拔力大于等于40 kN。

對復合材料岔枕進行實驗室試驗，如圖12所示。試驗時，正彎矩靜載試驗荷載為105 kN，疲勞試驗荷載為110 kN；負彎矩靜載試驗荷載為55 kN，疲勞試驗荷載為60 kN。試驗結果表明，復合材料岔枕靜態(tài)、動態(tài)彎矩均滿足設計要求。

圖12 復合材料岔枕試驗

4 扣件系統選型

扣件系統采用彈性分開式扣件系統，由Ⅱ型彈條、鐵墊板、軌下橡膠墊板、板下橡膠墊板、T形螺栓、螺紋套管、偏心襯套等軌件組成，如圖13所示。鋼軌下設10 mm厚橡膠墊板，鐵墊板下設12 mm厚橡膠墊板，扣件系統節(jié)點組裝剛度為30～50 kN∕mm。在鋼軌工作邊一側安裝13 mm軌距塊，在非工作邊一側安裝11 mm軌距塊。

圖13 扣件系統組件

為增加道岔軌距的調整能力，設計了絕緣偏心襯套，如圖14所示。偏心襯套安裝在鐵墊板圓孔處，通過調整偏心襯套的方向可實現軌距的調整，調整區(qū)間為-12～+6 mm。

圖14 偏心襯套結構示意（單位：mm）

5 其他優(yōu)化設計細節(jié)

1）由于地鐵車輛運行速度低，軸重輕，岔區(qū)軌底不設軌底坡。

2）轉轍器區(qū)配置2個電動轉轍機。各牽引點設計動程為160、80 mm，對應的牽引點理論轉換力分別為1.8、4.1 kN，在正常養(yǎng)護情況下尖軌理論扳動力不大于4.0、6.0 kN。鎖閉方式采用分動外鎖閉。

3）護軌采用33 kg∕m槽型鋼制造，護軌頂面高出基本軌頂面12 mm，護軌軌頭工作邊側面進行表面淬火。護軌斷面如圖15所示。

圖15 護軌斷面

4）直、曲尖軌跟端與基本軌之間各設1組限位器，限位器子母塊間隙為15 mm。

5）轉轍器區(qū)基本軌和尖軌內側扣壓采用彈性夾扣壓，結構如圖16所示。

圖16 彈性夾扣壓結構

6 結論

針對地鐵軸重輕、運營速度較慢、使用頻繁的特性，本文借鑒我國高速鐵路和重載鐵路道岔研制的成功經驗，結合地鐵道岔受力特征，對地鐵60 kg∕m鋼軌9號單開道岔進行優(yōu)化設計。主要結論如下：

1）列車過岔時，優(yōu)化線形的輪軌垂向、橫向力優(yōu)于專線9761道岔，能有效減小列車過岔時的沖擊荷載，增加列車平穩(wěn)性，可減小軌件損壞，提高道岔使用壽命。

2）采用60AT2軌取代60AT1軌制造尖軌，采用彈性可彎結構取代活接頭結構，可以降低道岔的扳動阻力，減小轉轍器區(qū)不足位移和接頭病害；采用彈性夾扣壓基本軌取代彈片扣壓，可以增加鋼軌扣壓力；采用岔枕偏心襯套代替剛性螺栓連接，可以增加道岔的軌距條件功能。

3）優(yōu)化后，尖軌采用直曲復合線形，在曲尖軌前端4 m范圍刨切直基本軌加粗尖軌5 mm，有效增加了尖軌半切點厚度，使尖軌最薄弱的地方迅速粗壯；道岔導曲線處設置10 mm加寬，有效減輕了列車輪對過岔時的荷載沖擊。

4）優(yōu)化時，采用使用壽命更高的合金鋼轍叉，且能夠與高錳鋼轍叉互換；采用質量輕、耐腐蝕、絕緣性好、可百分百回收、可多次重復利用的聚氨酯玻璃纖維復合材料岔枕。

5）對地鐵60 kg∕m鋼軌9號單開道岔進行優(yōu)化后，彌補了道岔的設計缺陷，能有效延長其使用壽命，減少道岔病害和養(yǎng)護維修工作量。