跨座式單軌曲線半徑100 m 換梁型道岔設(shè)計(jì)

李卓然 解麗霞

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌是一種車輛騎跨于軌道梁上運(yùn)行的中等運(yùn)量軌道交通制式[1]。仲建華以重慶市為例,介紹梁寬為850 mm 的跨座式單軌系統(tǒng)[2];雷慧鋒認(rèn)為,輕型跨座式單軌交通系統(tǒng)適用于列車最大軸重為14 t 的二軸輕型跨座式單軌車型,以及最大軸重為10 t 的四軸輕型跨座式單軌車型[3]。

道岔是跨座式單軌交通系統(tǒng)的重要組成部分,都武以重慶跨座式單軌為例,對(duì)關(guān)節(jié)型道岔的基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件的組成及制造方法進(jìn)行介紹[4];王省茜以重慶跨座式單軌為例,對(duì)關(guān)節(jié)型道岔的結(jié)構(gòu)、對(duì)關(guān)節(jié)型、關(guān)節(jié)可撓型道岔的主要技術(shù)參數(shù)及工程的應(yīng)用進(jìn)行介紹[5-6];聶紹富介紹道岔國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程和現(xiàn)狀,并對(duì)其經(jīng)驗(yàn)和啟示進(jìn)行總結(jié)[7]。經(jīng)研究,關(guān)節(jié)可撓型道岔中的可撓機(jī)構(gòu)無法應(yīng)用于梁寬700 mm 及以下的道岔梁中,故適用于梁寬690 mm 的輕型跨座式單軌道岔還需進(jìn)一步研究。

2 設(shè)計(jì)流程

提出一種單軌道岔設(shè)計(jì)方法,并應(yīng)用此方法進(jìn)行R=100 m 換梁型道岔設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)道岔的過程大致可分為3 個(gè)階段:①初期根據(jù)項(xiàng)目線路情況進(jìn)行線性設(shè)計(jì)、選擇相應(yīng)主材、建立三維模型;②中期對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核計(jì)算、有限元分析;③后期研究設(shè)計(jì)涂裝、試驗(yàn)驗(yàn)收等要求,出圖、制造并進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 道岔設(shè)計(jì)流程

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 線形設(shè)計(jì)與主材選擇

在工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡可能通過提高系統(tǒng)能力來提高運(yùn)能,盡量縮短列車編組,以減少車站規(guī)模,節(jié)約工程投資。提高系統(tǒng)能力的重要措施是提高折返速度,縮短折返運(yùn)行時(shí)間。影響折返能力的相關(guān)道岔參數(shù)有轉(zhuǎn)轍時(shí)間、側(cè)向過岔速度及道岔長(zhǎng)度。

受未被平衡的離心加速度的限制,側(cè)向過岔速度越高,導(dǎo)曲線半徑也就越大,道岔長(zhǎng)度也會(huì)增加。側(cè)向過岔速度增加,折返能力會(huì)提升,道岔長(zhǎng)度增加,折返能力會(huì)下降,另外會(huì)增加占地、設(shè)備成本。側(cè)向過岔速度對(duì)折返能力影響較大,故應(yīng)首先考慮提高側(cè)向過岔速度,并盡量縮短道岔長(zhǎng)度,平衡兩個(gè)因素以達(dá)到優(yōu)化線形的目的。

制約道岔側(cè)向通過速度、行車安全性及旅客舒適程度的道岔設(shè)計(jì)參數(shù)有:ω為動(dòng)能損失;α為未被平衡的離心加速度;φ為未被平衡的離心加速度增量。

根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明6.2.1[8],正線正常α=0.4 m/s2,瞬間α=0.5 m/s2;道岔正常α=0.5 m/s2,瞬間α=0.65 m/s2。條文說明6.2.2 中,φ=0.3 m/s3。

根據(jù)GB 50458—2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》的條文說明6.2.1[9],道岔欠超高率為5%。條文說明6.2.3 中,φ=0.3 m/s3。

根據(jù)T/CAMET 04001—2018《輕型跨座式單軌交通設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[10]的8.2.8 規(guī)定,道岔區(qū)曲線一般不設(shè)置超高。載客側(cè)向通過的道岔,欠超高率不宜大于5%,最大不得大于6.5%;其他道岔區(qū),欠超高率可根據(jù)導(dǎo)曲線半徑大小按6.5%～10%控制。

道岔設(shè)計(jì)參數(shù)允許值見表1[11]。

表1 道岔設(shè)計(jì)參數(shù)允許值

關(guān)于ω、α、φ的計(jì)算,有

式中,ω為動(dòng)能損失;V為車輛通過道岔速度;β為車輛進(jìn)入道岔時(shí)尖軌沖擊角;α為未被平衡的離心加速度;R為道岔半徑;φ為未被平衡的離心加速度增量;t為通過道岔時(shí)間;l為車輛加速度變化距離。

當(dāng)圓曲線和直線相切,即車輛在進(jìn)入道岔時(shí)尖軌沖擊角β為0,動(dòng)能損失滿足規(guī)范要求。

結(jié)合各規(guī)范,非載客區(qū)α取0.65 m/s2(欠超高率6.5%),行車專業(yè)在轉(zhuǎn)轍時(shí)間15 s 條件下,運(yùn)行對(duì)數(shù)達(dá)到30 對(duì)時(shí),側(cè)向速度要求29 km/h,故半徑取100 m。

由于道岔導(dǎo)曲線兩端不設(shè)緩和曲線,車輛離心加速度的變化是在車輛的全軸距內(nèi)完成的,即l=9.12 m。非載客區(qū)不涉及φ值,載客時(shí),R=100 m 道岔過岔速度為23 km/h,此時(shí)α=0.42 m/s2,φ=0.3 m/s3。

道岔的運(yùn)動(dòng)方式為整體梁平轉(zhuǎn),即直股通行時(shí)為直梁,側(cè)股通行時(shí)為曲梁,道岔活動(dòng)端、固定端和兩根梁距離最近處應(yīng)滿足限界要求,結(jié)合蕪湖項(xiàng)目行車專業(yè)要求及《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)。換梁型R=100 m 道岔兩根梁中心線距離最近處為2 180 mm,固定端距離為2 650 mm。

綜上,道岔6 大主要技術(shù)指標(biāo)中[12],直向允許過岔速度為不控制,側(cè)向允許過岔速度為非載客時(shí)29 km/h,載客時(shí)23 km/h,導(dǎo)曲線半徑為100 m,轉(zhuǎn)轍角為0°,道岔總長(zhǎng)單開道岔長(zhǎng)27.45 m,單渡線道岔長(zhǎng)50.38 m,轉(zhuǎn)轍時(shí)間為15 s。

關(guān)節(jié)型道岔結(jié)構(gòu)由道岔梁、指形接手組、十字形鉸、尾軸裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、臺(tái)車和鎖定裝置構(gòu)成,換梁和樞軸型道岔結(jié)構(gòu)組成包括梁、固定段、固定端轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、臺(tái)車、驅(qū)動(dòng)裝置、鎖定裝置、電氣機(jī)構(gòu)。換梁型R=100 m 單開道岔結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 換梁型單開道岔結(jié)構(gòu)組成示意

主要材料如表2 所示[13]。

表2 主要材料應(yīng)用

換梁型R=100 m 單開道岔和單渡線道岔模型如圖3、圖4 所示。

圖3 換梁型R=100 m 單開道岔

圖4 換梁型R=100 m 單渡線道岔

3.2 有限元分析

(1)工況分析

根據(jù)規(guī)范,道岔梁設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮主力與一個(gè)方向(縱向或橫向)的附加力的組合工況,本項(xiàng)目中,基本工況為“恒載+列車豎向動(dòng)力作用+橫向搖擺力”,組合工況為“基本工況+風(fēng)荷載”、“基本工況+制動(dòng)力或牽引力”。

(2)受力模式

以換梁型R=100 m 道岔直梁為例,材料為Q460qENH,在臺(tái)車處約束豎向位移,尾軸處約束豎向和橫向位移,鎖定處約束橫向位移。受力位置如圖5 所示。

圖5 道岔直梁受力位置(單位:mm)

列車走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪布置如圖6 所示。

圖6 列車走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪布置(單位:mm)

圖7 道岔梁截面(單位:mm)

豎向靜荷載按AW3 單軸重140 kN 計(jì)算,列車豎向動(dòng)力作用、列車制動(dòng)力或牽引力按照規(guī)范計(jì)算。加載時(shí),車輛通過道岔梁時(shí)產(chǎn)生的橫向搖擺力在各文件中有不同規(guī)定,橫向搖擺力會(huì)影響尾軸和鎖定,這2 個(gè)承受橫橋向力的裝置,對(duì)關(guān)節(jié)軸承選取和鎖銷材料、尺寸的設(shè)計(jì)有影響。通過對(duì)各文件對(duì)比,在計(jì)算中,橫向搖擺力大小取車輛單軸重的12.5%,加載位置為道岔梁受力最不利位置。

牽引力或制動(dòng)力的加載會(huì)影響尾軸,該部件承受順橋向力,會(huì)影響尾軸中關(guān)節(jié)軸承的選取。考慮到蕪湖軌道交通項(xiàng)目中車輛緊急制動(dòng)時(shí)的加速度是1.5 m/s2,與設(shè)計(jì)規(guī)范中豎向靜活載的15%一致,牽引制動(dòng)力加載位置在車軸處。

(3)網(wǎng)格化及計(jì)算

根據(jù)有限元分析流程[14],對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格化成功后,可以進(jìn)行有限元計(jì)算,結(jié)果包括應(yīng)力值和撓度,以及約束處的受力。在道岔穩(wěn)定性校核計(jì)算時(shí),道岔梁橫向傾覆力矩由列車搖擺力和列車及梁體所受橫向風(fēng)荷載引起,穩(wěn)定力矩由臺(tái)車支撐處所受豎向載荷和臺(tái)車輪支撐距提供。臺(tái)車支撐處所受豎向載荷由有限元計(jì)算后得出的結(jié)果提供。有限元分析的模型采用道岔梁加臺(tái)車部分,結(jié)果可以直接看出輪壓,但臺(tái)車結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,會(huì)增加網(wǎng)格化和計(jì)算的時(shí)間以及降低成功率。之后可考慮將道岔梁與臺(tái)車分別進(jìn)行有限元分析[15]。

道岔梁強(qiáng)度計(jì)算是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中不可缺少的一部分,作為道岔主要部件,計(jì)算結(jié)果對(duì)各部件的設(shè)計(jì)都有影響,故在計(jì)算時(shí)要考慮符合實(shí)際情況的荷載取值及工況選擇,以避免強(qiáng)度不夠或者資源浪費(fèi)的情況。

有限元計(jì)算過程中,在某一轉(zhuǎn)向架位于道岔梁活動(dòng)端時(shí),此處應(yīng)力超過許用應(yīng)力要求,可通過在活動(dòng)端增加兩塊三角筋板,以降低此處應(yīng)力。

道岔曲梁主要計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 道岔曲梁有限元計(jì)算結(jié)果

由以上數(shù)據(jù)可以看出,曲梁最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為272.50 MPa,豎向最大位移量為3.61 mm,發(fā)生在載荷組合為“基礎(chǔ)載荷(恒載+列車豎向動(dòng)力作用+橫向搖擺力+離心力)+牽引力/制動(dòng)力”,轉(zhuǎn)向架(6-2 號(hào))在1 號(hào)、2 號(hào)臺(tái)車跨中的工況下。

最大單元平均應(yīng)力為260.14 MPa,發(fā)生在載荷組合為“基礎(chǔ)載荷(恒載+列車豎向動(dòng)力作用+橫向搖擺力+離心力)+牽引力/制動(dòng)力”,轉(zhuǎn)向架(3-1 號(hào)、2-2 號(hào))在1 號(hào)、2 號(hào)臺(tái)車跨中的工況下。

橫向最大位移量為14.32 mm,發(fā)生在載荷組合為“基礎(chǔ)載荷(恒載+列車豎向動(dòng)力作用+橫向搖擺力+離心力)+風(fēng)荷載”,轉(zhuǎn)向架(5-2 號(hào))在道岔前端的工況下。

3.3 尾軸強(qiáng)度校核

尾軸位于固定段轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中,縱向受列車牽引力或制動(dòng)力,橫向受橫向搖擺力、風(fēng)荷載等影響,可根據(jù)規(guī)范取值,根據(jù)尾軸材料確定其許用應(yīng)力,根據(jù)抗彎強(qiáng)度計(jì)算校核尾軸直徑。

尾軸直徑為

式中,F為尾軸受力根據(jù)有限元計(jì)算,取119 kN;l為受力點(diǎn)與尾軸固定點(diǎn)距離,取0.16 m;σ為尾軸材料45 號(hào)鋼屈服強(qiáng)度,取355 MPa;n為安全系數(shù),取2。

經(jīng)計(jì)算,尾軸直徑應(yīng)大于103 mm。

3.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

道岔梁和臺(tái)車在電動(dòng)推桿的作用下繞固定端轉(zhuǎn)動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)電機(jī)為能使道岔梁穩(wěn)定運(yùn)行,應(yīng)能提供克服臺(tái)車運(yùn)行阻力和風(fēng)阻力的驅(qū)動(dòng)力,直梁受力模型如圖8 所示。

圖8 直梁受力模型示意(單位:mm)

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功率為

式中,F為梁穩(wěn)定運(yùn)行阻力[16],取22 850 kN;v為運(yùn)行速度,取0.212 m/s;η為傳動(dòng)效率,取0.85;m為電機(jī)臺(tái)數(shù),取1。

考慮電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)慣性影響的功率增大系數(shù)1.3,則電機(jī)功率應(yīng)＞7.4 kW。

3.5 涂裝及試驗(yàn)驗(yàn)收

軌道走行面經(jīng)列車行駛后會(huì)造成磨損,使輪軌接觸面平滑,摩擦阻力降低,導(dǎo)致列車在行駛過程中容易打滑。另外,鋼軌道梁長(zhǎng)期裸露在室外,容易生銹,且表面有城市廢氣、粉塵油污等諸多有害因素的侵蝕,會(huì)影響鋼梁使用壽命。因此,對(duì)道岔梁進(jìn)行涂裝的主要目的為:提供列車行駛所需摩擦力,減小磨損等物理?yè)p害,以及保護(hù)鋼梁,防止生銹等化學(xué)侵蝕。

蕪湖單軌項(xiàng)目對(duì)涂裝的基本要求為表面耐磨層施工后,濕滑表面下滑動(dòng)摩擦系數(shù)≥0.55,干燥狀態(tài)下滑動(dòng)摩擦系數(shù)≥0.65。

涂裝方案走行面耐磨、防滑、防腐涂層總厚度≥650 μm,導(dǎo)向面、穩(wěn)定面防腐、耐磨涂層總厚度≥320 μm,鋼結(jié)構(gòu)外表米昂防腐、耐候、抗污涂層總厚度≥220 μm,鋼道岔梁內(nèi)腔防腐涂層總厚度≥180 μm,機(jī)加工面防腐、耐候、抗污涂層總厚度≥170 μm。

試驗(yàn)需檢驗(yàn)道岔梁的剛度及強(qiáng)度、橫向豎向撓度,了解梁在靜荷載作用下的工作性能;需檢驗(yàn)道岔梁在車輛通過時(shí)的應(yīng)力、振幅、頻率等,了解道岔在動(dòng)荷載作用下的性能;對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行疲勞試驗(yàn),驗(yàn)證其疲勞壽命。

道岔出廠前,應(yīng)在廠內(nèi)進(jìn)行靜載試驗(yàn)、功能試驗(yàn)、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),在第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞試驗(yàn),并取得相關(guān)檢測(cè)報(bào)告,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行靜、動(dòng)載試驗(yàn)、功能試驗(yàn)及連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)(單機(jī)試驗(yàn)與聯(lián)調(diào)聯(lián)試)。

除上述試驗(yàn)外,型式試驗(yàn)還包括驅(qū)動(dòng)裝置、鎖定裝置及撓曲裝置試驗(yàn),控制裝置的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、密封性試驗(yàn)、信號(hào)電路試驗(yàn)、絕緣耐壓及升溫試驗(yàn)。

產(chǎn)品定型后,在運(yùn)行中定期進(jìn)行例行試驗(yàn)。試驗(yàn)類型及檢測(cè)內(nèi)容如表4 所示。

表4 試驗(yàn)類型及檢測(cè)內(nèi)容

結(jié)合仿真計(jì)算的結(jié)果,對(duì)道岔系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究,以得到較為深入的以理論和試驗(yàn)為依據(jù)的道岔系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論及依據(jù)。

對(duì)換梁型R=100 m 道岔梁進(jìn)行靜載試驗(yàn),實(shí)測(cè)撓度最大值為5.46 mm,應(yīng)力值為49.6～75.6 MPa。轉(zhuǎn)轍部位驅(qū)動(dòng)連接架進(jìn)行300 萬次疲勞加載試驗(yàn),變形均小于1 mm,證明其具有足夠的疲勞強(qiáng)度和剛度。

4 結(jié)語(yǔ)

線形設(shè)計(jì)時(shí),增加道岔半徑可提高側(cè)向過岔速度,但會(huì)導(dǎo)致道岔半徑、占地面積增加,故線形計(jì)算時(shí),需平衡道岔半徑與行車對(duì)數(shù)需要;有限元分析時(shí),依據(jù)《輕型跨座式單軌交通設(shè)計(jì)導(dǎo)則》,參考關(guān)節(jié)型道岔計(jì)算方法,并結(jié)合蕪湖市軌道交通車輛選型對(duì)橫向搖擺力取值;涂裝要求可參考重慶市單軌,并結(jié)合蕪湖市天氣條件及蕪湖市車輛進(jìn)行設(shè)計(jì)。

另外,對(duì)換梁型R=100 m 道岔產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié),包含設(shè)計(jì)流程、有限元分析關(guān)鍵內(nèi)容、關(guān)鍵零部件校核計(jì)算選型、涂裝及試驗(yàn)驗(yàn)收要求等方面。