跨座式單軌曲線半徑100 m 換梁型道岔設計

李卓然 解麗霞

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

跨座式單軌是一種車輛騎跨于軌道梁上運行的中等運量軌道交通制式[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[2];雷慧鋒認為,輕型跨座式單軌交通系統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的重要組成部分,都武以重慶跨座式單軌為例,對關節型道岔的基本結構、關鍵部件的組成及制造方法進行介紹[4];王省茜以重慶跨座式單軌為例,對關節型道岔的結構、對關節型、關節可撓型道岔的主要技術參數及工程的應用進行介紹[5-6];聶紹富介紹道岔國產化的進程和現狀,并對其經驗和啟示進行總結[7]。經研究,關節可撓型道岔中的可撓機構無法應用于梁寬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一步研究。

2 設計流程

提出一種單軌道岔設計方法,并應用此方法進行R=100 m 換梁型道岔設計。設計道岔的過程大致可分為3 個階段:①初期根據項目線路情況進行線性設計、選擇相應主材、建立三維模型;②中期對關鍵零部件進行校核計算、有限元分析;③后期研究設計涂裝、試驗驗收等要求,出圖、制造并進行試驗。設計流程如圖1 所示。

圖1 道岔設計流程

3 設計要點

3.1 線形設計與主材選擇

在工程設計中,應盡可能通過提高系統能力來提高運能,盡量縮短列車編組,以減少車站規模,節約工程投資。提高系統能力的重要措施是提高折返速度,縮短折返運行時間。影響折返能力的相關道岔參數有轉轍時間、側向過岔速度及道岔長度。

受未被平衡的離心加速度的限制,側向過岔速度越高,導曲線半徑也就越大,道岔長度也會增加。側向過岔速度增加,折返能力會提升,道岔長度增加,折返能力會下降,另外會增加占地、設備成本。側向過岔速度對折返能力影響較大,故應首先考慮提高側向過岔速度,并盡量縮短道岔長度,平衡兩個因素以達到優化線形的目的。

制約道岔側向通過速度、行車安全性及旅客舒適程度的道岔設計參數有:ω為動能損失;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GB 50157—2013《地鐵設計規范》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GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規范》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T/CAMET 04001—2018《輕型跨座式單軌交通設計導則》[10]的8.2.8 規定,道岔區曲線一般不設置超高。載客側向通過的道岔,欠超高率不宜大于5%,最大不得大于6.5%;其他道岔區,欠超高率可根據導曲線半徑大小按6.5%～10%控制。

道岔設計參數允許值見表1[11]。

表1 道岔設計參數允許值

關于ω、α、φ的計算,有

式中,ω為動能損失;V為車輛通過道岔速度;β為車輛進入道岔時尖軌沖擊角;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為通過道岔時間;l為車輛加速度變化距離。

當圓曲線和直線相切,即車輛在進入道岔時尖軌沖擊角β為0,動能損失滿足規范要求。

結合各規范,非載客區α取0.65 m/s2(欠超高率6.5%),行車專業在轉轍時間15 s 條件下,運行對數達到30 對時,側向速度要求29 km/h,故半徑取100 m。

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

道岔的運動方式為整體梁平轉,即直股通行時為直梁,側股通行時為曲梁,道岔活動端、固定端和兩根梁距離最近處應滿足限界要求,結合蕪湖項目行車專業要求及《跨座式單軌交通設計規范》等標準。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 大主要技術指標中[12],直向允許過岔速度為不控制,側向允許過岔速度為非載客時29 km/h,載客時23 km/h,導曲線半徑為100 m,轉轍角為0°,道岔總長單開道岔長27.45 m,單渡線道岔長50.38 m,轉轍時間為15 s。

關節型道岔結構由道岔梁、指形接手組、十字形鉸、尾軸裝置、驅動裝置、臺車和鎖定裝置構成,換梁和樞軸型道岔結構組成包括梁、固定段、固定端轉動裝置、臺車、驅動裝置、鎖定裝置、電氣機構。換梁型R=100 m 單開道岔結構組成如圖2 所示。

圖2 換梁型單開道岔結構組成示意

主要材料如表2 所示[13]。

表2 主要材料應用

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

根據規范,道岔梁設計時只需考慮主力與一個方向(縱向或橫向)的附加力的組合工況,本項目中,基本工況為“恒載+列車豎向動力作用+橫向搖擺力”,組合工況為“基本工況+風荷載”、“基本工況+制動力或牽引力”。

(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、導向輪、穩定輪布置如圖6 所示。

圖6 列車走行輪、導向輪、穩定輪布置(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 計算,列車豎向動力作用、列車制動力或牽引力按照規范計算。加載時,車輛通過道岔梁時產生的橫向搖擺力在各文件中有不同規定,橫向搖擺力會影響尾軸和鎖定,這2 個承受橫橋向力的裝置,對關節軸承選取和鎖銷材料、尺寸的設計有影響。通過對各文件對比,在計算中,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。

牽引力或制動力的加載會影響尾軸,該部件承受順橋向力,會影響尾軸中關節軸承的選取。考慮到蕪湖軌道交通項目中車輛緊急制動時的加速度是1.5 m/s2,與設計規范中豎向靜活載的15%一致,牽引制動力加載位置在車軸處。

(3)網格化及計算

根據有限元分析流程[14],對模型進行網格劃分,網格化成功后,可以進行有限元計算,結果包括應力值和撓度,以及約束處的受力。在道岔穩定性校核計算時,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荷載引起,穩定力矩由臺車支撐處所受豎向載荷和臺車輪支撐距提供。臺車支撐處所受豎向載荷由有限元計算后得出的結果提供。有限元分析的模型采用道岔梁加臺車部分,結果可以直接看出輪壓,但臺車結構較復雜,會增加網格化和計算的時間以及降低成功率。之后可考慮將道岔梁與臺車分別進行有限元分析[15]。

道岔梁強度計算是設計環節中不可缺少的一部分,作為道岔主要部件,計算結果對各部件的設計都有影響,故在計算時要考慮符合實際情況的荷載取值及工況選擇,以避免強度不夠或者資源浪費的情況。

有限元計算過程中,在某一轉向架位于道岔梁活動端時,此處應力超過許用應力要求,可通過在活動端增加兩塊三角筋板,以降低此處應力。

道岔曲梁主要計算結果如表3 所示。

表3 道岔曲梁有限元計算結果

由以上數據可以看出,曲梁最大節點應力為272.50 MPa,豎向最大位移量為3.61 mm,發生在載荷組合為“基礎載荷(恒載+列車豎向動力作用+橫向搖擺力+離心力)+牽引力/制動力”,轉向架(6-2 號)在1 號、2 號臺車跨中的工況下。

最大單元平均應力為260.14 MPa,發生在載荷組合為“基礎載荷(恒載+列車豎向動力作用+橫向搖擺力+離心力)+牽引力/制動力”,轉向架(3-1 號、2-2 號)在1 號、2 號臺車跨中的工況下。

橫向最大位移量為14.32 mm,發生在載荷組合為“基礎載荷(恒載+列車豎向動力作用+橫向搖擺力+離心力)+風荷載”,轉向架(5-2 號)在道岔前端的工況下。

3.3 尾軸強度校核

尾軸位于固定段轉動裝置中,縱向受列車牽引力或制動力,橫向受橫向搖擺力、風荷載等影響,可根據規范取值,根據尾軸材料確定其許用應力,根據抗彎強度計算校核尾軸直徑。

尾軸直徑為

式中,F為尾軸受力根據有限元計算,取119 kN;l為受力點與尾軸固定點距離,取0.16 m;σ為尾軸材料45 號鋼屈服強度,取355 MPa;n為安全系數,取2。

經計算,尾軸直徑應大于103 mm。

3.4 驅動電機選型

道岔梁和臺車在電動推桿的作用下繞固定端轉動裝置旋轉,驅動電機為能使道岔梁穩定運行,應能提供克服臺車運行阻力和風阻力的驅動力,直梁受力模型如圖8 所示。

圖8 直梁受力模型示意(單位:mm)

穩態運行功率為

式中,F為梁穩定運行阻力[16],取22 850 kN;v為運行速度,取0.212 m/s;η為傳動效率,取0.85;m為電機臺數,取1。

考慮電動機啟動時慣性影響的功率增大系數1.3,則電機功率應＞7.4 kW。

3.5 涂裝及試驗驗收

軌道走行面經列車行駛后會造成磨損,使輪軌接觸面平滑,摩擦阻力降低,導致列車在行駛過程中容易打滑。另外,鋼軌道梁長期裸露在室外,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,會影響鋼梁使用壽命。因此,對道岔梁進行涂裝的主要目的為:提供列車行駛所需摩擦力,減小磨損等物理損害,以及保護鋼梁,防止生銹等化學侵蝕。

蕪湖單軌項目對涂裝的基本要求為表面耐磨層施工后,濕滑表面下滑動摩擦系數≥0.55,干燥狀態下滑動摩擦系數≥0.65。

涂裝方案走行面耐磨、防滑、防腐涂層總厚度≥650 μm,導向面、穩定面防腐、耐磨涂層總厚度≥320 μm,鋼結構外表米昂防腐、耐候、抗污涂層總厚度≥220 μm,鋼道岔梁內腔防腐涂層總厚度≥180 μm,機加工面防腐、耐候、抗污涂層總厚度≥170 μm。

試驗需檢驗道岔梁的剛度及強度、橫向豎向撓度,了解梁在靜荷載作用下的工作性能;需檢驗道岔梁在車輛通過時的應力、振幅、頻率等,了解道岔在動荷載作用下的性能;對關鍵零部件進行疲勞試驗,驗證其疲勞壽命。

道岔出廠前,應在廠內進行靜載試驗、功能試驗、連續運轉試驗,在第三方機構進行疲勞試驗,并取得相關檢測報告,在現場進行靜、動載試驗、功能試驗及連續運轉試驗(單機試驗與聯調聯試)。

除上述試驗外,型式試驗還包括驅動裝置、鎖定裝置及撓曲裝置試驗,控制裝置的環境適應性試驗、密封性試驗、信號電路試驗、絕緣耐壓及升溫試驗。

產品定型后,在運行中定期進行例行試驗。試驗類型及檢測內容如表4 所示。

表4 試驗類型及檢測內容

結合仿真計算的結果,對道岔系統進行理論分析和試驗研究,以得到較為深入的以理論和試驗為依據的道岔系統設計理論及依據。

對換梁型R=100 m 道岔梁進行靜載試驗,實測撓度最大值為5.46 mm,應力值為49.6～75.6 MPa。轉轍部位驅動連接架進行300 萬次疲勞加載試驗,變形均小于1 mm,證明其具有足夠的疲勞強度和剛度。

4 結語

線形設計時,增加道岔半徑可提高側向過岔速度,但會導致道岔半徑、占地面積增加,故線形計算時,需平衡道岔半徑與行車對數需要;有限元分析時,依據《輕型跨座式單軌交通設計導則》,參考關節型道岔計算方法,并結合蕪湖市軌道交通車輛選型對橫向搖擺力取值;涂裝要求可參考重慶市單軌,并結合蕪湖市天氣條件及蕪湖市車輛進行設計。

另外,對換梁型R=100 m 道岔產品設計進行總結,包含設計流程、有限元分析關鍵內容、關鍵零部件校核計算選型、涂裝及試驗驗收要求等方面。