跨座式單軌道岔處接觸軌設(shè)計方案研究

陳善樂 秦建偉 李 乾

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

接觸軌是跨座式單軌供電系統(tǒng)的重要組成部分[1]，一般懸掛在軌道梁和道岔梁兩側(cè)(一側(cè)為正極一側(cè)為負(fù)極)。其中重慶單軌采用關(guān)節(jié)形道岔[2]，接觸軌采用“匯流排+接觸線”形式，在道岔區(qū)域連續(xù)布置；在北京、天津、武漢等城市，多采用鋼鋁復(fù)合軌，通過斷口兩端設(shè)置接觸軌端部彎頭[3]，由于集電靴通過自然斷口需要經(jīng)過離線、接觸過程，會對集電靴產(chǎn)生一定的沖擊力，易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象[4]。

為使集電靴在道岔區(qū)域過渡更穩(wěn)定，減小電弧，提高接觸軌、集電靴的使用壽命，結(jié)合項目應(yīng)用情況，對道岔區(qū)域接觸軌布置方案及關(guān)鍵零部件進行分析研究。

1 接觸軌類型

目前，國內(nèi)跨座式單軌交通主要有兩種接觸授流結(jié)構(gòu)：“匯流排+接觸線”與鋼鋁復(fù)合軌[5]。

重慶單軌采用“匯流排+接觸線”形式，技術(shù)成熟可靠；國內(nèi)其他在建城市(如蕪湖、桂林、柳州等)均采用鋼鋁復(fù)合軌，其構(gòu)造簡單，安裝方便，可維修性好，隨著產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展，采用整體絕緣結(jié)構(gòu)和防護技術(shù)進行安裝，可大幅提高系統(tǒng)的整體性能[6]。

跨座式單軌鋼鋁復(fù)合軌安裝在軌道梁絕緣支撐裝置上[7]，軌與軌之間用中間接頭連接，錨段與錨段之間安裝膨脹接頭，以補償鋼鋁復(fù)合軌由于溫度變化引起的縱向伸縮，并且在每個錨段的中間安裝中心錨結(jié)，防止接觸軌相對位移。在道岔處安裝膨脹接頭、分段絕緣器、道岔過渡裝置等，使道岔區(qū)域接觸軌貫通，集電靴平滑過渡。

2 道岔類型

目前，跨座式單軌道岔主要分為按道岔結(jié)構(gòu)的不同一般分為關(guān)節(jié)型道岔、關(guān)節(jié)可撓型道岔、平移式道岔、樞軸式道岔、替換型道岔等[8]。

道岔是跨座式單軌交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)裝備之一[9-11]，道岔的作用是實現(xiàn)車輛在行駛過程中的轉(zhuǎn)線、折返運行及車輛在車輛段或停車場內(nèi)的調(diào)車作業(yè)，見圖1。

3 接觸軌設(shè)計方案

跨座式單軌接觸軌承載著車輛行駛過程中穩(wěn)定授流的重要使命，道岔區(qū)域接觸軌的布置影響整個系統(tǒng)的安全運行及使用壽命。以下介紹的接觸軌貫通布置方案，在道岔轉(zhuǎn)動端采用道岔過渡裝置使集電靴可以平滑過渡并起到電氣連接作用；在道岔擺動端采用分段絕緣器使集電靴平滑過渡并起到電氣絕緣作用；中心錨節(jié)設(shè)置在道岔轉(zhuǎn)動軸或擺動的端部，以減小接觸軌的相對位移，通過接觸軌、道岔熱漲系數(shù)計算道岔過渡裝置、分段絕緣器[12]伸縮量，從而確定接觸軌端部之間和距道岔梁間隙，以保證后期運行過程中不與道岔擺動干涉。

3.1 整體布置方案

跨座式單軌道岔區(qū)接觸軌平面布置是鋼鋁復(fù)合軌安裝調(diào)整的關(guān)鍵部位，關(guān)鍵零部件圖例見圖2。

(1)樞軸道岔平面布置

樞軸道岔主要應(yīng)用于場段內(nèi)[13]，通過速度較低，分為單開、對開、三開、四開4種類型，四開樞軸道岔平面布置見圖3。

圖3 四開樞軸道岔平面布置

樞軸道岔左端為轉(zhuǎn)動軸端此處設(shè)置道岔過渡裝置和中心錨節(jié)，道岔過渡裝置安裝時應(yīng)在道岔梁擺動到中心位置時與轉(zhuǎn)動軸中心對其，平均設(shè)置兩端轉(zhuǎn)動量；樞軸道岔右段為擺動端設(shè)置分段絕緣器和中心錨節(jié)，其中分段絕緣器需要配備3個單體，調(diào)整時，接觸軌所在有工作位置均應(yīng)平整；中間部位設(shè)置膨脹接頭用于補償接觸軌和道岔梁之間的膨脹量差。

(2)替換型道岔平面布置

替換型道岔主要應(yīng)用于場段內(nèi)渡線和正線區(qū)間渡線及折返線，分為單開、對開、單渡線3種類型，替換型單開道岔平面布置見圖4。

圖4 替換型單開道岔平面布置

替換型道岔有2根道岔梁，其中1根為直線梁為正線工作位，1根為曲線梁為渡線工作位，當(dāng)需要渡線工作時，道岔梁延左端軸心轉(zhuǎn)動曲線擺動至正線位置。

替換型道岔直梁左端為轉(zhuǎn)動軸端(此處設(shè)置道岔分段絕緣器和中心錨節(jié))，道岔分段絕緣器僅需要保證正線通過；渡線工作時，正線為非工作支(見圖4)。圖4中，直梁右端為擺動端，設(shè)置分段絕緣器和中心錨節(jié)，其中固定段上分段絕緣器需與直梁、曲梁配套。直梁中間部位設(shè)置膨脹接頭用于補償接觸軌和道岔梁之間的膨脹量差。

替換型道岔曲梁左端為轉(zhuǎn)動軸端(此處設(shè)置道岔分段絕緣器和中心錨節(jié))，道岔分段絕緣器僅需要保證渡線通過，正線工作時渡線為非工作支。替換型道岔曲梁右端為擺動端，設(shè)置分段絕緣器和中心錨節(jié)，其中固定段上分段絕緣器需與直梁、曲梁配套。曲梁中間部位設(shè)置膨脹接頭用于補償接觸軌和道岔梁之間的膨脹量差。

由于替換型道岔兩端設(shè)置分段絕緣器，故道岔梁上接觸軌必須設(shè)置電連接，并保證其載流量滿足行車要求。

(3)平移式道岔平面布置

平移式道岔主要應(yīng)用于正線區(qū)間渡線及折返線，通過速度較高，可分為單平移、雙平移2種類型，單平移式道岔平面布置見圖5。

圖5 單平移式道岔平面布置

(4)關(guān)節(jié)型道岔平面布置

關(guān)節(jié)型道岔主要應(yīng)用于場段內(nèi)，通過速度較低，分為單開、對開、三開、四開、五開5種類型，關(guān)節(jié)型單開道岔平面布置見圖6。

圖6 關(guān)節(jié)型單開道岔平面布置

(5)關(guān)節(jié)可撓型道岔平面布置

關(guān)節(jié)型道岔主要應(yīng)用于場段內(nèi)或正線，通過速度較高，分為單開、對開、三開、四開、五開5種類型，關(guān)節(jié)可撓型單開道岔平面布置見圖7。

圖7 關(guān)節(jié)可撓型單開道岔平面布置

關(guān)節(jié)可撓型道岔左端為轉(zhuǎn)動軸端，此處設(shè)置道岔過渡裝置和中心錨節(jié)，道岔過渡裝置安裝時，應(yīng)在道岔梁擺動到中心位置時與轉(zhuǎn)動軸中心對齊，并平均設(shè)置兩端轉(zhuǎn)動量；關(guān)節(jié)可撓型道岔右段為擺動端，可設(shè)置分段絕緣器和中心錨節(jié)，調(diào)整時，接觸軌所在工作位置均應(yīng)平整；關(guān)節(jié)可繞型道岔由幾段道岔梁拼接而成，中間因存在轉(zhuǎn)折角，故應(yīng)在轉(zhuǎn)折角處設(shè)置道岔過渡裝置，由于道岔整體布置無補償裝置，故需要考慮補償接觸軌和道岔梁之間的膨脹量差。因關(guān)節(jié)可繞道岔通過速度較高且有一定圓弧度，道岔過渡裝置需根據(jù)道岔線型設(shè)置圓弧角。

3.2 道岔區(qū)接觸軌補償

由于接觸軌全線貫通布置，為保證集電靴平滑過渡，在道岔轉(zhuǎn)軸、擺動、平移的變化部位，均設(shè)置了中心錨節(jié)來保證其與道岔的相對位置。2個中心錨節(jié)之間設(shè)置補償裝置，錨段較長時采用膨脹接頭進行補償，錨段較短時利用道岔過渡裝置或分段絕緣器間隙補償。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，樞軸、替換、平移道岔采用膨脹接頭補償，關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)可撓型利用元器件補償。

設(shè)計過程中，因膨脹系數(shù)按照環(huán)境溫度考慮，計算出的數(shù)據(jù)較小，不滿足現(xiàn)場實際應(yīng)用，導(dǎo)致現(xiàn)場分段絕緣器與道岔干涉。因此，在計算過程中，均應(yīng)按運行過程中道岔、接觸軌的溫度進行計算，并預(yù)留安全量。

3.3 活動段分段絕緣器

接觸軌安裝在道岔梁兩側(cè)，接觸軌會隨著道岔的環(huán)境溫度變化跟隨其伸縮，產(chǎn)品設(shè)計過程中，需要考慮接觸軌的補償，分段絕緣器安裝在道岔的擺動端，由于分段絕緣器兩端均設(shè)置中心錨節(jié)來減小分段絕緣器的位移及擺動，擺動過程中，為保證集電靴平滑過渡，分段絕緣器需要設(shè)置合理的搭接長度及間隙。

3.4 固定端方案

固定段是指道岔轉(zhuǎn)軸端(平移道岔除外)，此處主要采用道岔分段絕緣器和道岔過渡裝置。由于道岔沿固定軸轉(zhuǎn)動，不僅需要考慮接觸軌、道岔的熱漲系數(shù)，還要考慮道岔旋轉(zhuǎn)角度及方向。

3.5 接觸軌縱向位移

由于道岔梁自身擺動過程中存在誤差，關(guān)鍵零部件需保證集電靴平滑過渡，在此處需設(shè)置圓弧倒角或一定坡度。

鋼鋁復(fù)合軌自重較大，剛度較高，本次計算不考慮其風(fēng)載擺動，僅考慮集電靴通過時對其產(chǎn)生的壓力變化[14]，受力示意見圖8。

圖8 集電靴通過時受力示意

3.6 其他相關(guān)說明

以上計算數(shù)據(jù)均為極限數(shù)值，平面布置設(shè)計及與道岔專業(yè)配合時應(yīng)適當(dāng)考慮富余量。

接觸軌最高計算時候應(yīng)考慮其載流溫升情況，最低溫可按環(huán)境溫度考慮。

道岔一般采用鋼材質(zhì)，一般安裝在室外，計算時需要考慮日照等情況。

4 接觸軌關(guān)鍵零部件分析

綜合以上分析，道岔分段絕緣器和道岔過渡裝置首先需要滿足安裝間隙要求，以及可在集電靴通過時平滑過渡。

4.1 分段絕緣器

分段絕緣器是將接觸軌[15]在電氣上相互分開的部件，正線主要采用連續(xù)型分段絕緣器和道岔處采用斷口型搭接分段絕緣器，見圖9。

圖9 分段絕緣器示意

受分段絕緣器安裝限制要求，在設(shè)計過程中，應(yīng)留出較大的通過條件，以便于增加分段絕緣器搭接長度，使靴軌關(guān)系更好，減小磨耗。

道岔分段絕緣屬于搭接型，在搭接部位必須設(shè)置圓弧倒角或坡度，以保證集電靴不與其直接撞擊。

接觸軌分段絕緣器安裝要求授流面平順無錯臺，由于接觸軌公差為±0.5 mm，安裝完成后無法調(diào)整，需要對分段絕緣器或接觸軌進行打磨，以滿足平順性要求，通過比較，打磨分段絕緣器施工較便捷，因此分段絕緣器厚度均按0.5 mm的正公差生產(chǎn)制造。

接觸軌分段絕緣器固定完成后，與接觸軌可能存在間隙，通過現(xiàn)場研究分析，認(rèn)為主要原因是分段拐角處倒角受力，可設(shè)置0.5 mm傾角來保證其緊固后授流面無縫隙(見圖10)。

圖10 分段絕緣器傾斜角示意

4.2 道岔過渡裝置

道岔過渡裝置是連接道岔轉(zhuǎn)折處接觸軌連接零部件，起到接觸軌過渡和接觸軌電氣連接的作用。

道岔過渡裝置設(shè)置轉(zhuǎn)軸端，有不同的工作位，因此設(shè)計過程中可能設(shè)置圓弧倒角，如設(shè)置在高速區(qū)域，則需要考慮其平整度，道岔過度裝置示意見圖11。

圖11 道岔過渡裝置示意

道岔處電連接需要根據(jù)行車計算，滿足車輛最大取流要求。由于長期擺動，需要對電連接進行防護，防止其磨損后機械性能、載流量下降，引起安全事故，道岔過渡裝置安裝需要轉(zhuǎn)動補償和溫度補償間隙。

設(shè)計過程中，應(yīng)注意道岔過渡裝置通過速度，場段內(nèi)或渡線速度較低，道岔過渡裝置端部設(shè)計了圓弧倒角，可以適用于各個角度；但部分道岔設(shè)置在正線上，由于通過速度較快，集電靴通過圓弧倒角時會產(chǎn)生硬點，影響集電靴通過，故道岔過渡裝置在安裝速度較高的線路時應(yīng)采取措施，保證其平順性(見圖12)。

圖12 道岔過渡裝置工作狀態(tài)

5 結(jié)語

研究5種典型道岔類型平面布置方案，覆蓋了國內(nèi)所有道岔類型。通過對道岔梁、接觸軌膨脹量的計算，可以有效避免接觸軌關(guān)鍵零部件與道岔梁干涉；通過對道岔分段絕緣器、道岔過渡裝置關(guān)鍵零部件的研究分析，解決了其應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，對產(chǎn)品的研究提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考。

通過對跨座單軌道岔處接觸軌布置方案及零部件的研究，提出一種單軌道岔區(qū)域連續(xù)貫通方案。接觸軌貫通布置可以使集電靴在道岔區(qū)域平滑過渡，減小產(chǎn)生電弧，改善靴軌關(guān)系，提高接觸軌、集電靴的使用壽命，對于單軌列車穩(wěn)定運行具有極為重要的意義。