城市軌道交通用60 kg/m鋼軌9號單開道岔的研制

張 剛

(寶雞中鐵寶橋天元實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 寶雞 721001)

近年來，我國城市軌道交通以多種制式方式快速發(fā)展，35座城市開通運(yùn)營軌道交通線路，其中地鐵占比在78%以上，道岔作為線路關(guān)鍵設(shè)備，對軌道運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。60 kg/m鋼軌9號單開道岔，以其通過速度滿足運(yùn)營要求，道岔占線路區(qū)間長度合理，道岔整體性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟可靠的優(yōu)點(diǎn)，成為城軌交通中使用最多的道岔,對該道岔性能提升的研究成為軌道交通中的重點(diǎn)研究課題。

1 道岔總體設(shè)計(jì)原則

通過速度：直向：100 km/h,側(cè)向：35 km/h。

軌下基礎(chǔ)：多采用整體道床，岔枕多采用合成枕、混凝土短岔枕、桁架長枕等。

尖軌：多采用60AT彈性可彎尖軌，藏尖式，跟端設(shè)間隔鐵或限位器。

電務(wù)轉(zhuǎn)換設(shè)備：采用分動外鎖，設(shè)兩點(diǎn)牽引。

滑床板、護(hù)軌墊板：以彈條、彈片或彈性夾實(shí)現(xiàn)雙側(cè)彈性扣壓；或采用彈性滑床板；增設(shè)防跳限位裝置；輥輪減磨裝置等。

轍叉：采用高錳鋼整鑄式轍叉，轍叉下設(shè)鐵墊板，采用爆炸預(yù)硬化處理。或采用合金鋼組合轍叉，以提升轍叉耐磨性，實(shí)現(xiàn)轍叉前后可焊接性。

護(hù)軌：為分開可調(diào)式，采用槽型鋼或標(biāo)準(zhǔn)鋼軌制造，護(hù)軌頂面高出基本軌頂面12 mm。

扣件：采用彈性分開可調(diào)式扣件，設(shè)置軌距塊或軌距墊，其彈條和軌距塊與道岔區(qū)間線路保持一致。

彈性墊層：軌下板下均設(shè)彈性墊板，多以10 mm,12 mm厚為主，材質(zhì)一般為橡膠或聚酯彈性體。

其他：按普通接頭設(shè)計(jì)，適用于無縫線路。岔內(nèi)一般不設(shè)線路坡，可采用順坡墊板實(shí)現(xiàn)線路過渡。

2 道岔平面線型設(shè)計(jì)

2.1 常用單開道岔線型

道岔全長為29 569 mm，前長13 839 mm，后長15 730 mm，采用曲線型，半徑200 m。尖軌采用半割線型，尖軌在39.5 mm斷面前取直。道岔軌距SZ=1 435 mm，SQ=1 440 mm,尖軌刨切范圍內(nèi)軌距由1 440 mm過渡至1 435 mm；導(dǎo)曲線終點(diǎn)前，側(cè)股軌距由1 440 mm過渡至1 435 mm，見圖1。

2.2 道岔平面設(shè)計(jì)參數(shù)

該道岔平面線型中，尖端沖擊角為0°45′24″;

線路容許限度值為：ω0≤0.65 km2/h2，α0≤(0.5～0.65) m/s2，ψ0≤0.5 m/s3，在該平面線型中，各指標(biāo)均符合。

2.3 道岔平面線型的優(yōu)點(diǎn)

該平面線型結(jié)構(gòu)不平順控制較好，道岔區(qū)內(nèi)軌距變化率較小。增大尖軌薄弱段的粗壯度，減小車輪沖擊角、動能損失、未被平衡的離心加速度等關(guān)鍵參數(shù)，從而減小列車運(yùn)行過程中對道岔產(chǎn)生的橫向力，有利于保持道岔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，提高旅客舒適度，減緩道岔零部件的磨損，延長道岔使用壽命。

3 道岔主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 軌下基礎(chǔ)

該類型道岔軌下基礎(chǔ)多以整體道床、混凝土短岔枕或合成枕為主。近年來，由于整體道床道岔施工時(shí)，短岔枕道岔不易固定，尺寸精度不易控制，特別是在轉(zhuǎn)轍器部位，檢測尺寸多，鋪設(shè)精度不易保證，道床澆筑后，道岔變形很難進(jìn)行調(diào)整。而采用桁架長枕，可以降低轉(zhuǎn)轍器部位鋪設(shè)難度，鋪設(shè)尺寸易于保證，其應(yīng)用越來越廣泛，見圖2。

3.2 轉(zhuǎn)轍器

轉(zhuǎn)轍器基本軌采用60 kg/m鋼軌，密貼范圍進(jìn)行藏尖銑削；采用60AT藏尖式彈性可彎尖軌，跟端為間隔鐵式或限位器。藏尖結(jié)構(gòu)既可保護(hù)尖軌尖端不被車輪軋傷，又可使尖軌在動載荷作用下保持良好的豎向穩(wěn)定。彈性可彎結(jié)構(gòu)減小尖軌扳動力。間隔鐵式或限位器等跟端結(jié)構(gòu)，可有效傳遞鋼軌溫度力，維持尖軌和基本軌相對位置不變，間隔鐵結(jié)構(gòu)還可有效維持尖軌支距，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，見圖3。

3.3 轉(zhuǎn)換設(shè)備

采用分動外鎖閉，設(shè)置2個(gè)牽引點(diǎn)，各牽引點(diǎn)動程分別為160 mm,70 mm；在正常養(yǎng)護(hù)情況下，尖軌理論總扳動力不大于4 kN。

3.4 扣件系統(tǒng)

道岔扣件采用彈性分開式扣件，多采用Ⅱ型、Ⅲ型、DI系列、DZ系列彈條等。為減緩錨固螺栓橫向受力，增大墊板調(diào)距范圍，部分道岔在錨固螺栓處增設(shè)復(fù)合定位套，見圖4。

3.5 轉(zhuǎn)轍器主要墊板結(jié)構(gòu)

1)滑床板均采用雙側(cè)彈性扣壓，以彈條、彈片或彈性夾扣壓。隨著使用中，為消除銷釘斷裂、臺板開裂現(xiàn)象，部分道岔通過調(diào)整滑床臺內(nèi)腔結(jié)構(gòu)取消銷釘，在彈片后段設(shè)限位裝置等方法，對彈片扣壓方式進(jìn)行了改進(jìn)，見圖5，圖6。

2)設(shè)置輥輪減磨裝置，使尖軌扳動的摩擦形式由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，有效減少尖軌扳動時(shí)的摩擦阻力，減緩滑床板與軌底磨損，同時(shí)有助于消除長尖軌不足位移，見圖7。

3)彈性滑床板在滑床臺板和底板間設(shè)置一個(gè)彈性緩沖層，優(yōu)化了傳統(tǒng)滑床板的接觸狀態(tài)，使基本軌和尖軌軌下剛度趨于一致，同時(shí)，降低尖軌軌下剛度，減小工作狀態(tài)下的振動，可在一定程度提高了行車的舒適性和平穩(wěn)性，見圖8。

4)防跳限位裝置，尖軌斥離狀態(tài)時(shí)起作用，利用滾輪壓住尖軌軌肢，防止尖軌跳動，能夠優(yōu)化輪軌動力學(xué)指標(biāo)，防止或減少尖軌拱腰等病害，改善運(yùn)行狀態(tài)，見圖9。

3.6 轍叉及護(hù)軌

1)轍叉采用固定型高錳鋼整鑄式，轍叉下設(shè)置鐵墊板?？蓜有能夀H叉，雖然消除了轍叉有害空間，可提高列車過叉速度，但與固定型轍叉相比，其轍叉長，占用線路空間大，在城軌道岔用應(yīng)用較少，見圖10。

2)護(hù)軌采用分開式可調(diào)護(hù)軌，護(hù)軌頂面高出基本軌頂面12 mm。直側(cè)向護(hù)軌盡可能采用對稱設(shè)計(jì)，采用43，50，槽型護(hù)軌制造。護(hù)軌墊板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與滑床板底一致，可采用單側(cè)彈性扣壓，也可多采用雙側(cè)彈性扣壓方式，護(hù)軌輪緣槽通過護(hù)軌調(diào)整片調(diào)整，見圖11。

4 道岔主要零件制造工藝流程設(shè)計(jì)

尖軌：下料鋸切→跟端壓型→調(diào)直→銑壓型段軌底→二次下料→鋸切→號鉆孔→銑軌底非工作邊→銑軌底工作邊可彎段→銑軌頭非工作邊→銑軌頭工作邊→銑尖軌降低值→熱處理→頂彎→跟端冒型加工→組裝鋪設(shè)。

基本軌：下料→鋸切→號鉆孔→熱處理→頂彎→銑藏尖段→組裝鋪設(shè)。

護(hù)軌：下料→鋸切→號鉆孔→刨工作邊→刨軌頂面→熱處理→矯正→組裝鋪設(shè)。

導(dǎo)曲線：下料→鋸切→號鉆孔→熱處理→矯正→組裝鋪設(shè)。

墊板：下料→調(diào)平→號鉆孔→機(jī)加工→焊接→調(diào)平→組裝。

5 道岔鋪設(shè)流程設(shè)計(jì)

線路復(fù)測→道岔支撐架架設(shè)→轉(zhuǎn)轍器部位架設(shè)→導(dǎo)軌、轍叉、護(hù)軌架設(shè)→初調(diào)道岔水平、位置、高低→岔枕安裝→整體連接→調(diào)整方向、水平、高低→調(diào)試尖軌密貼→調(diào)整道岔軌距、支距→調(diào)整各間隔尺寸→全面檢測各項(xiàng)點(diǎn)→道岔固定→混凝土澆筑→混凝土養(yǎng)護(hù)→道岔復(fù)測→道岔精調(diào)→工程報(bào)檢驗(yàn)收。

6 城軌道岔研制新技術(shù)應(yīng)用

6.1 動力學(xué)仿真技術(shù)應(yīng)用

利用道岔系統(tǒng)動力學(xué)理論,建立輪軌系統(tǒng)動力學(xué)計(jì)算模型，分析和研究道岔平面線型和道岔區(qū)輪軌關(guān)系，通過計(jì)算各方案車體橫向加速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率等動力學(xué)指標(biāo)，選擇最優(yōu)平面線型設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，優(yōu)化道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)剛度均勻化、對道岔不平順進(jìn)行動力學(xué)分析并控制，對列車過岔時(shí)動力作用進(jìn)行仿真評估。實(shí)現(xiàn)道岔設(shè)計(jì)由靜態(tài)設(shè)到動態(tài)的轉(zhuǎn)變，大幅度縮短道岔研發(fā)周期，全面提升道岔結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性。

6.2 過岔速度提升

道岔通過速度對線路運(yùn)行至關(guān)重要，通過優(yōu)化平面線型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升道岔直側(cè)向通過速度，可有效緩解運(yùn)量、行車密度增加對線路運(yùn)行造成的影響，部分線路已開始上道直向140 km，側(cè)向45 km道岔。

6.3 道岔減振技術(shù)應(yīng)用

道岔減振常采用雙層非線性減振扣件和減振器扣件等兩種扣件，雙層非線性減振扣件，采用帶有自鎖機(jī)構(gòu)的上中下三層結(jié)構(gòu)，使金屬件與彈性元件分離，依靠中間橡膠墊層的彈性，獲得良好的減振效果。減振器扣件，通過減振器中間橡膠圈的剪切變形同時(shí)提供垂向、橫向、縱向三個(gè)方向的彈性，從而達(dá)到減振的目的。兩種扣件減振效果均超過8 dB，見圖12，圖13。

6.4 耐久性技術(shù)應(yīng)用

耐久性技術(shù)可有效提升道岔整體性能。使用高強(qiáng)度鋼軌如U77MnCr,U78CrV,U75V3等，以及在線熱處理鋼軌，有效提升鋼軌表面硬度，控制磨耗延長鋼軌使用壽命；采用精密鑄造技術(shù)、消失模鑄造技術(shù)等先進(jìn)鑄造技術(shù)的整鑄鐵墊板代替焊接鐵墊板，消除焊縫、整體性好，疲勞強(qiáng)度高，抗彎強(qiáng)度大；新型彈性材料如熱塑性聚酯彈性體、發(fā)泡橡膠等，具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐沖擊、耐腐蝕、耐候性等特性，可有效延長膠墊使用壽命；緊固件防松技術(shù)如頂鐵螺栓防轉(zhuǎn)、扣件螺栓防松、高強(qiáng)螺栓防松等技術(shù)，有效保持連接件穩(wěn)定，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。

6.5 先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用

智能化、數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用，可提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度，同時(shí)，制造質(zhì)量更加可靠。如：鋼軌數(shù)控鉆孔技術(shù)、尖軌數(shù)控加工技術(shù)、鋼軌數(shù)控頂彎技術(shù)、鋼軌感應(yīng)熱處理技術(shù)、鋼軌感應(yīng)加熱跟端鍛壓成型技術(shù)、轍叉數(shù)控加工技術(shù)等。

7 結(jié)語

隨著我國城軌交通的不斷發(fā)展，積極吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，特別是高速、重載線路的成熟技術(shù)在城軌道岔研制中應(yīng)用推廣，動力學(xué)仿真技術(shù)應(yīng)用，新興材料應(yīng)用推廣、先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用、機(jī)械化鋪設(shè)技術(shù)、預(yù)防性維修技術(shù)等，將進(jìn)一步提升城軌道岔研制水平，助推我國城軌交通發(fā)展。