城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號單開道岔設(shè)計研究

駱 焱 喬神路，2

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點實驗室，北京 100044)

1 研究背景

我國早期地鐵設(shè)計速度一般為80 km/h，其道岔沿用了國鐵提速道岔的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6]，正線一般采用9號、12號道岔，18號以上道岔因全長較長、經(jīng)濟性差，且地鐵線路設(shè)計速度要求不高，故一般不予考慮。地鐵道岔需滿足綜合減振的要求，傳統(tǒng)做法是將鋼軌和鐵墊板下的彈性墊板進行加厚處理[17](分別由國鐵的5 mm、10 mm加厚到10 mm、12 mm)。此外，將道岔扣件節(jié)點剛度降低，也能起到一定的減振需要，但對扣件節(jié)點剛度取值范圍、減振性能，道岔使用的安全性、穩(wěn)定性、磨耗等方面都沒有進行過系統(tǒng)的研究[7]。

被喻為“國門線”的北京新機場線是連接中心城區(qū)與新機場的軌道交通線路，是國內(nèi)首條時速160 km的城市軌道交通線路。新機場線作為北京城市軌道交通重點工程，與普通城市軌道交通線路相比，具有列車軸重大、速度高、通過地段復(fù)雜多樣等特點[4]。因此，新機場線不能直接選用普通城市軌道交通道岔；另外，也不能照搬城際鐵路設(shè)計體系，需結(jié)合時速160 km的城市軌道交通特點進行系統(tǒng)的研究[11]，以此來滿足新機場線的使用要求[3]。

2 主要尺寸

2.1 道岔平面設(shè)計參數(shù)

按照既有12號道岔平面線型(R=350 m)，計算道岔平面基本設(shè)計參數(shù)[5]。

①未被平衡離心加速度α=0.551 m/s2

②未被平衡離心加速度增量φ=0.425 m/s3

2.2 道岔平面線型

平面線型應(yīng)盡量與既有道岔主要尺寸相同，中心位置保持不變，方便互換使用。另外，考慮到道岔本身的使用要求，平面線型應(yīng)盡量采用成熟技術(shù)，以利于快速的推廣使用。既有60 kg/m鋼軌12號固定型轍叉單開道岔為圓曲線線型，采用350 m的導(dǎo)曲線半徑。多年的實踐證明，采用相離半切線型對減輕尖軌的側(cè)磨較為有利，在列車軸重、運行速度、行車密度一定的條件下，該類尖軌耐磨性最好[1]。因此，新機場線60 kg/m鋼軌12號道岔選用相離半切線型曲線尖軌[2]，具有彈性可彎曲、尖軌穩(wěn)定性好、適用于跨區(qū)間無縫線路、養(yǎng)護維修工作量少、旅客舒適度高等優(yōu)點。

為充分利用高速道岔成熟技術(shù)，提高城市軌道交通道岔技術(shù)水平，同時方便現(xiàn)場的養(yǎng)護維修，平面線型的主要參數(shù)為：全長37 800 mm，前長16 592 mm，后長21 208 mm，導(dǎo)曲線半徑為350 m，尖軌長度為13.64 m(為固定型直線轍叉)，轉(zhuǎn)轍器和導(dǎo)曲線部分主要尺寸與客運專線60 kg/m鋼軌12號可動心軌單開道岔相同。

2.3 岔枕間距及布置

道岔岔枕布置一般有扇形布置和垂直于道岔直股布置兩種方式[18]，為了適應(yīng)60 kg/m鋼軌12號提速道岔轍叉部分的岔枕布置，采用岔枕垂直于道岔的直股布置方式，間距為600 mm，既有利于道岔的生產(chǎn)制造，也方便現(xiàn)場的鋪設(shè)、養(yǎng)護。根據(jù)目前的電務(wù)轉(zhuǎn)換方式，牽引點處的岔枕間距不變，仍采用650 mm。

2.4 q值的確定

q值為尖軌尖端至基本軌前端軌縫中心的長度[5]。由于道岔可與區(qū)間線路鋼軌凍結(jié)，故道岔前端的基本軌長度可以縮短。參考國外高速道岔和國內(nèi)客專12號道岔的參數(shù)，q值取為2 551 mm。

2.5 尖軌長度及尖端處理

由于尖軌后端存在不足位移，同時也為了便于加工制造和鋪設(shè)，在道岔設(shè)計時，應(yīng)盡量縮短尖軌長度。本次設(shè)計中，尖軌第一牽引點處開口值取160 mm，同時從理論尖端后約200 mm處開始藏尖刨切。

2.6 固定型轍叉的尺寸

固定型轍叉趾、跟長的取值與既有60 kg/m鋼軌12號道岔直線轍叉保持一致，即轍叉趾長(n值)取2 038 mm、跟長(m值)取3 954 mm。

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 轉(zhuǎn)轍器設(shè)計

道岔基本軌和導(dǎo)曲線配軌采用60 kg/m鋼軌制造。為了減小橫向剛度，同時有利于減少扳動力和克服不足位移，滑床板和輥輪滑床板采用彈性夾扣壓的形式。彈性夾扣壓需要的滑床臺高度空間較大，故采用了與60 kg/m鋼軌基本軌高差更大的60AT2鋼軌作為尖軌；同時，60AT2鋼軌軌頭帶有1∶40的軌頂坡，可減少尖軌軌頭的加工量。

(1)跟端加工段長度

目前，國內(nèi)的60AT2鋼軌跟端加工成型段長度為450 mm，75 kg/m鋼軌重載道岔成型段長度為520 mm。經(jīng)過經(jīng)濟技術(shù)比選，本次尖軌跟端成型段長度取450 mm，過渡段長度取150 mm[8]。

尖軌跟端加工成型段的斷面尺寸及公差與60 kg/m鋼軌相同，但需扭轉(zhuǎn)1∶40的軌底坡。

(2)尖軌跟端的扣壓方式

綜合考慮道岔、滑床板的扣壓件以及尖軌與基本軌的距離等因素，最終確定采用彈性夾扣壓方式。在尖軌跟端的基本軌內(nèi)側(cè)采用長彈性夾扣壓，尖軌兩側(cè)采用普通彈條扣件扣壓，尖軌跟端的軌底可作少量刨切。對于尖軌后端的扣壓，采用了客專道岔扣板扣壓，雖然增加了制造和組裝的難度，但可以保證鋼軌的穩(wěn)定性。

(3)尖軌跟端傳力機構(gòu)選擇

早期的設(shè)計大多為扣件剛性扣壓，在尖軌伸縮時，這種扣壓方式仍能保持很好的平穩(wěn)性；但當(dāng)尖軌的伸縮位移較大時，容易造成電務(wù)設(shè)備轉(zhuǎn)換不暢，影響行車安全。目前，多采用間隔鐵結(jié)構(gòu)和限位器結(jié)構(gòu)(見圖1)。兩種方式各有利弊：間隔鐵結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力較大，對基本軌的受力不利；限位器結(jié)構(gòu)傳力明確，可減小基本軌所受附加力，但當(dāng)限位器受力較大時，容易引起轉(zhuǎn)轍器的方向變化，列車通過道岔時的平穩(wěn)性較差[10]。

圖1 尖軌跟端限位器結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上情況，本次設(shè)計采用限位器結(jié)構(gòu)，將限位器子母塊的間隙從7 mm加大到15 mm，以盡量減小限位器的受力(使得限位器只在尖軌有較大的伸縮位移時才起作用)[16]。同時，對限位器的結(jié)構(gòu)進行了修改，使限位器不與軌頭下顎接觸，以減少限位器對軌道剛度的影響。

(4)滑床板扣壓方式選擇

可分為剛性扣壓和彈性扣壓兩種方式。其中，提速以前多采用剛性扣壓；彈性扣壓又可分為彈片、銷釘扣壓方式和彈性夾扣壓方式。提速道岔采用彈片和銷釘?shù)目蹓悍绞?，客專高速道岔則采用了不易折斷、拆裝方便的彈性夾扣壓。新機場線道岔采用輥輪滑床板結(jié)構(gòu)，彈片、銷釘扣壓方式與輥輪配合較為困難，故采用了彈性夾扣壓(見圖2)[13]。

圖2 彈性夾滑床板

(5)滑床臺表面處理

為了減少滑床臺表面與尖軌(心軌)軌底間的摩擦系數(shù)，達到減少摩擦力的目的，道岔的滑床臺板表面必須進行防銹和減摩涂層處理。目前，其實現(xiàn)方式有噴涂和涂鍍(電刷鍍)[15]。減摩涂層應(yīng)具有良好的減摩性能、與機體的結(jié)合性能、抗摩擦疲勞性能、抗沖擊性能、耐腐蝕性和防銹性能。減摩涂層在秦沈客運專線道岔中已有應(yīng)用，前期采用的是噴涂工藝，結(jié)合強度較低；后期采用電刷鍍工藝，結(jié)合強度有所增強。

3.2 護軌的設(shè)計

護軌為分開式，護軌頂面高出基本軌頂面12 mm，由于槽型鋼重量較輕(33 kg/m)，且具有較好的經(jīng)濟性。因此，護軌采用UIC 33 kg/m槽型鋼軌制造，槽型護軌及護軌墊板結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 槽型護軌及護軌墊板結(jié)構(gòu)

3.3 固定轍叉的設(shè)計

該道岔主要用于城際線路，雖然軸重不大，但使用頻繁，且道岔與兩端凍結(jié)，更換不便。為延長使用壽命，減輕對運營的干擾，對道岔的12號單開轍叉、銳角轍叉及鈍角轍叉均采用合金鋼組合轍叉形式。目前，較為通用的有鍛制合金鋼心軌組合轍叉、合金鋼鋼軌組合轍叉、鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉和焊接式翼軌加強型合金鋼組合轍叉[12]。

合金鋼組合轍叉選用了鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉，由翼軌、翼軌鑲塊、合金鋼叉心、叉跟軌、間隔鐵、鐵墊板等零部件組成[21]。相較于普通鍛制合金鋼心軌組合轍叉，在翼軌磨耗較為嚴(yán)重的咽喉至心軌50 mm斷面范圍內(nèi)鑲嵌了合金鋼鑲塊(見圖4)，起到了翼軌補強板的作用，使翼軌的強度大大增強，從而提高了整個轍叉的使用壽命。該種轍叉的翼軌加高在鑲塊上完成，翼軌本身不加高，翼軌、心軌處于同一平面。轍叉部分的鐵墊板結(jié)構(gòu)簡單，方便制造、組裝。但該種轍叉加工量較大，對加工精度也有較高的要求。轍叉中翼軌、叉跟軌可采用60 kg/m鋼軌制造，見圖5。

圖4 翼軌鑲塊結(jié)構(gòu)形式

圖5 鍛制叉心與叉跟軌拼裝結(jié)構(gòu)形式

3.4 扣件系統(tǒng)設(shè)計

扣件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用帶鐵墊板的彈性分開式結(jié)構(gòu)，見圖6。鋼軌軌底間設(shè)軌距塊(用于調(diào)整和保持軌距)；鋼軌與鐵墊板間設(shè)軌下橡膠墊板(起緩沖作用)；鐵墊板下部亦設(shè)彈性墊層；鐵墊板與混凝土岔枕采用螺栓與預(yù)埋套管配合緊固；鐵墊板與螺栓間設(shè)置緩沖調(diào)距塊，既緩沖鐵墊板對螺栓的橫向沖擊，又可調(diào)整鐵墊板的位置，進而調(diào)整軌距；蓋板上附有彈性較好的橡膠墊圈，既不對彈性鐵墊板產(chǎn)生較大壓力，又可防止墊板的傾翻。

圖6 道岔扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鐵墊板應(yīng)采用不小于25 mm厚的焊接墊板，除轍叉墊板外，鐵墊板承軌槽均設(shè)置1∶40軌底坡。

設(shè)計時，充分考慮了使用條件、造價及養(yǎng)護維修成本，以及道岔與正線道岔的配套使用，最終決定采用墊板非硫化方案。

3.5 剛度均勻化

軌道結(jié)構(gòu)剛度設(shè)置包括每個鋼軌支點剛度設(shè)置及鋼軌支點剛度沿線路縱向的分布，其設(shè)置應(yīng)滿足行車舒適度的需要[14]。

道岔結(jié)構(gòu)與區(qū)間線路不同，岔區(qū)一般采用帶鐵墊板(或滑床板)的分開式扣件，設(shè)置有雙重彈性墊層(軌下和板下各有一彈性墊層)?？蹓杭?lián)結(jié)鋼軌與鐵墊板，螺栓聯(lián)結(jié)岔枕與鐵墊板。

道岔區(qū)軌道整體剛度主要由鋼軌抗彎剛度、扣件系統(tǒng)剛度、道床及路基剛度所組成。受道岔結(jié)構(gòu)的限制，岔區(qū)內(nèi)軌道整體剛度不是由以上各部件的剛度線性疊加而成，而是受鋼軌斷面、墊板長度、岔枕長度、間隔鐵聯(lián)結(jié)等多種因素的綜合影響[9]。

合理的軌道剛度能提高列車運行舒適性，改善輪軌相互作用，降低軌道結(jié)構(gòu)振動強度，延長軌道部件使用壽命，減少養(yǎng)護維修工作量。

扣件鐵墊板下的橡膠墊板是扣件系統(tǒng)的彈性主體，改變其剛度可以改變軌道剛度。因此，道岔軌道剛度均勻化都是通過改變板下膠墊的剛度來實現(xiàn)[19]。

3.6 軌底坡及其過渡

道岔一般應(yīng)設(shè)置1∶40軌底坡(或軌頂坡)。為方便工廠加工制造，單開組合轍叉中間區(qū)域不設(shè)置軌底坡(或軌頂坡)，轍叉兩端設(shè)置過渡段，通過翼軌、叉跟軌扭轉(zhuǎn)1∶40來實現(xiàn)與相鄰配軌軌底坡(或軌頂坡)的過渡。

4 混凝土岔枕的設(shè)計

岔枕采用成熟的客專無砟岔枕設(shè)計技術(shù)，具體結(jié)構(gòu)組成如下：道岔鋼軌件、扣件、岔枕(長岔枕)、道床板及混凝土支承層，混凝土支承層直接設(shè)置在橋梁或者路基基床表層上。

岔枕間距：除轉(zhuǎn)轍機附近的幾根岔枕間距為650 mm和575 mm外，其余均為600 mm。

岔枕長度與整個道岔區(qū)的平面布置形式和扣件釘孔距有很大的關(guān)系，不同的地段長度不盡相同。考慮到工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場施工管理等原因，應(yīng)盡量減少不同長度的種類，且均勻分布(大部分岔枕長度進級為100 mm和150 mm)。一般情況下，岔枕垂直于直股工作邊，當(dāng)岔后插入短枕時，短枕垂直于側(cè)股。對于轉(zhuǎn)轍機牽引點處的岔枕，由于其上需安裝轉(zhuǎn)轍機設(shè)備，應(yīng)對岔枕長度進行特殊設(shè)計[20]。

5 結(jié)束語

在時速160 km城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號單開道岔的設(shè)計中，采用60AT2尖軌并設(shè)置軌底坡或軌頂坡，提高了列車經(jīng)過岔區(qū)時的平穩(wěn)性和旅客的乘座舒適度；將鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉應(yīng)用于城市軌道交通道岔，提高了轍叉使用壽命，減小了養(yǎng)護維修量；采用不同剛度的板下彈性墊層，實現(xiàn)了城市軌道交通道岔岔區(qū)的剛度均勻化及整體低剛度化，有效降低了岔區(qū)的振動噪聲。