新型懸掛式單軌平移型道岔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 坤，李 龍

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430066）

0 引言

懸掛式單軌交通系統(tǒng)簡(jiǎn)稱“空軌”，車輛轉(zhuǎn)向架位于上部，并置于下口箱型的軌道梁內(nèi)，車輛通過(guò)轉(zhuǎn)向架懸掛在軌道梁下方，軌道梁通過(guò)橋墩架設(shè)在空中，從而實(shí)現(xiàn)車輛安全、平穩(wěn)行駛。這是一種新型軌道交通制式系統(tǒng)，具有安全舒適、綠色環(huán)保、建設(shè)周期短、造價(jià)低等特點(diǎn)。國(guó)外懸掛式單軌交通系統(tǒng)以德國(guó)和日本為代表，均建有運(yùn)營(yíng)線路，已積累了幾十年的相關(guān)運(yùn)營(yíng)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。目前，我國(guó)的懸掛式交通系統(tǒng)總體還處于起步階段，對(duì)于懸掛式軌道交通道岔關(guān)鍵技術(shù)研究也處于摸索階段，本文將對(duì)新型懸掛式單軌平移型道岔系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。

1 單軌道岔的分類

根據(jù)道岔結(jié)構(gòu)類型來(lái)分，懸掛式單軌道岔可以分為平移型、可動(dòng)心型兩種類型。平移型道岔梁采用與軌道梁相似的箱梁式結(jié)構(gòu)，通過(guò)整根道岔梁的平移運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軌道變軌銜接。根據(jù)道岔線性分別預(yù)制直向和側(cè)向道岔梁，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。可動(dòng)心型道岔通過(guò)在箱型軌道梁內(nèi)的可動(dòng)心軌的水平轉(zhuǎn)動(dòng)改變列車的行駛方向，轉(zhuǎn)轍原理與鐵路道岔可動(dòng)心軌類似[1]。

根據(jù)道岔功能類型來(lái)分懸掛式單軌道岔又可以分為單開和多開（雙開、三開）道岔，都是由一組道岔構(gòu)成：?jiǎn)伍_道岔可以轉(zhuǎn)轍為直向或側(cè)向；雙開道岔可以向左右兩側(cè)對(duì)稱轉(zhuǎn)換；三開道岔可在直向和左右兩側(cè)轉(zhuǎn)換；多開道岔多用于車場(chǎng)。此外，還有單渡線、八字形渡線和交叉渡線等類型道岔。渡線由兩組或多組道岔組合而成，多用于正線。

2 結(jié)構(gòu)組成

平移型道岔采用和軌道梁類似的梁式結(jié)構(gòu)，保證列車在換線行駛過(guò)程中安全平穩(wěn)。道岔結(jié)構(gòu)主要由道岔梁總成、門架總成、驅(qū)動(dòng)裝置、鎖定裝置和控制系統(tǒng)等組成（圖1）。

圖1 平移型單開道岔結(jié)構(gòu)

（1）道岔梁總成。由2 根箱型梁組成，梁長(zhǎng)根據(jù)道岔類型不同長(zhǎng)度為15～20 m，寬830 mm，高1200 mm（根據(jù)梁截面而定）。2 根梁之間剛性連接在一起，增加道岔梁的剛度和穩(wěn)定性。梁體結(jié)構(gòu)主要采用不低于Q345qD 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼焊接而成。

（2）門架總成。門架總成位于道岔兩端，門式結(jié)構(gòu)，跨度根據(jù)道岔梁轉(zhuǎn)轍距離具體去定，主要由支腿和橫梁組成。墩高由線路線形確定。其上部和左右兩側(cè)設(shè)置有滑板，為道岔梁總成的轉(zhuǎn)轍提供滑行軌道和支撐。

（3）驅(qū)動(dòng)裝置。位于門架總成上，主要有驅(qū)動(dòng)電缸和滑套組件組成，驅(qū)動(dòng)電缸提供動(dòng)力可直線運(yùn)動(dòng)，滑套通過(guò)驅(qū)動(dòng)電缸的作用，在前門架橫梁做直線滑動(dòng)并帶動(dòng)連接在其下面的道岔梁運(yùn)動(dòng)，與前驅(qū)動(dòng)裝置同步運(yùn)動(dòng)，使道岔梁轉(zhuǎn)轍到指定位置。

（4）鎖定裝置。主要有鎖定推桿、鎖定桿和鎖定座組成。每組道岔共有3 套鎖定裝置，分別位于入岔端和出岔端。道岔梁轉(zhuǎn)轍到位后，鎖定桿在鎖定推桿的作用下插入位于道岔梁端部的鎖定座，限制道岔梁橫橋向的位移，承受列車的橫向力、向心力和風(fēng)載等橫向力，保證列車的安全通行。

（5）控制系統(tǒng)。可對(duì)道岔的各機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制和檢測(cè)的系統(tǒng)，它按照信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的指令，使道岔完成轉(zhuǎn)轍動(dòng)作（解鎖、轉(zhuǎn)轍、鎖閉）。并將道岔位置表示信號(hào)傳給信號(hào)系統(tǒng)，與信號(hào)系統(tǒng)之間設(shè)有授權(quán)、收權(quán)聯(lián)鎖電路[2]。具有系統(tǒng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)以及故障保護(hù)和報(bào)警的功能。

3 道岔的工作原理

平移型道岔的道岔梁是由兩根或多跟鋼板焊接成的鋼箱梁，梁體懸吊在門架總成下方。道岔鎖定時(shí)，道岔梁就是單軌車輛的軌道梁，單軌列車從梁上通過(guò)；當(dāng)列車需要轉(zhuǎn)線時(shí)，道岔梁在兩端轉(zhuǎn)轍驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下，道岔梁按照規(guī)定的線型整體平移相應(yīng)的距離，使梁體兩端與相鄰軌道梁對(duì)接形成過(guò)渡線，實(shí)現(xiàn)列車的轉(zhuǎn)線。以平移型單開道岔為例，具體工作步驟如下：①電氣系統(tǒng)在接收信號(hào)系統(tǒng)指令需要進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)轍后，電氣系統(tǒng)首先檢測(cè)道岔梁所處位置；②位于道岔梁端部的鎖定裝置解鎖并將解鎖信號(hào)傳回電氣系統(tǒng)；③道岔梁前后兩端的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)道岔梁總成沿門架橫梁做整體平移運(yùn)動(dòng)；④道岔梁總成運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置，通過(guò)檢測(cè)傳感器檢測(cè)到位后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停機(jī)；⑤道岔梁兩端對(duì)應(yīng)的鎖定裝置進(jìn)行鎖定，并將鎖閉信號(hào)傳回電氣系統(tǒng)；⑥電氣系統(tǒng)通過(guò)傳感器檢測(cè)道岔梁的位置，并將位置信息傳遞給信號(hào)系統(tǒng)；⑦至此道岔完成線路的轉(zhuǎn)轍工作，車輛可以安全通過(guò)。

同理，當(dāng)?shù)啦韽牟砭€轉(zhuǎn)入直線時(shí)也按照相應(yīng)步驟進(jìn)行線路轉(zhuǎn)換。

4 技術(shù)特點(diǎn)

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

平移型道岔側(cè)向允許列車通過(guò)速度≥20 km/h，驅(qū)動(dòng)方式采用電動(dòng)缸，鎖銷平插式鎖定方式，PLC 控制，驅(qū)動(dòng)電源為AC 380 V（三相）50 Hz 一級(jí)負(fù)荷，控制電源為AC 220 V/DC 24 V，適用于出入段線、車輛段（場(chǎng)）、故障車停留線等。其余技術(shù)參數(shù)見表1，道岔梁截面尺寸可根據(jù)實(shí)際情況而定。

表1 平移型道岔主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)

4.2 制造安裝精度

道岔制造安裝精度按要求執(zhí)行：①道岔梁全長(zhǎng)±5.0 mm；②道岔梁內(nèi)凈寬±2.0 mm；③道岔梁內(nèi)凈高±2.0 mm；④梁整體走行面直線度、導(dǎo)向面和穩(wěn)定面直線度（沿梁長(zhǎng)度方向）5 mm/15 m；⑤梁局部走行面直線度、導(dǎo)向面和穩(wěn)定面直線度（沿梁長(zhǎng)度方向）3 mm/4 m；⑥道岔梁斷面對(duì)角線差≤3.0 mm；⑦梁走行面和導(dǎo)向面及穩(wěn)定面的垂直度5‰rad；⑧道岔梁腹板與軌道梁腹板錯(cuò)位≤0.5 mm；⑨道岔梁走行面與軌道梁走行面錯(cuò)位≤2.0 mm；⑩道岔安裝軸線與線路軸線豎向和橫向誤差±3 mm；11 道岔安裝底板平面度≤2‰；12 單開、對(duì)開、三開的轉(zhuǎn)換距離±2 mm，單渡線的轉(zhuǎn)換距離±5 mm。

4.3 道岔梁有限元計(jì)算

道岔梁總成承載車輛運(yùn)行的所產(chǎn)生的全部載荷，是道岔系統(tǒng)的重要部件，主要結(jié)構(gòu)采用鋼板拼焊而成?？紤]到道岔梁的受力狀況，因車輛的位置不同而發(fā)生變化。因此，此處考慮道岔梁在最不利工況下的受力和變形情況進(jìn)行計(jì)算，即車輛位于道岔跨中位置。通過(guò)使用有限元計(jì)算軟件ANSYS 并選用Solid186 實(shí)體單元進(jìn)行模擬分析。通過(guò)計(jì)算可得結(jié)果為最大應(yīng)力為81.97 MPa，最大靜撓度為4.94 mm，見表2。道岔梁采用Q370qD 橋梁結(jié)構(gòu)鋼，其許用應(yīng)為[σ]=345/1.5=230 MPa，滿足使用要求。

表2 道岔梁有限元計(jì)算結(jié)果

4.4 技術(shù)特點(diǎn)

新型懸掛式單軌平移型道岔系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，各部件均可獨(dú)立拆裝，道岔梁總成的直梁和曲梁通過(guò)兩端連接鋼構(gòu)用螺栓剛性連接在一起。對(duì)于交通不便的邊遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)或旅游景區(qū)可拆裝運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，解決了現(xiàn)有懸掛式單軌道岔體積龐大、運(yùn)輸困難的難題。同時(shí)，平移型道岔相對(duì)于可動(dòng)心道岔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重較輕、運(yùn)行可靠，在生產(chǎn)成本和運(yùn)行維護(hù)成本上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)新型懸掛式單軌平移型道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理的研究和分析，為國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有懸掛式軌道交通道岔系統(tǒng)的運(yùn)輸困難、生產(chǎn)維護(hù)成本高等問(wèn)題提供了很好的技術(shù)解決方案，對(duì)懸掛式單軌交通系統(tǒng)在交通不便的城市和地區(qū)的推廣具有很好的推動(dòng)作用。目前，全國(guó)已有多個(gè)城市軌道交通項(xiàng)目正在建設(shè)中，采用懸掛式軌道交通制式。懸掛式單軌平移型道岔的研制成功，將填補(bǔ)我國(guó)懸掛式軌道交通道岔關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的空白，有利于我國(guó)城市軌道交通事業(yè)向前邁進(jìn)。