懸掛式單軌道岔線型參數(shù)研究

解麗霞,李卓然

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

懸掛式單軌交通系統(tǒng)是車體懸掛于軌道梁下方行駛的軌道交通制式，轉向架位于下開口半封閉的軌道梁內部，分別通過轉向架的走行輪和導向輪進行走行和導向[1-3]。懸掛式單軌交通將地面交通移至空中，能夠有效利用城市空間，具有適應地形能力強、占用空間少、建設周期短、工程造價低、對環(huán)境友好、可拆卸和重復利用等優(yōu)勢，在德國和日本得到了成功應用[4-6]，目前，在國內公共交通領域尚無運營線路，但已建成中車青島四方試驗線、成都中唐空鐵試驗線、中建開封試驗線等試驗線路，另有成都大邑、恩施青云崖、陜西韓城、安順黃果樹、貴州黔東南等多地正在建設或規(guī)劃設計懸掛式單軌交通[7]。

道岔的作用是使列車轉換行駛方向，是懸掛式單軌交通系統(tǒng)的重要組成部分，對整個系統(tǒng)安全、高效運行有著至關重要的影響。目前，國內外懸掛式單軌項目規(guī)模通常較小，道岔類型按功能劃分，只有單開道岔和單渡線道岔；按結構型式劃分，主要有整體移動式道岔、梯形轍叉道岔、倒T形轍叉道岔等類型[8-9]。

道岔線型直接影響行車安全性、乘客舒適度及運營效率，是道岔設計的重點內容。懸掛式單軌交通的輪軌關系及車輛運行特點與傳統(tǒng)軌道交通存在較大差異[10]，目前，國內尚無相關國家或行業(yè)標準，涉及懸掛式單軌道岔線型參數(shù)研究的文獻也較少，給道岔線型設計工作帶來一定困難。為此，對懸掛式單軌道岔主要線型參數(shù)進行系統(tǒng)研究，供類似道岔設計時參考。

1 道岔容許通過速度研究

道岔容許通過速度為道岔主要能力指標之一，包括直向容許通過速度和側向容許通過速度。根據現(xiàn)行國家標準GB 50458—2008《跨座式單軌交通設計規(guī)范》，當?shù)啦硖幱谇€或折線狀態(tài)下車輛通過時應限速行駛，當?shù)啦硖幱谥本€狀態(tài)時應滿足列車最高行駛速度的要求[11]。因此，道岔直向容許通過速度應不低于列車最高行駛速度。

道岔側向容許通過速度的選擇應綜合考慮行車需求和道岔技術經濟性。行車需求主要指對行車速度、平穩(wěn)性或舒適度的需求。正線及配線需設置道岔的位置通常包括折返線、出入段線、故障車停車線及聯(lián)絡線等，車場內需設置道岔的位置通常包括出入段線、牽出線、試車線、出入庫線等。折返線道岔的側向容許通過速度直接影響折返能力，出入段線道岔的側向容許通過速度直接影響早晚高峰收、發(fā)車能力，這些地段道岔的側向容許通過速度可根據項目高峰小時開行對數(shù)、列車運行能力及編組長度、站臺長度、道岔長度及轉轍時間等進行計算或檢算。據了解，目前國內已建懸掛式單軌項目道岔的側向通過速度通常在15～25 km/h之間；跨座式單軌道岔側向容許通過速度正線及配線通常在20～40 km/h之間，車場線通常在5～25 km/h之間；地鐵和跨座式單軌車輛進入車場有盡頭線的線路時速度通?！?0 km/h。

道岔技術經濟性主要考慮：在滿足需求及技術可行的基礎上，道岔宜盡量簡化結構、減小體量、降低造價。通常速度要求越高，道岔體量越大，造價越高，故道岔容許通過速度的選取宜適度。

目前，國內外已建懸掛式單軌項目規(guī)模均較小，考慮一定發(fā)展空間，可按最大行車密度20～24對/h考慮道岔的設置。參考部分懸掛式單軌、跨座式單軌項目行車測算結果及選用道岔參數(shù)，懸掛式單軌道岔側向容許通過速度正線折返線道岔可按20～25 km/h選取，出入段線(含正線側及車場側)、聯(lián)絡線、故障車停車線道岔可按15～25 km/h選取，車場內試車線、牽出線、出入庫線道岔可按5～15 km/h選取。兼顧考慮降低道岔造價及減少道岔規(guī)格，本次研究道岔按15，25 km/h兩種側向容許通過速度等級進行研究。

2 道岔側線線型及類型選擇

列車過岔時的安全性及乘坐舒適性與道岔側線線型息息相關。我國鐵路道岔側線線型主要有單圓型、復圓型、圓緩型和緩圓緩型，跨座式單軌道岔側線線型主要有折線型、單圓型和緩圓緩型。其中，折線型道岔容許列車通過速度較低，列車通過時平穩(wěn)性也較差，通常只用于單軌交通車場等不載客且速度要求較低的地段；單圓型道岔結構簡單、列車通過平穩(wěn)性較好，在我國鐵路小號碼道岔和單軌交通正線及配線中廣泛應用；緩圓緩型道岔在我國鐵路大號碼道岔中應用廣泛，在單軌交通正線中也有所應用。理論上緩圓緩型線型平順性更佳，但道岔體量和造價也會增加。

考慮到懸掛式單軌道岔側向容許通過速度不高，道岔結構比較復雜、制造成本較高，在滿足功能需求的基礎上，宜盡量簡化道岔線型并減少道岔規(guī)格。本次研究道岔采用線型相對簡單、平順性較好的單圓型線型，道岔類型按單開道岔設計，單渡線道岔由2組單開道岔組合而成。

3 道岔主要線型參數(shù)研究

道岔線型參數(shù)主要包括曲線半徑、各直線段及曲線段長度、轉轍角、轉轍量、渡線道岔線間距等，各參數(shù)取值應滿足行車要求的通過速度、列車通過安全性、乘客舒適度及道岔零部件的安裝空間等要求。

3.1 側線曲線半徑

最小曲線半徑是軌道交通主要技術標準之一，單軌道岔限于體量通常選擇較小的曲線半徑。影響軌道交通最小曲線半徑選擇的因素主要有：車輛通過安全性和乘客乘坐舒適度[12]。

3.1.1 基于車輛通過安全性的最小曲線半徑

車輛通過安全性主要指車輛轉向架能夠安全、平穩(wěn)地通過曲線，并保證一定的抗傾覆能力。懸掛式單軌交通車輛轉向架結構、安裝方式和軌道梁型式能夠使車輛免于脫軌及傾覆，只要曲線半徑不小于車輛可通過的最小曲線半徑，即可保證車輛通行的安全性。目前，懸掛式單軌車輛可通過的最小平面曲線半徑，國外車輛在9～50 m之間，國內車輛通常為30 m或50 m[13-14]。為保證車輛通過的安全性，針對國內車輛，跨座式單軌道岔最小曲線半徑應不小于30 m或50 m。在此基礎上，道岔的曲線半徑取值還應滿足乘客舒適度要求。

3.1.2 基于舒適度的道岔曲線半徑研究

(1)計算方法

本次研究道岔側線曲線為圓曲線，不設緩和曲線，且道岔區(qū)不設超高。對于鐵路、地鐵、跨座式單軌，這種情況下影響舒適度的主要指標是未被平衡的橫向加速度，線路最小曲線半徑通常按式(1)計算。

(1)

式中，R為道岔側線曲線半徑，m；V為道岔側向容許通過速度，km/h；a為未被平衡的橫向加速度，m/s2。

懸掛式單軌交通的車輛采用柔性鉸接懸掛，允許車體在一定角度范圍內自主擺動，車體擺幅遠大于鐵路、地鐵、跨座式單軌交通[15-16]?；谶@種特點，道岔曲線半徑在計算時需納入車體橫向傾斜角的影響。參考文獻中的研究成果[15-16]，可獲得懸掛式單軌道岔側線曲線半徑計算方法，見式(2)。

(2)

式中，g為重力加速度，m/s2；θmax為車體最大橫向傾斜角，rad。

(2)相關參數(shù)取值

①道岔側向容許通過速度

根據前面論述，本次研究道岔側向容許通過速度取為15,25 km/h兩種。

②未被平衡的橫向加速度a

按式(2)，在其他參數(shù)相同的情況下，未被平衡的橫向加速度越小，道岔曲線半徑需越大?？紤]道岔體量和造價，道岔區(qū)未被平衡的橫向加速度能夠滿足基本要求即可，不必追求較好的舒適度。

載客側向通過的道岔，參考現(xiàn)行國家標準GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》條文說明中的建議“道岔未被平衡的橫向加速度正常為0.5 m/s2，瞬間為0.65 m/s2”[17]，以及TB/T 2477—2006《鐵路道岔的容許通過速度》中的規(guī)定“客貨共線道岔未被平衡的離心加速度不大于0.56 m/s2”[18]，本次研究a值取為0.5 m/s2，這個取值為“有些不舒適，但可以忍受”的感覺范圍。

不載客側向通過的道岔，參考T/CAMET 04001—2018《輕型跨座式單軌交通設計導則》中的規(guī)定“不載客道岔區(qū)欠超高率可根據導曲線半徑大小按6.5%～10%控制”[19]，對應的未被平衡的橫向加速度為0.65～1.0 m/s2，本次研究a取為0.8 m/s2。

③車體橫向傾斜角

車體橫向傾斜角應保證乘客站立穩(wěn)定。國內地鐵、鐵路、跨座式單軌、磁浮交通最大超高對應的車體傾斜角在4.574°～ 6.843°之間，經實踐檢驗，均可滿足日常運營和乘客舒適度需要。

據了解，目前國內懸掛式單軌車輛車體的最大橫向傾斜角在4°～8°之間。

按式(2)，在其他參數(shù)相同的情況下，最大橫向傾斜角越大，道岔曲線半徑值可越小。綜合考慮各種懸掛式單軌車輛車體最大橫向傾斜角及其他軌道交通超高對應的車體傾斜角，本次研究車體最大橫向傾斜角按4°，6°分別進行計算。

(3)計算結果

根據式(2)及前面分析的各參數(shù)取值，按載客工況a=0.5 m/s2，可計算出道岔在不同通過速度下的側線最小曲線半徑。結合車輛可通過的最小平面曲線半徑要求，按5 m級差圓整可得到道岔側線曲線半徑圓整值，見表1。

表1 載客工況不同速度下的道岔曲線半徑最小值 m

根據表1，考慮一定裕量及車型兼容性，在滿足車輛通過安全性的基礎上，側向通過速度為15,25 km/h道岔的側線曲線半徑可分別取為30,50 m，按這兩種半徑及各參數(shù)取值，可反算出兩種半徑道岔在載客a=0.5 m/s2、不載客a=0.8 m/s2工況下的側向容許通過速度，見表2。

表2 道岔側向速度容許值

道岔選型時可按項目對側向行車速度要求、選型車輛可通過的最小曲線半徑及表2選取適用的側線曲線半徑?？紤]到曲線半徑越小，輪軌磨耗越嚴重，建議30 m半徑道岔僅用于車場等使用頻率較低的地段，且速度限制在不高于15 km/h；其余地段優(yōu)先選擇50 m半徑道岔。

3.2 側線圓曲線及夾直線長度

根據《地鐵設計規(guī)范》及《跨座式單軌交通設計規(guī)范》條文說明，圓曲線及夾直線長度需考慮車輛過岔時的安全性，即為保證正常的輪軌關系，正線上按一輛車不跨越兩種線型，圓曲線及夾直線最小長度規(guī)定為不小于1節(jié)車輛長度，困難地段允許減少到1節(jié)車輛的全軸距，車場線為節(jié)省占地面積允許減少到1個轉向架固定軸距；夾直線長度還需考慮車輛過岔時的舒適度，即能夠讓車輛在前一個緩和曲線產生的振動在夾直線上衰減后再進入第二個緩和曲線。根據文獻研究成果，懸掛式單軌最小圓曲線長度宜為2～4倍列車時速[20]，遠大于傳統(tǒng)軌道交通，按此結論，在通過速度為15,25 km/h時道岔圓曲線及夾直線長度需相應達到30～60,50～100 m。

上述規(guī)范及文獻中未提及道岔圓曲線長度和夾直線長度。我國重慶跨座式單軌采用的關節(jié)可撓型道岔擬合圓曲線長度為22 m，單渡線道岔兩反向曲線間未設夾直線，經多年運用檢驗，能夠滿足日常運營和乘客舒適度需要。

據了解，目前各懸掛式單軌車輛全軸距≯9 500 mm、轉向架軸距≯1 700 mm。參考地鐵、跨座式單軌設計規(guī)范及重慶跨座式單軌道岔參數(shù)和實際運用情況，綜合考慮懸掛式單軌車輛轉向架被包裹在軌道梁內不易脫軌，單軌道岔結構復雜宜盡量減小體量，本次研究懸掛式單軌道岔未設緩和曲線等特點，可不對道岔側線圓曲線及夾直線長度進行限制，在具備條件時可作為參考指標，渡線道岔兩反向曲線間也可不設夾直線。

3.3 道岔轉轍量及線間距

道岔轉轍量及渡線道岔線間距與道岔側線線型、道岔結構、支撐道岔的墩柱結構等有關，且應滿足限界要求。

因懸掛式單軌車輛懸吊于軌道梁下方，轉向架安裝在軌道梁內，單開道岔轉轍量僅需考慮道岔活動端不同方向軌道梁間保留一定間隙及道岔自身布置需要。

渡線道岔線間距可與相鄰正線統(tǒng)一，或在滿足要求的基礎上取較小值，以降低工程投資。

在進行渡線道岔線型設計時，可通過調整側線曲線長度、出岔處轉轍角、夾直線長度等達到預定線間距。

4 道岔線型設計方案

4.1 道岔線型設計思路

本次研究按如下條件進行道岔線型設計。

(1)側線曲線半徑取30 m及50 m兩種。

(2)考慮不同車型限界要求、兩線間無支柱及有支柱，單渡線道岔線間距分別按3 700，4 100，4 800，5 200 mm，單渡線道岔由2組單開道岔組合而成。

(3)道岔側線出岔方案分別考慮直線出岔和曲線出岔。曲線出岔時單渡線道岔無夾直線。直線出岔時單渡線夾直線長度，考慮車輛參數(shù)及道岔結構，30 m半徑道岔按≮車輛轉向架軸距，取2 000 mm；50 m半徑道岔按≮車輛全軸距，取9 600 mm。

(4)在滿足上述條件的基礎上，盡量增加圓曲線長度及出岔處轉轍角，以減小道岔長度。

4.2 道岔線型設計方案

單開、單渡線道岔線型示意分別見圖1、圖2。其中，a、b可根據道岔結構、支撐道岔的墩柱結構等自行確定；c為單開道岔出岔端直線段長度，2c為渡線道岔夾直線長度；d為單開道岔轉轍量，2d為渡線道岔線間距；R為道岔曲線半徑；s為單開道岔圓曲線弧線長度；L為單開道岔側線水平方向投影長度；2L為渡線道岔側線水平方向投影長度；β為單開道岔出岔處轉轍角。

圖1 單開道岔線型示意

圖2 單渡線道岔線型示意

按上述思路，設計側向容許通過速度為15，25 km/h等級的道岔規(guī)格及參數(shù)分別見表3、表4。

表3 15 km/h等級單開、單渡線道岔規(guī)格及參數(shù)

表4 25 km/h等級單開、單渡線道岔規(guī)格及參數(shù)

在實際工程中，可根據選型車輛參數(shù)、限界及道岔結構等要求調整道岔線型參數(shù)，也可考慮按標準梁跨長度調整道岔總長度及相關尺寸。

5 結論

根據懸掛式單軌交通技術特點、行車需求、車輛參數(shù)，結合部分線路平面曲線參數(shù)研究成果以及鐵路、地鐵、跨座式單軌設計相關規(guī)定，研究確定了懸掛式單軌道岔容許通過速度、側線線型及側線曲線半徑、圓曲線長度、渡線道岔夾直線長度、轉轍量及線間距等主要線型參數(shù)的計算或取值方法，在此基礎上設計了系列道岔線型方案，主要研究結論及成果如下。

(1)基于安全性和舒適度要求，研究確定了懸掛式單軌道岔側線曲線半徑與未被平衡的橫向加速度、車輛橫向傾斜角的關系公式。

(2)基于道岔側向通過速度分別為15，25 km/h，未被平衡的橫向加速度載客時取0.5 m/s2、不載客時取0.8 m/s2，車輛最大橫向傾斜角分別取4°，6°，計算出道岔側線曲線半徑最小值。在滿足車輛通過安全性的基礎上，側向通過速度為15，25 km/h時道岔側線曲線半徑可分別取為30，50 m，并反算出了這兩種半徑道岔在載客、不載客工況下容許車輛通過的最大速度。

(3)懸掛式單軌道岔側線圓曲線及夾直線長度可不受車輛全軸距及轉向架軸距的限制，在具備條件時可作為參考指標，渡線道岔兩反向曲線間可不設夾直線。

(4)設計形成多種規(guī)格道岔線型方案，側線曲線半徑包括30 m和50 m，對應側向通過速度等級分別為15 km/h和25 km/h；單開道岔轉轍量包括1 850，2 050，2 400，2 600 mm，對應的單渡線道岔線間距分別為3 700，4 100，4 800，5 200 mm；出岔方案包括直線出岔和曲線出岔。