槽形軌井字形組合道岔的設(shè)計(jì)

呂文濤 耿超 劉翠華 樊小平

1.中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司， 北京 100038； 2.鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司， 北京 102202

隨著現(xiàn)代有軌電車(chē)發(fā)展，我國(guó)沈陽(yáng)、珠海、蘇州等大中城市已先后建成有軌電車(chē)線路。為適應(yīng)地面車(chē)輛混行需求，有軌電車(chē)線路軌頂面需要與公路面齊平，并預(yù)留有軌電車(chē)運(yùn)行所需的輪緣槽［1］。輪緣槽多采用槽形軌結(jié)構(gòu)。對(duì)有軌電車(chē)用道岔的研發(fā)主要集中于小號(hào)碼單開(kāi)道岔。

槽形軌井字形組合道岔（簡(jiǎn)稱井字形道岔）一般由4個(gè)菱形交叉組成。該道岔主要用于平交道口，滿足電車(chē)在同一路面雙向垂直交叉通過(guò)需要，見(jiàn)圖1。兩條交叉的鋼軌曲線半徑可以不同，須根據(jù)線路實(shí)際情況設(shè)計(jì)。近年來(lái)各大城市構(gòu)建有軌電車(chē)路網(wǎng)的需求增加，急需開(kāi)展井字形道岔的研發(fā)。本文根據(jù)三亞市有軌電車(chē)線路的需求對(duì)井字形道岔進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

圖1 井字形道岔

1 平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

受行車(chē)條件、城市路網(wǎng)規(guī)劃多種因素影響，有軌電車(chē)道岔除單開(kāi)道岔外，其他道岔多為定制產(chǎn)品。井字形道岔需根據(jù)線路實(shí)際需求特殊定制。

井字形道岔主要技術(shù)參數(shù)：線路交叉形式為直線與半徑2 000 m曲線相交；線間距為4.3 m；兩條線路交叉角度為89°；道岔允許通過(guò)速度小于等于15 km/h；軌距為1 4350-2mm；軌下基礎(chǔ)采用短岔枕埋入設(shè)計(jì)；鋼軌采用焊接接頭，不設(shè)鋼軌絕緣。

車(chē)輛輪對(duì)參數(shù)：最小車(chē)輪直徑520 mm，最小輪緣厚度15 mm，輪緣高度28 mm。每個(gè)有軌電車(chē)項(xiàng)目配備的車(chē)型為特殊定制，因此輪對(duì)參數(shù)不同。道岔設(shè)計(jì)前應(yīng)進(jìn)行查照間隔、護(hù)背距離的檢算，以確定轍叉的輪緣槽尺寸。

1.2 轍叉結(jié)構(gòu)參數(shù)

車(chē)輪在經(jīng)過(guò)鋼軌交叉點(diǎn)時(shí)，左右兩車(chē)輪同時(shí)通過(guò)轍叉有害空間。有害空間長(zhǎng)度即轍叉輪緣槽寬度，兩交叉輪緣槽工作邊軌線中斷［2-3］，相當(dāng)于輪對(duì)通過(guò)較寬的軌縫，見(jiàn)圖2。

圖2 輪軌過(guò)渡示意

根據(jù)最小輪緣厚度，輪緣槽寬度采用槽形軌槽寬（42 mm），明顯大于鐵路一般要求的18 mm構(gòu)造軌縫寬度。若采用車(chē)輪踏面承擔(dān)列車(chē)荷載的輪軌接觸形式，則沖擊力巨大，嚴(yán)重影響電車(chē)運(yùn)行品質(zhì)，縮短道岔使用壽命。

為了降低轍叉區(qū)輪軌沖擊，將井字形道岔轍叉輪緣槽的深度減小，使其小于輪緣高度［4-5］。這樣車(chē)輪通過(guò)轍叉時(shí)踏面不與軌頂面接觸，輪緣承載，可避免踏面跨越輪緣槽時(shí)產(chǎn)生沖擊，如圖3所示。

圖3 輪軌接觸形式變化

井字形道岔的轍叉采用淺槽時(shí)，車(chē)輪與槽底接觸，輪緣呈倒梯形；輪緣抬升后，輪緣底部較窄。為更好地約束車(chē)輪走向，在輪緣槽較淺區(qū)段應(yīng)同步減小輪緣槽寬度［6］。

按軌頂面下14 mm處計(jì)算，在淺槽狀態(tài)下輪緣厚度為15 mm。輪背距（T）為1 387 mm，因輪背與輪緣槽實(shí)際接觸位置并未到達(dá)輪背平面，而是處于輪背底部斜面，故實(shí)際輪背距大于1 387 mm。名義軌距也因輪緣厚度減小，同步減小為1 430 mm。

根據(jù)《道岔設(shè)計(jì)手冊(cè)》［7］要求，淺槽轍叉查照間隔Dy≤T-1 = 1 386 mm。在軌距1 430 mm的前提下滿足Dy的要求，計(jì)算得到轍叉平直段輪緣槽寬度為26 mm。考慮輪對(duì)跨越轍叉時(shí)輪緣應(yīng)始終處于輪緣槽約束范圍內(nèi)，輪緣槽深度取18 mm。轍叉輪緣槽（淺槽）深度及寬度須漸變過(guò)渡至與標(biāo)準(zhǔn)槽形軌輪緣槽（深槽）相同，坡率取1∶100。輪緣槽緩沖段末端輪緣槽形狀與標(biāo)準(zhǔn)槽形軌輪緣槽相同，并須保證距接頭大于等于100 mm范圍內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)槽形軌斷面形狀，方便與線路連接。

2 轍叉鋼軌選型

采用有限元仿真計(jì)算軟件分析不同工況下不同類型鋼軌的受力狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選定轍叉使用的軌型。

道岔允許通過(guò)速度小于等于15 km/h，車(chē)輪軸重12.5 t。由于轍叉角度（89°）過(guò)大，須采用淺槽結(jié)構(gòu)以保證列車(chē)安全通過(guò)有害空間。軌型可選73C1鋼軌、105C1鋼軌。兩種鋼軌截面如圖4所示。

圖4 兩種鋼軌截面

由于轍叉結(jié)構(gòu)可看作對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算采用兩種鋼軌制造的轍叉均只建立1/2轍叉模型。轍叉有害空間位置由輪緣槽承受荷載，故重點(diǎn)計(jì)算分析列車(chē)通過(guò)時(shí)鋼軌輪緣槽處應(yīng)力與鋼軌橫向位移的變化。

設(shè)計(jì)兩種工況。工況1：在鋼軌輪緣槽中間施加150 kN的垂向荷載；工況2：在鋼軌輪緣槽中間施加150 kN的垂向荷載，同時(shí)施加50 kN的橫向荷載。

工況1兩種鋼軌Von Mises應(yīng)力分布見(jiàn)圖5?？芍?3C1鋼軌、105C1鋼軌最大Von Mises應(yīng)力均出現(xiàn)于軌腰處，其值分別為355.9、199.3 MPa，均小于鋼軌許用應(yīng)力（880 MPa），受力滿足材料強(qiáng)度要求。

圖5 工況1兩種鋼軌Von Mises應(yīng)力分布（單位：MPa）

對(duì)于工況1，73C1鋼軌、105C1鋼軌最大橫向位移均出現(xiàn)于軌頭處，其值分別為2.83、0.73 mm。

工況2兩種鋼軌Von Mises應(yīng)力分布見(jiàn)圖6。可知：73C1鋼軌、105C1鋼軌最大Von Mises應(yīng)力均出現(xiàn)于軌腰處，其值分別為539.6、280.6 MPa，均小于鋼軌許用應(yīng)力，受力滿足材料強(qiáng)度要求。

圖6 工況2兩種鋼軌Von Mises應(yīng)力分布（單位：MPa）

對(duì)于工況2，73C1鋼軌、105C1鋼軌最大橫向位移均出現(xiàn)于軌頭，其值分別為7.70、3.15 mm。

綜上，無(wú)論是受力，還是橫向位移，兩種工況下105C1鋼軌均優(yōu)于73C1鋼軌。

從結(jié)構(gòu)和受力兩方面綜合考慮，轍叉設(shè)置為淺槽結(jié)構(gòu)時(shí)車(chē)輪與輪緣槽底接觸，鋼軌所承受的車(chē)輪壓力主要集中于槽底。105C1鋼軌軌頭較73C1鋼軌寬，105C1鋼軌軌腰較73C1鋼軌厚，105C1鋼軌受力滿足材料強(qiáng)度要求，重心更穩(wěn)定，開(kāi)槽位置較自由，焊接性能更好，因此選用105C1鋼軌。

3 焊接式轍叉設(shè)計(jì)

通常道岔中菱形交叉的鈍角轍叉、銳角轍叉由數(shù)控加工而成，將兩種轍叉外形設(shè)計(jì)成同尺寸的八邊形，滿足轍叉四邊與鋼軌的焊接要求即可，但是焊接成本高，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大。

既有轍叉［圖7（a）］接頭采用手工電弧焊焊接，單個(gè)接頭焊接用時(shí)6 ~ 8 h，焊后打磨及調(diào)頂用時(shí)2 d。焊接單個(gè)轍叉至少需要24 h。工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接溫度要求高，焊接變形大。

圖7 新舊轍叉對(duì)比

將既有轍叉結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化為105C1鋼軌焊接式轍叉，見(jiàn)圖7（b）。鋼軌焊接式轍叉即在兩鋼軌交叉位置設(shè)置一根主軌，將主軌兩側(cè)鋼軌焊接到主軌上?？紤]井字形道岔現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)量問(wèn)題，將運(yùn)量大的一股鋼軌作為主軌。同側(cè)的兩轍叉通過(guò)一根主軌聯(lián)結(jié)為一個(gè)轍叉單元，一組菱形交叉由兩個(gè)轍叉單元組合而成。

通過(guò)大量鋼軌焊接試驗(yàn)，對(duì)比不同斷面形式鋼軌靜彎強(qiáng)度。結(jié)果表明：采用仿形斷面鋼軌、熔化極活性氣體保護(hù)焊工藝焊接后，鋼軌軌頭和軌底的靜彎強(qiáng)度可達(dá)到1 600 ~ 1 700 kN，滿足大于等于1 450 kN的規(guī)范要求［8］；焊接單個(gè)接頭用時(shí)5 h，小于傳統(tǒng)焊接工藝用時(shí)（6 ~ 8 h）。

采用105C1鋼軌焊接式轍叉相當(dāng)于2個(gè)既有轍叉，焊接接頭減小1/2，焊接量明顯減小。既有轍叉、105C1鋼軌焊接式轍叉焊接用時(shí)分別為48 ~ 64 h、20 h。焊接式轍叉用時(shí)明顯減少，工人勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先根據(jù)線路設(shè)置與行車(chē)條件確定了井字形道岔的平面布置形式；然后采用有限元方法進(jìn)行了鋼軌選型，繼而將既有轍叉結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化為鋼軌焊接式轍叉；最后選取仿形斷面鋼軌，采用熔化極活性氣體保護(hù)焊工藝焊接后進(jìn)行了鋼軌靜彎強(qiáng)度試驗(yàn)。主要成果如下：

1）根據(jù)線路設(shè)置與行車(chē)條件，確定了井字形道岔的平面布置形式。井字形道岔由4組直曲菱形交叉組成。曲線半徑2 000 m，兩條線路交叉角度為89°，線間距為4.3 m。

2）井字形道岔的轍叉采用淺槽結(jié)構(gòu)。淺槽段名義軌距1 430 mm，查照間隔小于等于1 386 mm，輪緣槽寬度26 mm，深度18 mm。從淺槽過(guò)渡至深槽坡率取1∶100，并保證距接頭大于等于100 mm范圍內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)槽形軌斷面形狀，方便與線路連接。

3）105C1 鋼軌受力滿足材料強(qiáng)度要求且重心穩(wěn)定，開(kāi)槽位置較自由，焊接性能更好，因此轍叉采用105C1鋼軌制造。

4）井字形道岔的轍叉采用熔化極活性氣體保護(hù)焊工藝焊接。經(jīng)試驗(yàn)，采用該焊接工藝后鋼軌軌頭和軌底的靜彎強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，且焊接單個(gè)接頭比傳統(tǒng)工藝用時(shí)減少。與既有轍叉相比，采用105C1鋼軌焊接式轍叉焊接接頭減少1/2，降低了加工成本和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

井字形道岔已于2019年在三亞有軌電車(chē)示范線上應(yīng)用。上道4年來(lái)，線路運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。