地鐵60 kg/m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊亮

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

截至2019年底，我國(guó)已有40座城市開(kāi)通地鐵，線路長(zhǎng)度總計(jì)5 187 km。道岔是實(shí)現(xiàn)列車(chē)股道轉(zhuǎn)換必不可少的設(shè)備，也是地鐵設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。前期各城市地鐵建設(shè)沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，地鐵道岔多采用國(guó)鐵道岔，型號(hào)雜亂，技術(shù)陳舊，問(wèn)題頻發(fā)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，道岔的養(yǎng)護(hù)維修工作量約占地鐵維修量的40%～50%。因此，道岔性能直接影響著地鐵運(yùn)營(yíng)的效率。

9號(hào)單開(kāi)道岔是地鐵中使用最多的道岔，用于正線、輔助線、試車(chē)線等［1-2］，對(duì)9號(hào)道岔的優(yōu)化尤為重要。隨著國(guó)有鐵路6次提速和高速鐵路、重載鐵路的發(fā)展，道岔技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，使用壽命得以延長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù)維修工作量減少［3-7］。本文針對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)軸重輕、速度較慢、使用頻繁的特性，結(jié)合高速鐵路和重載鐵道道岔的創(chuàng)新成果，將新材料新工藝引入地鐵領(lǐng)域來(lái)優(yōu)化9號(hào)單開(kāi)道岔，以期促進(jìn)地鐵領(lǐng)域道岔性能的提升。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則與關(guān)鍵指標(biāo)

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前60 kg∕m鋼軌9號(hào)道岔主要使用的線形有3種。圖號(hào)分別為《城軌237》（由北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)）、《專(zhuān)線9761》（由中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)）、《DTC201》（由中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)）。專(zhuān)線9761和城軌237這兩種線形的道岔在我國(guó)地鐵中使用率最高。專(zhuān)線9761道岔總長(zhǎng)度為28 300 mm，城軌237道岔總長(zhǎng)度為29 054 mm。地鐵建設(shè)費(fèi)用高昂，拆遷困難，建成后改造、擴(kuò)建極為困難。專(zhuān)線9761道岔總長(zhǎng)度更小，更有利于減少城市占地和產(chǎn)品推廣。因此，本文基于專(zhuān)線9761道岔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化措施包括：采用60AT2軌制造尖軌；優(yōu)化尖軌尖端到道岔始端的距離（Q值）；優(yōu)化導(dǎo)曲線理論起點(diǎn)與直基本軌工作邊轉(zhuǎn)轍器相離值；優(yōu)化轍叉設(shè)計(jì)，引入合金鋼轍叉；引入性能更優(yōu)異的復(fù)合材料岔枕。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

靜軸重：小于等于16 t。

運(yùn)行速度：直向小于等于120 km∕h；側(cè)向小于等于35 km∕h。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 線形參數(shù)

優(yōu)化后道岔前長(zhǎng)12 570 mm，后長(zhǎng)15 730 mm，總長(zhǎng)28 300 mm，導(dǎo)曲線半徑200 m，均與專(zhuān)線9761道岔保持一致，以便于現(xiàn)場(chǎng)互換。通過(guò)調(diào)整Q值、導(dǎo)曲線起點(diǎn)與直基本軌工作邊轉(zhuǎn)轍器相離值等參數(shù)，得到兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，與原設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與專(zhuān)線9761道岔參數(shù)對(duì)比

2.2 尖軌軌型選擇

我國(guó)城市軌道9號(hào)道岔尖軌普遍采用60AT1軌制造。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，尖軌采用主要在客運(yùn)專(zhuān)線道岔尖軌和伸縮調(diào)節(jié)器中使用的60AT2軌制造［8］。兩種軌型參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2［9］。

表2 60AT1軌與60AT2軌參數(shù)對(duì)比

采用60AT2軌制造尖軌的主要原因有：

1）60AT2軌斷面面積比60AT1要小，更節(jié)省材料。地鐵車(chē)輛軸重16 t，最高速度120 km∕h；客運(yùn)專(zhuān)線列車(chē)軸重17 t，最高速度350 km∕h。60AT2軌的強(qiáng)度能滿(mǎn)足客運(yùn)專(zhuān)線的要求，在地鐵中更有余量。

2）60AT1軌高152 mm，用于制造尖軌時(shí)，尖軌與基本軌（60 kg∕m鋼軌）高差不足，只能采用彈片扣壓，彈片容易變形，后端的銷(xiāo)釘容易折斷。60AT2軌高142 mm，與基本軌高差可達(dá)34 mm，有足夠的空間安裝彈性?shī)A，能有效改善基本軌的扣壓和支點(diǎn)彈性。

3）60AT2軌的y軸慣性矩比60AT1軌小13%，采用60AT2制造尖軌對(duì)減小轍叉搬動(dòng)阻力和尖軌不足位移更為有利。

2.3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

采用動(dòng)力學(xué)軟件建立地鐵車(chē)輛-道岔耦合模型，對(duì)比分析列車(chē)側(cè)向通過(guò)三種線形的道岔時(shí)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，確定最優(yōu)線形。

我國(guó)地鐵車(chē)型主要有A型、B型兩種。其中，B型車(chē)最為常見(jiàn)，其車(chē)體較小，軸重較輕。近年來(lái)隨著城市人口快速增長(zhǎng)，車(chē)體寬、軸重大的A型車(chē)越來(lái)越受歡迎，特別是新建線路已多選擇A型車(chē)作為運(yùn)營(yíng)車(chē)輛。A型車(chē)運(yùn)行時(shí)對(duì)道岔影響更大。因此，本文計(jì)算時(shí)參照GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］，采用A型車(chē)參數(shù)。

根據(jù)地鐵A型車(chē)參數(shù)，建立車(chē)輛在道岔區(qū)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 車(chē)輛在道岔區(qū)運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)模型

計(jì)算時(shí)，車(chē)輛軸重取滿(mǎn)載16 t，側(cè)向過(guò)岔速度按最高設(shè)計(jì)速度35 km∕h考慮。地鐵車(chē)輛順向出岔、逆向進(jìn)岔時(shí)的輪軌動(dòng)力學(xué)響應(yīng)見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 車(chē)輛順向出岔時(shí)的輪軌動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

圖3 車(chē)輛逆向進(jìn)岔時(shí)的輪軌動(dòng)力學(xué)響應(yīng)

由圖2、圖3可知：地鐵車(chē)輛在順向出岔和逆向進(jìn)岔兩種工況下，優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2的輪軌橫向力、垂向力相差不大，且均優(yōu)于專(zhuān)線9761道岔。以?xún)?yōu)化方案1的輪軌橫向力為例，與專(zhuān)線9761相比，其順向出岔時(shí)（滿(mǎn)軸重、全速）由54 kN降至36 kN，逆向進(jìn)岔時(shí)由45 kN降至35 kN。

優(yōu)化方案2的Q值為1 420 mm，尖軌尖端到道岔始端只有2根軌枕；優(yōu)化方案1的Q值為2 000 mm，尖軌尖端到道岔始端有3根軌枕。尖軌尖端在車(chē)輪過(guò)岔時(shí)易受到橫向沖擊力，2根軌枕的抗沖擊力較弱，因此確定優(yōu)化方案1為最優(yōu)線形。

根據(jù)GB 50157—2013，導(dǎo)曲線半徑200 m時(shí)軌距須有5 mm以上加寬，以利于車(chē)輪在岔區(qū)走行。參照以往設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，加寬值設(shè)為10 mm對(duì)輪軌動(dòng)力學(xué)參數(shù)更為有利。因此，優(yōu)化方案中將導(dǎo)曲線處加寬設(shè)為10 mm，加寬后軌距由標(biāo)準(zhǔn)值1 435 mm更改為1 445 mm。優(yōu)化后的線形如圖4所示。

圖4 9號(hào)道岔優(yōu)化方案總布置（單位：mm）

2.4 轉(zhuǎn)轍器優(yōu)化

參照重載道岔尖軌加厚技術(shù)，對(duì)地鐵60 kg∕m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔尖軌部分進(jìn)行加厚。在直基本軌和曲線尖軌密貼段前端4 m范圍（尖軌比較薄弱的地方），刨切直基本軌5 mm，同時(shí)加厚曲尖軌5 mm，如圖5所示，使尖軌前端最薄弱區(qū)段迅速粗壯，有利于提高尖軌耐磨性和抗沖擊性。

圖5 尖軌加厚示意（單位：mm）

具體方案為：在尖軌尖端前端30 mm處開(kāi)始切削直基本軌，切削量緩慢增加，在500 mm內(nèi)完成過(guò)渡，切削量到5 mm，并在后3 500 mm內(nèi)維持5 mm切削量，最后再經(jīng)500 mm由5 mm過(guò)渡到0。

根據(jù)高速鐵路和重載鐵路的經(jīng)驗(yàn)，尖軌直線段越長(zhǎng)，半切點(diǎn)寬度越厚，則尖軌的耐磨性越好，使用壽命越長(zhǎng)，同時(shí)列車(chē)過(guò)岔的平穩(wěn)性也越好。因此，優(yōu)化時(shí)將尖軌設(shè)計(jì)成直曲組合型線形，盡量延長(zhǎng)尖軌直線段長(zhǎng)度。優(yōu)化后尖軌直線段長(zhǎng)度為2 852 mm，如圖6所示，比專(zhuān)線9761道岔尖軌直線段長(zhǎng)595 mm。

圖6 尖軌直曲組合型線形（單位：mm）

道岔設(shè)計(jì)中尖軌跟端多采用活接頭結(jié)構(gòu)，活接頭處尖軌與基本軌之間的螺栓緊固不徹底，故意留出余量讓尖軌能夠在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以減少扳動(dòng)阻力，但經(jīng)多次轉(zhuǎn)換后極易出現(xiàn)鋼軌錯(cuò)牙、螺栓折斷，甚至帶來(lái)鋼軌縱向移動(dòng)等。優(yōu)化時(shí)，尖軌跟端采用彈性可彎結(jié)構(gòu)，如圖7所示，取代活接頭結(jié)構(gòu)，在尖軌跟端軌底1 200 mm范圍內(nèi)刨切深度50 mm，以減小尖軌的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而減小扳動(dòng)阻力。

圖7 尖軌跟端彈性可彎結(jié)構(gòu)（單位：mm）

2.5 固定型轍叉優(yōu)化

地鐵道岔中轍叉多為高錳鋼整鑄轍叉。高錳鋼整鑄轍叉澆筑后一次成型，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械加工即可使用，無(wú)過(guò)多組件，具有整體性強(qiáng)、易維修等優(yōu)點(diǎn)。由于高錳鋼沖擊韌性較好，轍叉上道使用后，隨著運(yùn)量的增加，轍叉硬度逐步提升，有利于提升轍叉的耐磨性；且高錳鋼出現(xiàn)裂紋后不易脆斷，可以有充足的更換時(shí)間。

9號(hào)道岔高錳鋼整鑄轍叉總長(zhǎng)度為4 309 mm，趾端長(zhǎng)度為1 538 mm，跟端長(zhǎng)度為2 771 mm，如圖8所示。轍叉翼軌在心軌共同承載區(qū)段設(shè)有抬高段，有利于匹配列車(chē)輪緣高度，保護(hù)心軌尖端薄弱區(qū)段，提高列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性。心軌50 mm斷面對(duì)應(yīng)的翼軌處最大抬高值為4.8 mm。

圖8 9號(hào)道岔高錳鋼整鑄轍叉（單位：mm）

近些年，隨著金屬材料研究的突破，出現(xiàn)了高強(qiáng)度、高韌性的合金鋼轍叉，材質(zhì)為貝氏體或奧貝氏體鋼，表面硬度可達(dá)到38～45 HRC，20℃下沖擊韌性大于等于70 J∕cm2。合金鋼轍叉在我國(guó)重載鐵路上已廣泛使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，合金鋼轍叉的使用壽命約為高錳鋼的1.5～2.0倍，通過(guò)總質(zhì)量為2億～3億t，而造價(jià)與高錳鋼轍叉相差不大，因此在重載領(lǐng)域頗受歡迎。

優(yōu)化時(shí)，在地鐵9號(hào)道岔中引入合金鋼轍叉，其形式、尺寸、心軌降低值、翼軌抬高值均與高錳鋼轍叉相同。不同的是合金鋼轍叉由心軌、翼軌、叉跟軌等拼裝而成，如圖9所示。其中心軌采用合金鋼鋼軌加工，翼軌、叉跟軌等采用U75V在線熱處理軌加工，可與高錳鋼整鑄轍叉互換。

圖9 9號(hào)道岔合金鋼組合轍叉

3 岔枕優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 岔枕受力特征

建立岔區(qū)受力有限元模型時(shí)，鋼軌采用彈性點(diǎn)支承梁模型，扣件采用線性彈簧模擬，岔枕用彈性地基梁模擬；列車(chē)荷載按單軸荷載施加。鋼軌彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3，線膨脹系數(shù)取1.2×10-5℃-1。根據(jù)聚氨酯纖維增強(qiáng)合成軌枕的實(shí)際情況，岔枕彈性模量取7 GPa，泊松比取0.2?？奂?jié)點(diǎn)靜剛度取80 kN∕mm。正線軌道單根軌下半根軌枕的道床垂向剛度取120 kN∕mm；道岔區(qū)岔枕下道床垂向剛度取80 kN∕mm。荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)變形見(jiàn)圖10。

圖10 荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)變形（單位：m）

考慮岔枕的支承不均性，在軸重16 t的城市軌道列車(chē)荷載作用下，岔枕不同區(qū)域受到的彎矩見(jiàn)圖11。

圖11 岔枕彎矩（單位：N·m）

由圖11可知，岔枕所受到的最大正向彎矩為14.5 kN·m，最大負(fù)向彎矩為7.2 kN·m。

3.2 岔枕優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

地鐵60 kg∕m鋼軌9號(hào)單 開(kāi) 道 岔共有66根岔枕，最短2.3 m，最長(zhǎng)4.6 m。岔枕垂直于直股鋼軌布置，轍叉區(qū)的岔枕垂直于角平分線布置，岔枕縱向間距多為600 mm，兩轉(zhuǎn)轍機(jī)處岔枕間距為650 mm。

地鐵道岔多采用混凝土枕，軌枕多采用提速岔枕，截面為梯形，上底長(zhǎng)260 mm，下底長(zhǎng)300 mm，高220 mm。復(fù)合材料岔枕是新型結(jié)構(gòu)形式，具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣性好、可百分百回收、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，因此將復(fù)合材料岔枕引入地鐵道岔優(yōu)化設(shè)計(jì)中。優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的聚氨酯玻璃纖維復(fù)合材料岔枕截面尺寸與提速岔枕相同，岔枕密度為800 kg∕m3，彎曲強(qiáng)度大于等于50 MPa，抗拔力大于等于40 kN。

對(duì)復(fù)合材料岔枕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，如圖12所示。試驗(yàn)時(shí)，正彎矩靜載試驗(yàn)荷載為105 kN，疲勞試驗(yàn)荷載為110 kN；負(fù)彎矩靜載試驗(yàn)荷載為55 kN，疲勞試驗(yàn)荷載為60 kN。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料岔枕靜態(tài)、動(dòng)態(tài)彎矩均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖12 復(fù)合材料岔枕試驗(yàn)

4 扣件系統(tǒng)選型

扣件系統(tǒng)采用彈性分開(kāi)式扣件系統(tǒng)，由Ⅱ型彈條、鐵墊板、軌下橡膠墊板、板下橡膠墊板、T形螺栓、螺紋套管、偏心襯套等軌件組成，如圖13所示。鋼軌下設(shè)10 mm厚橡膠墊板，鐵墊板下設(shè)12 mm厚橡膠墊板，扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)組裝剛度為30～50 kN∕mm。在鋼軌工作邊一側(cè)安裝13 mm軌距塊，在非工作邊一側(cè)安裝11 mm軌距塊。

圖13 扣件系統(tǒng)組件

為增加道岔軌距的調(diào)整能力，設(shè)計(jì)了絕緣偏心襯套，如圖14所示。偏心襯套安裝在鐵墊板圓孔處，通過(guò)調(diào)整偏心襯套的方向可實(shí)現(xiàn)軌距的調(diào)整，調(diào)整區(qū)間為-12～+6 mm。

圖14 偏心襯套結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

5 其他優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

1）由于地鐵車(chē)輛運(yùn)行速度低，軸重輕，岔區(qū)軌底不設(shè)軌底坡。

2）轉(zhuǎn)轍器區(qū)配置2個(gè)電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)。各牽引點(diǎn)設(shè)計(jì)動(dòng)程為160、80 mm，對(duì)應(yīng)的牽引點(diǎn)理論轉(zhuǎn)換力分別為1.8、4.1 kN，在正常養(yǎng)護(hù)情況下尖軌理論扳動(dòng)力不大于4.0、6.0 kN。鎖閉方式采用分動(dòng)外鎖閉。

3）護(hù)軌采用33 kg∕m槽型鋼制造，護(hù)軌頂面高出基本軌頂面12 mm，護(hù)軌軌頭工作邊側(cè)面進(jìn)行表面淬火。護(hù)軌斷面如圖15所示。

圖15 護(hù)軌斷面

4）直、曲尖軌跟端與基本軌之間各設(shè)1組限位器，限位器子母塊間隙為15 mm。

5）轉(zhuǎn)轍器區(qū)基本軌和尖軌內(nèi)側(cè)扣壓采用彈性?shī)A扣壓，結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 彈性?shī)A扣壓結(jié)構(gòu)

6 結(jié)論

針對(duì)地鐵軸重輕、運(yùn)營(yíng)速度較慢、使用頻繁的特性，本文借鑒我國(guó)高速鐵路和重載鐵路道岔研制的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合地鐵道岔受力特征，對(duì)地鐵60 kg∕m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要結(jié)論如下：

1）列車(chē)過(guò)岔時(shí)，優(yōu)化線形的輪軌垂向、橫向力優(yōu)于專(zhuān)線9761道岔，能有效減小列車(chē)過(guò)岔時(shí)的沖擊荷載，增加列車(chē)平穩(wěn)性，可減小軌件損壞，提高道岔使用壽命。

2）采用60AT2軌取代60AT1軌制造尖軌，采用彈性可彎結(jié)構(gòu)取代活接頭結(jié)構(gòu)，可以降低道岔的扳動(dòng)阻力，減小轉(zhuǎn)轍器區(qū)不足位移和接頭病害；采用彈性?shī)A扣壓基本軌取代彈片扣壓，可以增加鋼軌扣壓力；采用岔枕偏心襯套代替剛性螺栓連接，可以增加道岔的軌距條件功能。

3）優(yōu)化后，尖軌采用直曲復(fù)合線形，在曲尖軌前端4 m范圍刨切直基本軌加粗尖軌5 mm，有效增加了尖軌半切點(diǎn)厚度，使尖軌最薄弱的地方迅速粗壯；道岔導(dǎo)曲線處設(shè)置10 mm加寬，有效減輕了列車(chē)輪對(duì)過(guò)岔時(shí)的荷載沖擊。

4）優(yōu)化時(shí)，采用使用壽命更高的合金鋼轍叉，且能夠與高錳鋼轍叉互換；采用質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣性好、可百分百回收、可多次重復(fù)利用的聚氨酯玻璃纖維復(fù)合材料岔枕。

5）對(duì)地鐵60 kg∕m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔進(jìn)行優(yōu)化后，彌補(bǔ)了道岔的設(shè)計(jì)缺陷，能有效延長(zhǎng)其使用壽命，減少道岔病害和養(yǎng)護(hù)維修工作量。