懸掛式單軌道岔選型及工藝布置研究*

游鵬輝

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥工程師)

懸掛式單軌交通因其建設(shè)周期短、占地面積小、不破壞城市景觀,而廣受中小城市及旅游城市的青睞[1-2]。

道岔作為懸掛式單軌交通的關(guān)鍵設(shè)備之一,其類型和工藝布置直接影響項目建設(shè)方案、線路運行效率,甚至行車安全。因此,有必要對懸掛式單軌道岔的選型和工藝布置進(jìn)行研究。

1 懸掛式單軌道岔的類型及結(jié)構(gòu)

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同,懸掛式單軌道岔主要分為平移換梁型道岔、梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔及倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍道岔[2-3]。國內(nèi)外懸掛式單軌項目中主要采用的道岔類型如表1所示。

表1 懸掛式單軌項目采用的道岔類型

不同類型的懸掛式單軌道岔,具有不同的結(jié)構(gòu)及特點,適用的工況場景也會不同。

1.1 平移換梁型道岔

德國伍伯塔爾市線平移換梁型道岔將直線和曲線道岔梁設(shè)置在門式框架上,通過移動門式框架實現(xiàn)道岔梁的切換,進(jìn)而改變單軌列車的運行方向。該道岔結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,移動結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較大,因此對動力系統(tǒng)要求較高,轉(zhuǎn)轍速度較低,投資較高[2-4]。該道岔僅適用于輪軌關(guān)系為浪琴型的懸掛式單軌交通,而不適用應(yīng)用最廣的SAFEGE型懸掛式單軌交通[5]。

我國中鐵寶橋集團(tuán)有限公司研發(fā)了一種適用于SAFEGE型懸掛式單軌交通的平移換梁型道岔(單開),并在成都中唐空鐵試驗線中進(jìn)行了應(yīng)用[6]。該平移換梁型道岔結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。本文以該型道岔為例對平移換梁型道岔進(jìn)行研究。

注:1—門式橫梁;2—鎖定機(jī)構(gòu);3—直線道岔梁;4—電氣控制柜;5—驅(qū)動及走行裝置;6—曲線道岔梁;7—人梯及檢修平臺。

該平移換梁型道岔通過齒輪齒條傳動的方式平行移動直線道岔梁或曲線道岔梁,使之與兩端線路軌道梁對接貫通,實現(xiàn)列車的換線行駛。

該型道岔的主要特點為[3]:

1) 轉(zhuǎn)轍運動單一,結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,直線和曲線道岔梁可預(yù)制,平順性高。

2) 道岔梁整體平移對轉(zhuǎn)轍動力系統(tǒng)要求較高,轉(zhuǎn)轍時間長。

3) 多個單獨的道岔梁,整體體積龐大,占用較大空間,安裝及運輸困難。

1.2 梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔

梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。在驅(qū)動裝置、傳動桿及傳動器的作用下,長尖軌繞軸轉(zhuǎn)動,短尖軌進(jìn)行復(fù)合擺動,長尖軌與短尖軌不同側(cè)對接貫通,從而實現(xiàn)列車換向切換[8]。

注:1—道岔梁;2—長尖軌;3—驅(qū)動裝置;4—傳動桿; 5—傳動器;6—短尖軌。

該型道岔的長尖軌兩側(cè)處無走行面,會產(chǎn)生走行不連續(xù),即當(dāng)列車走行到道岔長尖軌區(qū)域時,一側(cè)走行輪會處于懸空,此時列車在該側(cè)僅能通過導(dǎo)向輪的支承來獲得穩(wěn)定平衡[2-3]。

該型道岔的主要特點為:

1) 轉(zhuǎn)轍運動復(fù)雜,對控制系統(tǒng)要求較高。

2) 長尖軌與短尖軌同時動作對接,轉(zhuǎn)轍時間短,但平順性較差。

3) 結(jié)構(gòu)緊湊,道岔整體尺寸較小,安裝與運輸方便。

1.3 倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍道岔

倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍道岔三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。道岔核心部件轉(zhuǎn)轍芯軌采用兩段式設(shè)計,由轉(zhuǎn)動軌和隨動導(dǎo)向尖軌組成;補償板、修正板配合其使用。

注:1—轉(zhuǎn)動軌驅(qū)動機(jī)構(gòu);2—補償板驅(qū)動機(jī)構(gòu);3—補償板;4—轉(zhuǎn)動軌;5—銷式閉鎖裝置;6—修正板驅(qū)動機(jī)構(gòu); 7—隨動導(dǎo)向尖軌;8—爪式閉鎖裝置;9—修正板。

該型道岔的轉(zhuǎn)轍原理與梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔基本相同,但結(jié)構(gòu)存在較大差異。其轉(zhuǎn)動軌采用倒T形結(jié)構(gòu),底板為走行面,立板為導(dǎo)向面;補償板在轉(zhuǎn)動軌轉(zhuǎn)轍時對走行面缺口進(jìn)行補充,修正板配合補償板與轉(zhuǎn)動軌底板修整梁開口線形狀,二者為列車走行輪提供了連續(xù)、平順的走行面[2-4]。

該型道岔的主要特點為:

1) 道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對控制系統(tǒng)要求高。

2) 轉(zhuǎn)動軌、補償板及修正板相互協(xié)同,使道岔平順性和安全性更高。

3) 由于只有一段轉(zhuǎn)動軌,因此該道岔比梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔更短。但由于補償板驅(qū)動機(jī)構(gòu)、修正板驅(qū)動機(jī)構(gòu)側(cè)置,該道岔比梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍道岔更寬。

1.4 關(guān)節(jié)型道岔

借鑒成熟的跨坐式單軌交通關(guān)節(jié)型道岔,中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司研發(fā)了一種適用于懸掛式單軌交通的多開關(guān)節(jié)型道岔,并制造了樣機(jī)。目前該型道岔還未在工程項目中得到應(yīng)用。

關(guān)節(jié)型道岔結(jié)構(gòu)如圖4所示[9]。該道岔通過驅(qū)動多個道岔梁關(guān)節(jié)進(jìn)行曲線擬合,能實現(xiàn)與多個方向軌道梁的對接貫通。

注:1—關(guān)節(jié)道岔梁;2—指形接手;3—驅(qū)動裝置;4—鎖定裝置;5—多開軌道梁;6—門式梁。

該型道岔的主要特點為:

1) 可實現(xiàn)一對多轉(zhuǎn)轍切換,占地面積更小,工程投資更少。

2) 多段折線擬合,平順性差。

3) 產(chǎn)品不成熟,控制系統(tǒng)更加復(fù)雜,轉(zhuǎn)轍時間長。

1.5 各類型道岔對比

各類型道岔的主要特征對比如表2所示。

表2 各類型道岔主要特征對比

2 工程需求分析

懸掛式單軌道岔主要設(shè)置在正線的車站出入線、渡線、故障停車線、折返線,以及車輛段與停車場(以下簡稱“段場”)的出入線、停車線等工程場景中,不同場景對道岔的需求不同。由于道岔在渡線和折返線的應(yīng)用功能類似,故本文不單獨分析折返線的工程需求。

2.1 正線

為增加列車運行及調(diào)度的靈活性,正線為單線的車站會設(shè)置出入線及道岔,正線為雙線的車站可能會設(shè)置單渡線及道岔。為應(yīng)對突發(fā)事故,在條件允許時還會在正線設(shè)置停車線用于故障列車的應(yīng)急暫停。正線車站出入線、單渡線及故障停車線的道岔設(shè)置情況如圖5所示。

a) 車站出入線

2.2 段場線路

段場出入線一般由車站經(jīng)道岔引出,之后根據(jù)功能需求由道岔分叉成停車線、檢修線、換輪線、洗車線、調(diào)車線、試車線、臨修線及工程車庫線等段場停放線。以某車輛段為例,其段場出入線及停放線的道岔設(shè)置如圖6—圖7所示。

圖6 段場出入線的道岔設(shè)置示意圖

圖7 段場停放線的道岔設(shè)置示意圖

3 道岔選型及工藝布置

3.1 車站出入線

車站出入線道岔的轉(zhuǎn)轍時間關(guān)系列車的通行能力,直接影響線路的運營時間及營收效益。道岔的平順性,直接影響列車行駛安全和乘客乘坐的舒適性。

芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔和平移換梁型道岔產(chǎn)品均已成熟且有工程應(yīng)用,其中平移換梁型道岔所需空間較大,不利于車站布置;梯子型芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔走行面不連續(xù),需配合特定的列車轉(zhuǎn)向架才能使用,平順性較差;倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔更加平順、安全,轉(zhuǎn)轍時間較短。由此可見,現(xiàn)階段建議車站出入線優(yōu)先采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔。車站出入線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置如圖8所示。

圖8 車站出入線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置圖

3.2 正線單渡線

正線的單渡線主要用于線路間聯(lián)絡(luò)以及行車折返。道岔的尺寸,特別是寬度參數(shù),與線間距相關(guān),直接影響工程的占地面積及建設(shè)投資。單渡線同車站出入線一樣,對道岔轉(zhuǎn)轍時間及平順性有較高的需求。

相較平移換梁型道岔,倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔占地面積更小,轉(zhuǎn)轍時間更短,平順性更好。因此,現(xiàn)階段建議正線單渡線優(yōu)先采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔。正線單渡線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置如圖9所示。

圖9 正線單渡線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置圖

3.3 故障停車線

故障停車線的使用頻率較低,對轉(zhuǎn)轍時間、平順性均要求不高,因此其道岔選擇僅需考慮占地面積因素?，F(xiàn)階段建議故障停車線優(yōu)先采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔+平移換梁型道岔的組合方式。故障停車線的組合道岔工藝布置如圖10所示。

圖10 故障停車線的組合道岔工藝布置圖

3.4 段場出入線

段場出入線主要用于空載列車或工程車進(jìn)出段場,使用頻率高,對轉(zhuǎn)轍時間要求高,但對平順性要求不高,因此其道岔選擇僅需考慮占地面積因素?，F(xiàn)階段建議段場出入線優(yōu)先采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔。段場出入線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置如圖11所示。

圖11 段場出入線的倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔工藝布置圖

3.5 段場停放線

段場中停放線數(shù)量眾多,使用頻率較高,對道岔的轉(zhuǎn)轍時間及平順性要求不高,但十分重視道岔對段場整體布置、用地面積、土地利用率、調(diào)車停放效率及工程投資等方面的影響。采用不同類型道岔和工藝布置時,段場方案會有較大差別。以某車輛段為例,分別采用倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔、平移換梁型道岔及關(guān)節(jié)型道岔,進(jìn)行段場工藝布置。不同道岔方案的段場線路工藝布置如圖12所示。

a) 倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔方案

三種方案的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 三種道岔方案的主要技術(shù)指標(biāo)

由表3可知,與倒T形芯軌轉(zhuǎn)轍型道岔方案相比:平移換梁型道岔方案的道岔數(shù)量減少31.3%,車輛段橫向長度減少10.3%,占地面積減少6.7%;關(guān)節(jié)型道岔方案道岔數(shù)量減少50.0%,車輛段橫向長度減少16.0%,占地面積減少10.4%。

考慮產(chǎn)品成熟度分析后建議,段場停放線優(yōu)先采用平移換梁型道岔,待懸掛式單軌關(guān)節(jié)型道岔產(chǎn)品成熟后再優(yōu)先采用關(guān)節(jié)型道岔。

4 結(jié)語

通過分析不同懸掛式單軌道岔類型及結(jié)構(gòu)的特點,結(jié)合工程需求,最終提出適用于不同場景的最優(yōu)道岔類型及工藝布置建議。

隨著懸掛式單軌交通的推廣,本文可作為后續(xù)項目中道岔選型及工藝布置的參考。