浅谈城市轨道交通小号码道岔设计

摘　要:小号码道岔在城市轨道交通领域占据主力市场,在城市轨道交通领域发挥着不可估量的作用。小号码道岔设计应结合城市轨道交通的特点,合理地选择未被平衡的离心加速度和线型,合理地计算其轨距加宽及解决自身的构造加宽问题。小号码道岔跟端应当向弹性可弯方向发展。小号码对称道岔需要重新认识并重视起来。

关键词:城市轨道;小号码道岔;设计

　　为缓解交通压力,愈来愈多的大中城市开始大力发展城市轨道交通(诸如地铁、高架轻轨等)。作为轨道系统最薄弱环节的道岔,设计理念开始了新的转变,不被国铁重视的小号码道岔在城市轨道交通领域却占据了主力市场,其中以9号、7号道岔为代表,广泛应用于各大城市轨道交通。9号道岔主要应用于城市轨道交通正线轨道,7号道岔主要应用于城市轨道交通车辆段及车场线。值得一提的是最近广州城市轨道交通4号线大学城专线段又采用了5号道岔,大大节省了车辆段占地面积。小号码道岔在城市轨道交通领域发挥着不可估量的作用,重新被城市轨道交通设计及施工人员所认识。
小号码道岔之所以被广泛应用于城市轨道交通,与城市轨道交通的特点密不可分。城市轨道交通与国铁相比,通过速度较低,所以小号码道岔即可满足;但旅客舒适度要求较高,即要求未被平衡的离心加速度较小。这里需要说明的一点是合理地选择未被平衡的离心加速度。《地铁设计规范》(ｇｂ50157—2003)第6 2 8条规定:曲线的最大超高值为120ｍｍ。当设置的超高不能满足行车速度要求时,允许有不超过61ｍｍ的欠超高,即允许有0 4ｍ/ｓ2的未被平衡离心加速度。此处的未被平衡离心加速度是指正线,为保证旅客舒适度而定的。而城市轨道交通用道岔主要是为空载列车提供折返、停放、检查、转线及出入段作业设置的,不存在旅客舒适度问题。经测试δ0=0.4～0.68ｍ/ｓ2时,旅客无不良感觉,国铁采用δ0=0 5ｍ/ｓ2。因此,地铁道岔采用δ0=0.5ｍ/ｓ2设计即可。
小号码道岔的设计,虽然不像高速大号码道岔那样有复杂的线型,但作为城市轨道交通的主力分子,线型的优劣直接影响旅客舒适度,所以要求道岔线型更加圆顺。由此,国铁中小号码道岔所用的尖轨由直线线型在城市轨道交通中逐渐转变设计为曲线线型。然而,据上海地铁9号道岔的使用情况调查,上海地铁的半切线型弹性可弯式曲线尖轨(地岔211)仅使用了4个月,直线尖轨(国铁)使用了24个月,均因磨耗超限下道。曲线尖轨磨耗严重,不管道岔使用工况是否特殊,就其原因主要还是道岔的尖轨线型不够合理,需要进一步研究。目前,为广州城市轨道交通4号线大学城专线段所作的9号道岔是将尖轨线型由切线型改为相离型,希望可以改变曲线尖轨磨耗严重的现象。因此,小号码道岔的设计在方案谨慎合理比选的同时,还必须进行试制试验。
在小号码道岔的设计过程中,首先遇到的“难题”就是轨距加宽问题。之所以称其为“难题”并不是因为轨距加宽值多么难算,而是目前中国城市轨道交通市场有一个怪现象,那就是轨道工程总是比机车车辆先行,即“路”都建好了,还没有“车”。作为轨道设计本来就需要有机车车辆资料,尤其是有了轮对资料才能计算轨距加宽值,所以说它“难”。目前设计中只能还是以国铁的设计思想,按照《地铁设计规范》(ｇｂ50157—2003)的规定来进行经验计算,这对小号码道岔的设计十分不利。
小号码道岔设计的另一个难题就是自身的构造加宽问题。主要发生在直线尖轨与曲基本轨的配合上,需要检算最大轨距值是否超限。目前,道岔设计号数不大于12号的道岔,尤其是小号码道岔,由于侧向通过速度较低,加工上为了便于保证直线尖轨与曲基本轨的密贴度,直线尖轨0～70ｍｍ断面采用直线刨切,曲基本轨在直线尖轨70ｍｍ断面以前弯折为直线段。以这次刚刚设计的5号道岔为例(直线尖轨0～70ｍｍ断面仍采用直线刨切),当尖轨尖端轨距加宽15ｍｍ后,曲基本轨在直线尖轨0～70ｍｍ断面范围内的最大矢度ｆ=4 5ｍｍ,最大轨距为1454 5ｍｍ,已接近规定的最大轨距(1456ｍｍ)。可想而知,道岔号码愈小,曲基本轨在直线尖轨0～70ｍｍ断面范围内的矢度愈大,有可能超限。换言之,在超限情况下,直线尖轨0～70ｍｍ断面就不能再采用直线刨切,若采用曲刨又难以保证直线尖轨与曲基本轨的密贴度。所以,这也是道岔设计和制造人员今后需共同努力的地方。

城市轨道交通中应用的小号码道岔不能简单照搬国铁,因为两者应用的条件不同,范围亦不同。所以,在设计过程中应当充分考虑到城市轨道交通的特点。目前,小号码道岔转辙器跟端设计沿袭了国铁设计,多为间隔铁式活接头联结设计,尽管城市轨道交通机车车辆较国铁轴重轻,但其尖轨扳动较国铁频繁,跟端活接头设计不利于尖轨的频繁搬动,且国铁线路已开始推广采用跨区间无缝线路,取得了良好的使用效果。而城市轨道交通,至今还未见采用。由于地铁线路温差较小,采用跨区间无缝线路是非常有利的。为此,今后的道岔设计应考虑适用于跨区间无缝线路,应当向跟端弹性可弯发展(国外小号码道岔大多为此设计)。当然,目前我国城市轨道交通中转辙器跟端采用活接头设计还是弹性可弯设计直接影响到道岔造价,具体来说主要是电务转换设备造价。以9号道岔为例,转辙器跟端采用活接头设计时,需用1套电务转换装置;若采用跟端弹性可弯设计时,由于尖轨长度较长,需用2套电务转换装置。这也是我国大多数城市轨道交通小号码道岔中没有采用跟端弹性可弯设计的主要原因。所以,很有必要研究小号码道岔一点牵引的可行性。这对今后城市轨道交通小号码道岔的发展方向有着非常积极重要的作用。
小号码道岔设计看似简单,实际在设计过程中,尤其采用跟端活接头设计时,辙跟部分是个难点。道岔号码越小,所用的零件越多,所以设计者不仅要细心,还需要有足够的耐心。以这次刚刚设计的5号道岔为例,由于道岔号数小,半径只有65ｍ,在转辙器辙跟处,弯曲矢度大,光是钢轨垫圈就用了8种,所以这个地方设计时很容易遗漏东西。这也是小号码道岔设计的特别之处,应该引起设计人员的足够重视。
特别要指出的是小号码道岔家族中还有一个重要的成员就是小号码对称道岔,长期以来被人们所忽视。尤其在存车线及折返线设计时,过去大多采用的是9号单开道岔的渡线,而国外城轨交通轨道连接道岔号数的采用比较灵活,例如德国,两正线间设存车线时多用对称道岔。采用对称道岔,缩短道岔咽喉区的长度,能够降低地铁的工程造价,减少维修成本,有利于行车安全,而且有利于车辆段、停车场的布置,能够节约用地,充分发挥土地的使用效能。当然,为了适应提高折返线过岔速度的需求,提高运能对称道岔需进行特殊设计(例如要采用曲线型尖轨和曲线型固定辙叉等)。曾经有人计算过,以在车站正线间设置线间距为4ｍ的存车线为例,采用4 5号对称道岔布置道岔咽喉较目前常用的9号单开道岔布置道岔咽喉,其长度可缩短32ｍ,地下车站可节约投资350万元,高架车站可节约投资100万元。所以,号码对称道岔需要重新认识并重视起来。
总之,小号码道岔日益被从事城市轨道交通设计及施工人员所重视,作为设计者很有必要对其进行学习研究,不断优化设计,使我国城市轨道交通小号码道岔迈上一个新台阶。

参考文献:
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