城市軌道交通7號單開道岔結構優化與設計

楊亮 王樹國 游彥輝 樊小平 王璞

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.鐵科（北京）軌道裝備技術有限公司，北京 102202）

隨著我國城市人口數量的增長，城市軌道交通越來越重要。2018年底我國人口超千萬的城市有14座，已開通地鐵的城市有39座。道岔是城市軌道交通中的關鍵設備和薄弱環節，由于歷史原因，地鐵道岔設計缺少前瞻性規劃，造成道岔型號雜亂，技術水平參差不齊，影響了運能提高及運輸安全。線路運營中道岔的故障率和維修量占到軌道總維修量的約50%。

城市軌道交通中7號道岔主要鋪設在站場，在車輛出庫、入庫時使用［1］。城市軌道交通7號單開道岔均采用50 kg/m鋼軌制造。這些道岔主要問題有：多數道岔型號老舊，生產年代久遠，有些道岔還在使用木岔枕，腐爛現象嚴重，軌距保持能力不足；曲尖軌前端厚度不足，磨耗、掉塊現象多發；尖軌與基本軌不密貼，尖軌爬行現象時有發生；轍叉多采用高錳鋼整鑄而成，叉心磨耗、掉塊等現象普遍。近年也有不少設計單位對道岔進行優化，但都屬于在線型不變的基礎上對軌件、配件進行加強，沒有從本源上解決問題。近十年來我國重載道岔和高速道岔技術取得長足進步，取得一系列創新成果［2-7］，尤其是為延長道岔使用壽命先后開發了直曲復合型尖軌、合金鋼材料轍叉等，通過重載和提速線路試驗壽命可以提高2～3倍，效果顯著。本次優化通過設計新線型來彌補前期設計的不足，同時借鑒重載、高速道岔先進的經驗，促進城市軌道交通領域道岔的發展與提升。

1 設計原則與技術指標

1.1 設計原則

1）道岔長度與站場主流道岔型號一致。由于城市軌道交通7號道岔主要鋪設在站場，站場在城市中占地較大，土地價格高昂，有些城市的部分站場還上蓋物業，一旦站場建設完成就很難擴建，因此7號道岔的設計長度要跟主流的圖號的長度保持一致以方便日后的更換、維修。經調研城市軌道交通中7號道岔圖號使用最多的是中鐵山橋SC319，后期有些設計單位對此線型的細部作了更改，如更改扣件類型、軌枕間距等，形成了各自的圖號，但在線型上與SC319保持一致。這些圖號有北京城建的城軌252、鐵科軌道的CNR5198、中鐵上海設計院的STY-DC11、北京市政的BJ4-400、中鐵設計的ZS9761等。本次設計道岔前長、后長、總長都與SC319的長度保持一致，在線型方面進行優化。

2）通過結構優化延長道岔使用壽命。對城市軌道交通中大量使用的傳統型道岔，在不增加成本或少量增加成本的前提下，通過優化現有道岔線型結構，提高軌件強度，延長使用壽命，減少日常維修量。如通過調整尖軌尖端到道岔始端的距離（Q值），調整導曲線理論起點距直股鋼軌工作邊相離值、調整導曲線理論終點距轍叉側股工作邊相離值來增加曲尖軌直線段長度及半切點軌頭厚度，提高尖軌耐磨性，延長其使用壽命。

3）使用新材料、新工藝。近年來新材料、新工藝在軌道交通中開始逐步使用且取得了優異的效果，比如合金鋼材料轍叉以及復合材料岔枕［8-11］。本文除了設計傳統的高錳鋼整鑄轍叉、混凝土岔枕外還設計了合金鋼組合轍叉和玻纖增強聚氨酯樹脂（FFU）復合材料岔枕，為現場使用提供多種選擇。

1.2 設計指標

靜軸重≤17 t；直向運行速度≤80 km/h，側向運行速度≤25 km/h；動能損失W≤0.65 km2/h2；未被平衡的離心加速度α≤0.56 m/s2；未被平衡的離心加速度時變率β≤1.0 m/s3。

2 道岔線型設計

2.1 線型方案平面參數

城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號單開道岔（圖號SC319）主要結構特征為：總長23627mm，前長11194mm，后長12 433 mm，導曲線半徑150 m，未平衡的離心加速度為0.32 m/s2，欠超高49.2 mm，尖軌采用相離半切式線型，轉轍器端導曲線理論起點與直基本軌工作邊割距為4 mm；端導曲線理論終點與轍叉心軌延長線割距為12 mm。新設計的7號道岔全長、前長、后長均與SC319原設計相同，現場可以互換，通過調整尖軌尖端距道岔始端距離（Q值）、導曲線始端與直基本軌工作邊割距、導曲線理論終點與轍叉心軌延長線割距等參數得到最優的2種線型方案。3種線型方案參數見表1。

表1 原設計與方案一、方案二參數對比

續表2

2.2 動力學仿真計算

采用動力學軟件建立地鐵車輛與道岔耦合模型，計算對比分析列車通過3種線型時的動力學指標，為道岔平面線型的選擇提供指導。

我國地鐵車輛主要有A型車、B型車2種。B型車最為常見，車體較小，軸重較輕。近年來隨著城市人口爆發式增長，車體寬、軸重大的A型車越來越受歡迎，特別是新建線路已多選擇A型車作為運營車輛。A型車運行時對道岔影響更大，因此計算時采用A型車的參數，見表2。

表2 地鐵A型車參數

計算時車輛側向過岔最高速度為25 km/h，分析了逆向進岔和順向出岔2種工況。逆向進岔時列車由尖軌尖端駛入岔區，通過導曲線后由轍叉駛離；順向出岔時列車從轍叉跟端進入岔區，通過導曲線后從尖軌尖端駛離。車輛在岔區運行時的動力學模型如圖1所示，計算后提取了列車過岔時輪軌橫向力、垂向力、脫軌系數、減載率等關鍵參數，如圖2—圖5和表3所示。

2.3 線型設計

圖1 車輪過岔時動力學模型

圖2 車輛逆向進岔時輪軌橫向力

圖3 車輛順向出岔時輪軌橫向力

圖4 車輛逆向進岔時導向輪脫軌系數

圖5 車輛順向出岔時導向輪脫軌系數

通過動力學仿真結果對比分析可以看出方案一優于方案二，也優于原始設計方案，故選方案一作為本設計的優化線型。本方案Q值為1 930 mm，導曲線始端與轉轍器直股工作邊相離值為10 mm，導曲線末端與心軌側股工作邊相割值為12 mm，道岔曲線半徑為150 m。

按照GB 50157—2013《地鐵設計規范》規定導曲線半徑150 m需有10 mm加寬，加寬后導曲線處側股軌距為1 445 mm，在導曲線末端前2.5 m范圍軌距逐漸由1 445 mm過渡到1 435 mm。優化后的線型如圖6所示。

表3 車輛過岔時主要動力學參數值對比

圖6 城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號道岔優化后線型（單位：mm）

3 道岔結構設計

3.1 轉轍器

城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號單開道岔借鑒重載道岔設計經驗在直基本軌和曲線尖軌一側采用了“刨切基本軌，加厚尖軌”技術方案。這是將基本軌工作邊部分去除，使曲線尖軌前端厚度增加?；拒壒ぷ鬟吶コ笮纬搔冉?，相應曲線尖軌尖端角度為α+θ，如圖7所示。本設計α角為1∶40；θ角為1∶100。

圖7 直基本軌刨切和曲線尖軌尖端沖擊角

在曲尖軌前端薄弱地段加寬5 mm，實現方式為直基本軌自尖軌尖端前端30 mm開始切削，在500 mm范圍內由0增加到5 mm。加寬后的效果如圖8所示。加厚尖軌可增加尖軌前端薄弱斷面的耐磨性，同時直曲組合曲線尖軌可使磨耗最大區段后移至尖軌斷面較為粗壯的位置，避免曲線尖軌前端薄弱斷面的過度磨耗。

圖8 刨切直基本軌加厚尖軌原理（單位：mm）

尖軌設計成直曲組合型線型，同時盡量延長尖軌直線段長度。尖軌直線段越長，半切點寬度越厚，尖軌耐磨性越好，車輛過岔時運行越平穩。通過更改尖軌尖端距道岔始端距離（Q值）、導曲線始端與轉轍器相割值、導曲線末端與心軌相割值3個參數改變直曲組合型曲線尖軌直線段長度。優化后尖軌直線段長度為2 134 mm，比原設計1 574 mm長560 mm，如圖9所示。

圖9 尖軌直線段長度（單位：mm）

尖軌跟端活接頭結構在舊的結構設計中采用較多，病害也比較多，如鋼軌錯牙、螺栓折斷、尖軌縱移等，給現場養護維修帶來很大麻煩。為保持尖軌使用穩定與可靠，消除活接頭連接方式在使用過程中出現的各種病害，此次尖軌跟端設計成彈性可彎結構。在尖軌跟端2 089 mm范圍內對軌底進行刨切，最大刨切深度50 mm，以減小轉換過程中的扳動阻力，結構如圖10所示。

圖10 尖軌跟端彈性可彎結構

3.2 固定轍叉

50 kg/m鋼軌7號單開道岔采用固定型轍叉，本次固定型轍叉設計2種結構形式：高錳鋼整鑄轍叉和合金鋼組合轍叉。

3.2.1 高錳鋼整鑄轍叉

我國城市軌道交通主要采用高錳鋼整鑄轍叉。其具有結構簡單、整體性強的優點，可以滿足一般使用要求。高錳鋼具有良好的沖擊韌性，經初期磨耗后，硬度有較大提升，比較適合制造轍叉。

將轍叉翼軌在心軌共同承載區段加高，有利于匹配列車輪緣高度，提高列車運行平穩性，最大抬高值為4.8 mm。圖11為設計的高錳鋼整鑄轍叉結構。

圖11 高錳鋼整鑄轍叉結構

3.2.2 合金鋼組合轍叉

近些年隨著新材料的研發出現了合金鋼組合轍叉，合金鋼材質為貝氏體或奧貝氏體鋼，已廣泛使用于國鐵特別是重載鐵路。合金鋼轍叉表面硬度可達38～45 HRC，室溫沖擊韌性≥70 J/cm2（20℃），通過質量約為200 Mt，約為高錳鋼整鑄轍叉的2倍。但其價格與高錳鋼整鑄轍叉相當，故合金鋼轍叉具有更高的性價比。

合金鋼組合轍叉的主要平面尺寸與高錳鋼整鑄轍叉相同，現場可與高錳鋼組合轍叉互換，兩者互換時須同時更換轍叉下墊板。圖12為翼軌焊接合金鋼組合轍叉，心軌和心軌對應的翼軌處采用合金鋼材質，翼軌其他地方和叉跟軌采用U71Mn或U75V在線熱處理軌制造。

圖12 合金鋼組合轍叉結構

3.3 岔枕與扣件系統

3.3.1 岔枕

7號道岔共有57跟岔枕，最短岔枕長2.3 m，最長的為4.7 m。岔枕布置均垂直于直股鋼軌，但轍叉部分的岔枕垂直于角平分線，牽引點處岔枕間距為650 mm，其余部分的岔枕間距多為580 mm。

混凝土岔枕在現場最為常用，圖13為混凝土岔枕斷面設計。岔枕承軌面不設軌底坡，岔枕靜載抗裂強度滿足抗拔力大于60 kN，正彎矩試驗載荷240 kN，負彎矩試驗載荷190 kN無裂紋；疲勞強度最大試驗載荷255kN；岔枕兩側端部采用預埋塑料套管與鐵墊板連接。

圖13 混凝土岔枕斷面示意（單位：mm）

本次也設計了玻纖增強聚氨酯樹脂材料復合岔枕。該材料岔枕具有力學性能好、使用壽命長、質量輕、耐絕緣、耐腐蝕、少維護、可100%回收等優點。復合材料岔枕截面為長方形，尺寸為240mm×220mm，密度為1 000 kg/m3，其抗拔力、靜載抗裂強度與疲勞強度與混凝土軌枕一致。與混凝土軌枕的重要區別是混凝土枕套管是預埋的，而復合材料軌枕的套管根據軌距要求現場鉆孔安裝。安裝后的結構如圖14所示。

圖14 復合材料岔枕安裝螺旋套筒結構

3.3.2 扣件系統

采用彈性分開式扣件系統，彈條采用Ⅰ型彈條。鋼軌下設5 mm厚橡膠墊板，鐵墊板下設10 mm厚橡膠墊板?？奂到y組裝剛度為70～80 kN/mm。鋼軌工作邊一側安裝13 mm軌距塊，鋼軌非工作邊一側安裝11 mm軌距塊。組裝結構如圖15所示。

圖15 扣件組裝結構

岔枕螺栓與鐵墊板之間設置絕緣偏心襯套，以增強道岔整體絕緣性能。旋轉絕緣偏心襯套可實現鐵墊板的整體移動進而帶動鋼軌位置的調整，其原理如圖16所示。偏心襯套和軌距塊可使道岔軌距調整范圍達+6～-12 mm。

圖16 偏心襯套結構（單位：mm）

3.4 其他結構特征

1）道岔不設軌底坡，道岔趾端、跟端設順坡墊板；

2）尖軌采用50AT在線熱處理軌制造，鋼軌材質優先選用U75V；

3）尖軌設置1個牽引點，設計動程為152 mm，鎖閉方式為內鎖閉，在正常養護情況下尖軌理論扳動力不大于4 kN；

4）護軌為分開式，采用43 kg/m鋼軌制造，護軌頂面高出基本軌頂面12 mm，護軌軌頭工作邊側面進行表面淬火；

5）直、曲尖軌跟端各設置一組間隔鐵與基本軌連接；

6）轉轍器基本軌和護軌基本軌內側的扣壓均采用剛性扣壓，為防止鋼軌外翻，轉轍器基本軌外側部分設置軌撐，結構如圖17所示。

圖17 軌撐及滑床板扣壓結構

4 結語

城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號單開道岔優化設計借鑒了我國重載鐵路、高速鐵路延長道岔及其部件使用壽命的關鍵技術。針對現場存在的問題主要在以下5個方面進行了優化：

1）道岔前長、后長、總長與現場使用量最大的圖號SC319一致，通過調整尖軌尖端到道岔始端的距離、導曲線理論始端距直股鋼軌工作邊相離值、導曲線理論終端距轍叉側股工作邊相離值來優化尖軌直線段長度及半切點軌頭厚度，提高尖軌耐磨性，延長其使用壽命。

2）采用刨切直基本軌加寬曲尖軌5 mm技術，使曲尖軌前端迅速粗壯，提高耐磨性和使用壽命。

3）尖軌根端采用彈性可彎結構，取代以往根端活接頭式結構，減少尖軌根端病害和現場養護維修工作量。

4）設計復合材料岔枕，該岔枕具有力學性能好、使用壽命長、質量輕、耐絕緣、耐腐蝕、少維護、可100%回收等優點，為現場鋪設、木枕更換提供另一種選擇方案。

5）設計合金鋼轍叉，表面硬度可達38～45 HRC，室溫沖擊韌性≥70 J/cm2（20℃），通過質量約為200 Mt，通過質量約為高錳鋼整鑄轍叉的2倍，性價比高。

城市軌道交通50 kg/m鋼軌7號單開道岔結構優化能有效延長道岔使用壽命，提高列車過岔平穩性。隨著我國城市軌道建設的蓬勃發展，優化后的50 kg/m鋼軌7號單開道岔將會有廣闊的應用前景。