摘 要:小號碼道岔在城市軌道交通領域佔據主力市場,在城市軌道交通領域發揮着不可估量的作用。小號碼道岔設計應結合城市軌道交通的特點,合理地選擇未被平衡的離心加速度和線型,合理地計算其軌距加寬及解決自身的構造加寬問題。小號碼道岔跟端應當向彈性可彎方向發展。小號碼對稱道岔需要重新認識並重視起來。
關鍵詞:城市軌道;小號碼道岔;設計
爲緩解交通壓力,愈來愈多的大中城市開始大力發展城市軌道交通(諸如地鐵、高架輕軌等)。作爲軌道系統最薄弱環節的道岔,設計理念開始了新的轉變,不被國鐵重視的小號碼道岔在城市軌道交通領域卻佔據了主力市場,其中以9號、7號道岔爲代表,廣泛應用於各大城市軌道交通。9號道岔主要應用於城市軌道交通正線軌道,7號道岔主要應用於城市軌道交通車輛段及車場線。值得一提的是最近廣州城市軌道交通4號線大學城專線段又採用了5號道岔,大大節省了車輛段佔地面積。小號碼道岔在城市軌道交通領域發揮着不可估量的作用,重新被城市軌道交通設計及施工人員所認識。
小號碼道岔之所以被廣泛應用於城市軌道交通,與城市軌道交通的特點密不可分。城市軌道交通與國鐵相比,透過速度較低,所以小號碼道岔即可滿足;但旅客舒適度要求較高,即要求未被平衡的離心加速度較小。這裏需要說明的一點是合理地選擇未被平衡的離心加速度。《地鐵設計規範》(ＧＢ50157—2003)第6 2 8條規定:曲線的最大超高值爲120ｍｍ。當設定的超高不能滿足行車速度要求時,允許有不超過61ｍｍ的欠超高,即允許有0 4ｍ/ｓ2的未被平衡離心加速度。此處的未被平衡離心加速度是指正線,爲保證旅客舒適度而定的。而城市軌道交通用道岔主要是爲空載列車提供折返、停放、檢查、轉線及出入段作業設定的,不存在旅客舒適度問題。經測試Δ0=0.4～0.68ｍ/ｓ2時,旅客無不良感覺,國鐵採用Δ0=0 5ｍ/ｓ2。因此,地鐵道岔採用Δ0=0.5ｍ/ｓ2設計即可。
小號碼道岔的設計,雖然不像高速大號碼道岔那樣有複雜的線型,但作爲城市軌道交通的主力分子,線型的優劣直接影響旅客舒適度,所以要求道岔線型更加圓順。由此,國鐵中小號碼道岔所用的尖軌由直線線型在城市軌道交通中逐漸轉變設計爲曲線線型。然而,據上海地鐵9號道岔的使用情況調查,上海地鐵的半切線型彈性可彎式曲線尖軌(地岔211)僅使用了4個月,直線尖軌(國鐵)使用了24個月,均因磨耗超限下道。曲線尖軌磨耗嚴重,不管道岔使用工況是否特殊,就其原因主要還是道岔的尖軌線型不夠合理,需要進一步研究。目前,爲廣州城市軌道交通4號線大學城專線段所作的9號道岔是將尖軌線型由切線型改爲相離型,希望可以改變曲線尖軌磨耗嚴重的現象。因此,小號碼道岔的設計在方案謹慎合理比選的同時,還必須進行試製試驗。
在小號碼道岔的設計過程中,首先遇到的“難題”就是軌距加寬問題。之所以稱其爲“難題”並不是因爲軌距加寬值多麼難算,而是目前中國城市軌道交通市場有一個怪現象,那就是軌道工程總是比機車車輛先行,即“路”都建好了,還沒有“車”。作爲軌道設計本來就需要有機車車輛資料,尤其是有了輪對資料才能計算軌距加寬值,所以說它“難”。目前設計中只能還是以國鐵的設計思想,按照《地鐵設計規範》(ＧＢ50157—2003)的規定來進行經驗計算,這對小號碼道岔的設計十分不利。
小號碼道岔設計的另一個難題就是自身的構造加寬問題。主要發生在直線尖軌與曲基本軌的配合上,需要檢算最大軌距值是否超限。目前,道岔設計號數不大於12號的道岔,尤其是小號碼道岔,由於側向透過速度較低,加工上爲了便於保證直線尖軌與曲基本軌的密貼度,直線尖軌0～70ｍｍ斷面採用直線刨切,曲基本軌在直線尖軌70ｍｍ斷面以前彎折爲直線段。以這次剛剛設計的.5號道岔爲例(直線尖軌0～70ｍｍ斷面仍採用直線刨切),當尖軌尖端軌距加寬15ｍｍ後,曲基本軌在直線尖軌0～70ｍｍ斷面範圍內的最大矢度ｆ=4 5ｍｍ,最大軌距爲1454 5ｍｍ,已接近規定的最大軌距(1456ｍｍ)。可想而知,道岔號碼愈小,曲基本軌在直線尖軌0～70ｍｍ斷面範圍內的矢度愈大,有可能超限。換言之,在超限情況下,直線尖軌0～70ｍｍ斷面就不能再採用直線刨切,若採用曲刨又難以保證直線尖軌與曲基本軌的密貼度。所以,這也是道岔設計和製造人員今後需共同努力的地方。
城市軌道交通中應用的小號碼道岔不能簡單照搬國鐵,因爲兩者應用的條件不同,範圍亦不同。所以,在設計過程中應當充分考慮到城市軌道交通的特點。目前,小號碼道岔轉轍器跟端設計沿襲了國鐵設計,多爲間隔鐵式活接頭聯結設計,儘管城市軌道交通機車車輛較國鐵軸重輕,但其尖軌扳動較國鐵頻繁,跟端活接頭設計不利於尖軌的頻繁搬動,且國鐵線路已開始推廣採用跨區間無縫線路,取得了良好的使用效果。而城市軌道交通,至今還未見採用。由於地鐵線路溫差較小,採用跨區間無縫線路是非常有利的。爲此,今後的道岔設計應考慮適用於跨區間無縫線路,應當向跟端彈性可彎發展(國外小號碼道岔大多爲此設計)。當然,目前我國城市軌道交通中轉轍器跟端採用活接頭設計還是彈性可彎設計直接影響到道岔造價,具體來說主要是電務轉換設備造價。以9號道岔爲例,轉轍器跟端採用活接頭設計時,需用1套電務轉換裝置;若採用跟端彈性可彎設計時,由於尖軌長度較長,需用2套電務轉換裝置。這也是我國大多數城市軌道交通小號碼道岔中沒有采用跟端彈性可彎設計的主要原因。所以,很有必要研究小號碼道岔一點牽引的可行性。這對今後城市軌道交通小號碼道岔的發展方向有着非常積極重要的作用。
小號碼道岔設計看似簡單,實際在設計過程中,尤其採用跟端活接頭設計時,轍跟部分是個難點。道岔號碼越小,所用的零件越多,所以設計者不僅要細心,還需要有足夠的耐心。以這次剛剛設計的5號道岔爲例,由於道岔號數小,半徑只有65ｍ,在轉轍器轍跟處,彎曲矢度大,光是鋼軌墊圈就用了8種,所以這個地方設計時很容易遺漏東西。這也是小號碼道岔設計的特別之處,應該引起設計人員的足夠重視。
特別要指出的是小號碼道岔家族中還有一個重要的成員就是小號碼對稱道岔,長期以來被人們所忽視。尤其在存車線及折返線設計時,過去大多采用的是9號單開道岔的渡線,而國外城軌交通軌道連接道岔號數的採用比較靈活,例如德國,兩正線間設存車線時多用對稱道岔。採用對稱道岔,縮短道岔咽喉區的長度,能夠降低地鐵的工程造價,減少維修成本,有利於行車安全,而且有利於車輛段、停車場的佈置,能夠節約用地,充分發揮土地的使用效能。當然,爲了適應提高折返線過岔速度的需求,提高運能對稱道岔需進行特殊設計(例如要採用曲線型尖軌和曲線型固定轍叉等)。曾經有人計算過,以在車站正線間設定線間距爲4ｍ的存車線爲例,採用4 5號對稱道岔佈置道岔咽喉較目前常用的9號單開道岔佈置道岔咽喉,其長度可縮短32ｍ,地下車站可節約投資350萬元,高架車站可節約投資100萬元。所以,號碼對稱道岔需要重新認識並重視起來。
總之,小號碼道岔日益被從事城市軌道交通設計及施工人員所重視,作爲設計者很有必要對其進行學習研究,不斷優化設計,使我國城市軌道交通小號碼道岔邁上一個新臺階。
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