牛均寬，王紅霞

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006)

中低速磁浮交通小線間距單渡線道岔設(shè)計(jì)研究

牛均寬，王紅霞

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006)

為了減小中低速磁浮交通單渡線道岔區(qū)線路的線間距，降低工程總體造價，研究設(shè)計(jì)一種小線間距單渡線道岔。詳細(xì)介紹這種小線間距單渡線道岔設(shè)計(jì)的完整思路和隨動移梁裝置、梁端抬軌裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并闡述防止單渡線道岔轉(zhuǎn)動時梁端對接不發(fā)生干涉的方法及梁間合理的預(yù)留間隙。該設(shè)計(jì)采用UG軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)轍驅(qū)動仿真模擬，為中國首條中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營示范線工程化設(shè)計(jì)提供技術(shù)保障，為其他新型城市軌道交通制式小線間距道岔的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)理念和方法。

中低速磁?。粏味删€道岔；小線間距；隨動裝置

1 概述

跨座式單軌交通系統(tǒng)以重慶2號線、3號線為代表，高速磁浮軌道交通系統(tǒng)以上海龍陽路到浦東機(jī)場線為代表、中低速磁浮軌道交通系統(tǒng)以北京S1線為代表，其共同特點(diǎn)是車輛采用不同制式騎跨在一根線路軌道梁上[1]，線路可以低置，也可以高架，在城市內(nèi)選址比較靈活，多用于解決城市內(nèi)旅客的出行問題。本文討論的城市軌道交通系統(tǒng)即指由單根軌道梁承擔(dān)車輛運(yùn)行的軌道交通模式。隨著城市軌道交通走向成熟及建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，線路中的道岔設(shè)計(jì)已經(jīng)逐步向系列化方向發(fā)展。線路中包含了單開、三開、單渡線、交叉渡線等多種道岔類型，既能輕松完成車輛的轉(zhuǎn)轍換線，又能實(shí)現(xiàn)車輛在線路上的折返、會讓、摘掛等運(yùn)營需求。

城市軌道交通系統(tǒng)的單渡線道岔通常是由2組單開道岔和中間垛梁組合形成。以北京S1線上圖1所示的中低速磁浮單渡線道岔為例，中間有垛梁2時，無論道岔轉(zhuǎn)到直線位還是側(cè)線位時都要能保證車輛過岔的3種限界要求，這樣道岔的線間距就應(yīng)足夠?qū)?，即線間距K不能小于2×半梁寬+車寬+2S(安全間隙)，北京S1線中低速磁浮單渡線道岔的線間距K=6.23 m。對于修在城市里的軌道，過寬的線間距缺點(diǎn)是顯然的：首先土地占用面積大[2]；其次車站為適應(yīng)道岔要建造得很大，影響美觀；另外為了和線路對接岔前和岔后需要設(shè)置緩和曲線[3]，影響車輛運(yùn)行速度。因此根據(jù)工程需要研究設(shè)計(jì)一種小線間距的單渡線道岔，以適應(yīng)道岔區(qū)線路設(shè)計(jì)的需要，從而以圓滿消除道岔區(qū)線間距過大造成的諸多弊端。

圖1 常規(guī)間距單渡線道岔結(jié)構(gòu)布局(單位：m)

2 小線間距單渡線道岔方案設(shè)計(jì)

中低速磁浮交通小線間距單渡線道岔設(shè)計(jì)方案：如圖2所示，采用2個單開道岔對接，去掉中間垛梁，線間距由6.23 m縮小為4.6 m。車輛在道岔直線位完全滿足車輛通過的限界要求[4，5]，并能安全通過道岔[6]；車輛在側(cè)線位置時無法通過，為此設(shè)計(jì)增加道岔避讓梁，將原本固定的梁3設(shè)計(jì)為可移動梁，移開一定距離滿足車輛過岔對于線間距需求，這樣側(cè)線位車輛也可以通過。道岔的運(yùn)動過程是單渡線道岔向側(cè)線位轉(zhuǎn)動，避讓梁移開，側(cè)線位接通；單渡線道岔向直線位轉(zhuǎn)動，避讓梁轉(zhuǎn)回到直線位，直線位接通。

圖2 小線間距單渡線道岔結(jié)構(gòu)布局(單位：m)

3 隨動移梁裝置設(shè)計(jì)

移動避讓梁，需要動力，考慮了2套設(shè)計(jì)方案：方案一在2個避讓梁下方安裝驅(qū)動電機(jī)[7]、減速器、曲臂等裝置，并在道岔平臺上設(shè)置驅(qū)動預(yù)埋基礎(chǔ)；方案二由于道岔主梁的運(yùn)動方向和對應(yīng)避讓梁的運(yùn)動方向相同，道岔梁向側(cè)向位轉(zhuǎn)動的同時，避讓梁向同側(cè)讓開，道岔梁向直向位轉(zhuǎn)動的同時，避讓梁回到直線位，據(jù)此設(shè)計(jì)了一套隨動移梁裝置如圖3所示，借著道岔主梁轉(zhuǎn)動驅(qū)動，通過隨動裝置帶動避讓梁轉(zhuǎn)動。由于方案二結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，因此本文做重點(diǎn)介紹。

圖3 小線間距單渡線道岔隨動移梁裝置連接示意(單位：m)

3.1 隨動移梁裝置的動作原理

隨動移梁裝置采用連桿機(jī)構(gòu)原理，如圖4中上圖表示道岔的直線位置，下圖表示道岔轉(zhuǎn)到的側(cè)線位置。設(shè)計(jì)研究時采用UG運(yùn)動仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動位置和機(jī)構(gòu)連接關(guān)系的精確模擬。分析時根據(jù)設(shè)計(jì)連接副定義如下：道岔梁1、避讓梁2、隨動連桿3與地面鉸接；推桿4和道岔梁1、隨動連桿3鉸接；推桿5和隨動連桿3、避讓梁2鉸接。動作原理如下：當(dāng)?shù)啦砹?轉(zhuǎn)動時，道岔梁1推動推桿4，推桿4推動隨動連桿3轉(zhuǎn)動，隨動連桿3推動推桿5，推桿5推動避讓梁2轉(zhuǎn)動。當(dāng)?shù)啦砹恨D(zhuǎn)到側(cè)向位時，避讓梁2同時被推開，側(cè)線位接通。當(dāng)?shù)啦砹?由側(cè)向位轉(zhuǎn)回到直線位時，避讓梁2同時被拉回直線位，線路直線位被接通。通過計(jì)算模擬，合理設(shè)置隨動連桿3的長度和安裝位置，達(dá)到合理的避讓梁轉(zhuǎn)動距離，從而滿足車輛通過時要求的線間距。

圖4 隨動移梁裝置連接機(jī)構(gòu)

3.2 隨動移梁裝置結(jié)構(gòu)

隨動移梁裝置如圖5所示，1道岔梁連接架與道岔梁相連；5避讓梁連接架與避讓梁相連；7推桿Ⅰ一端通過鉸軸與1道岔梁連接架相連，7推桿Ⅰ另一端通過鉸軸與隨動連桿3相連；4推桿Ⅱ一端通過鉸軸與5避讓梁連接架相連，4推桿另一端通過鉸軸與隨動連桿3相連；隨動連桿3一端通過固定鉸軸安裝在基礎(chǔ)上，另一端放在支撐滾輪2上，支撐滾輪放在6圓形軌道上。

圖5 隨動移梁裝置結(jié)構(gòu)示意

4 對接梁轉(zhuǎn)動防干涉研究

4.1 道岔對接梁端間隙的研究

道岔是運(yùn)動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動時不能發(fā)生干涉現(xiàn)象，互相對接的梁與梁之間應(yīng)該留有一定的間隙。間隙過大會影響車輛運(yùn)行，間隙過小會發(fā)生干涉，因此如何將間隙設(shè)置在合理的范圍是應(yīng)考慮的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。梁端間隙由以下間隙組成。

(1)梁的熱脹冷縮間隙[8]m1：確定方法，首先應(yīng)根據(jù)碳鋼的線脹系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到一個理論值，這個理論值是基于鋼板材料得到的，由于道岔梁是焊接的箱體結(jié)構(gòu)，線脹系數(shù)與鋼板不完全相同，可能有一定誤差，但總體不會大于鋼板的熱脹冷縮值，這里按鋼板理論值選取。比如對于中低速磁浮道岔24 m的鋼梁，熱脹系數(shù)=10.6×10-6mm/℃，在-20～60 ℃的溫差變化下：m1=24 000×10.6×10-6×80=20.352 mm。

(2)對角干涉間隙m2：有一定寬度和長度的梁在轉(zhuǎn)動時為防止梁轉(zhuǎn)到對角時發(fā)生干涉，應(yīng)當(dāng)留出一定的干涉間隙，同樣以北京S1線中低速磁浮道岔24 m長、2.2 m寬的梁為例，按圖6用做圖法求出一端固定，一端活動梁對接的干涉間隙m2=23.3 mm；兩端均活動梁的干涉間隙m2=46.6 mm。

圖6 對角干涉間隙(單位：mm)

(3)保證間隙m3：保證間隙一般一根梁為5 mm，這個間隙主要考慮制造誤差、安裝誤差等造成的尺寸誤差，通過保證間隙的設(shè)置將誤差的影響予以排除。

(4) 總間隙m總

A：當(dāng)轉(zhuǎn)動梁與固定梁對接時，考慮工作溫度在-20～60 ℃，安裝時的環(huán)境溫度在0～40 ℃，總間隙m總=knm1+m2+m3，其中熱脹冷縮間隙按插值法計(jì)算，kn值為插值系數(shù)

中低速磁浮單開道岔已經(jīng)順利完成各項(xiàng)通車試驗(yàn)，預(yù)留的轉(zhuǎn)動梁與固定梁對接間隙已經(jīng)得到驗(yàn)證，不會影響車輛運(yùn)行，為了運(yùn)行安全上述間隙值作為今后設(shè)計(jì)的指標(biāo)值予以保證。

B：當(dāng)兩個轉(zhuǎn)動梁對接時總間隙為上述總間隙的兩倍。

4.2 小線間距單渡線道岔梁端間隙的縮小

單渡線道岔去掉中間垛梁以后就是2個轉(zhuǎn)動梁對接，符合上節(jié)B項(xiàng)間隙數(shù)值，在20 ℃安裝道岔的轉(zhuǎn)動間隙達(dá)到81.02 mm才能不發(fā)生干涉，中低速磁浮車輛不能允許有這么大的間隙[9]，制動塊會陷入間隙中，發(fā)生事故；對于其他單軌車輛這么大的間隙既影響車輛通過的平穩(wěn)性和安全性，因此應(yīng)當(dāng)想辦法將間隙縮小。

逐項(xiàng)分析間隙的消除辦法：首先熱脹冷縮間隙是必須保證的，無法消除，因?yàn)檫@屬于物理學(xué)的基本原理；其次對角干涉間隙，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以通過在梁轉(zhuǎn)動之前將梁端軌道抬起一定角度，使2個軌道不在同一個平面，就不會發(fā)生干涉，當(dāng)梁轉(zhuǎn)動到位之后再將軌道放下，達(dá)到消除對角間隙的目的，因此對角干涉間隙可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)消除。最后保證間隙m3屬于偶然誤差，一般也不能沒有。通過以上分析，在對角間隙消除的情況下，總間隙為C項(xiàng)。

C：當(dāng)兩個轉(zhuǎn)動梁對接，有抬軌道機(jī)構(gòu)，總間隙為m總=2knm1+2m3，通過計(jì)算可知在20 ℃安裝時間隙為34.42 mm，達(dá)到了小于40 mm的設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠滿足磁浮車輛通行的要求。

4.3 非同步轉(zhuǎn)動

當(dāng)2個轉(zhuǎn)動梁對接，如果不用抬軌機(jī)構(gòu)，采用2個梁不同步轉(zhuǎn)動的方案，即一個梁轉(zhuǎn)過之后另一個梁再轉(zhuǎn)，如果對時間要求不高、間隙可以適度放大的交通系統(tǒng)模式，采用對接梁非同步轉(zhuǎn)動的方案將會省掉抬梁機(jī)構(gòu)。

D：當(dāng)2個轉(zhuǎn)動梁對接，無抬軌道機(jī)構(gòu)，非同步運(yùn)轉(zhuǎn)，總間隙分m總=2knm1+2m2+2m3。

通過以上研究可以總結(jié)出表1作為設(shè)計(jì)參考。

表1 20 ℃安裝道岔梁對接間隙

5 活動端抬軌機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7所示，活動端抬起機(jī)構(gòu)由三部分組成：活動端抬軌2、 電動推桿3、限位開關(guān)4，活動端抬軌左端通過安裝在一組單開道岔梁端的鉸軸座鉸接、右端通過固定安裝在另一組單開道岔梁端的導(dǎo)向支撐軌連接，單渡線道岔通過電動推桿、限位開關(guān)在兩組單開道岔相互轉(zhuǎn)轍對接過程中實(shí)現(xiàn)活動端的翻轉(zhuǎn)抬起和對接位置檢測。

圖7 活動端抬軌機(jī)構(gòu)

6 結(jié)語

通過以上研究，完成了中低速磁浮交通小線間距單渡線道岔的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)是在為北京S1線中低速磁浮線解決工程實(shí)際需求開發(fā)完成的[10]，此單渡線道岔通過設(shè)計(jì)在不增加額外驅(qū)動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上只是增添簡單的隨動移梁機(jī)構(gòu)、抬軌機(jī)構(gòu)，在保證可靠性基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了小空間布局下的車輛過車需求的大位移大線間距要求。這樣車站布局簡單易行，岔前、岔后無需設(shè)置緩和曲線，線路選址可以更加靈活，更重要的是大大降低了工程的總體造價[11]。此項(xiàng)研究設(shè)計(jì)受到了業(yè)主和同行的高度認(rèn)可和評價，目前在北京S1線、長沙磁浮線2條中低速磁浮線路的單渡線道岔上推廣應(yīng)用，此設(shè)計(jì)其理念和經(jīng)驗(yàn)為其他新型制式城軌交通系統(tǒng)在寸土寸金的大都市[12]環(huán)境友好地推廣應(yīng)用必將產(chǎn)生較大影響。

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Design and Research on Single Crossover Turnout with Small Distance between Tracks for Medium-Low Speed Maglev Transit

NIU Jun-kuan， WANG Hong-xia

(China Railway Baoji Bridge Group Co.， Ltd.， Baoji 721006， China)

To minimize the distance between tracks in turnout area for single crossover of medium-low speed maglev transit lines and to reduce the overall project cost， a type of single crossover turnout with small distance between tracks is developed and designed. This paper introduces in detail the complete design concept and the design structure of follow-up beam-moving device and rail-lifting device at the beam end， and expounds the method to prevent the interference of beam end abutment when the single crossover turnout is switched， as well as the proper reserved clearance between beams. Turnout switching is simulated with UG software so as to provide technical support for engineering design of the first medium-low speed commercial maglev line in China， and also provide design concept and method for the design of turnout with small distance between tracks for other new urban rail transit systems.

Medium-low speed maglev; Single crossover turnout; Small distance between tracks; Follow-up device

2015-01-26；

2015-03-24

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2011KTCG01-02)

牛均寬(1971—)，男，高級工程師，1996年畢業(yè)于北京理工

大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:niujunkuan@126.com。

1004-2954(2015)11-0014-04

U237； U213.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.004