陳志輝,舒睿洪,楊吉忠,王堅(jiān)強(qiáng),王海波

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都 610031)

引言

山地齒軌軌道交通是一種適用于山區(qū)中短距離，可滿(mǎn)足40‰～480‰坡度的中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)[1-2]，齒輪齒軌之間的相互作用力可為齒軌列車(chē)提供額外的牽引及制動(dòng)力，減少了山區(qū)線(xiàn)路坡度對(duì)列車(chē)爬坡性能的影響[3]。隨著服務(wù)國(guó)家新型城鎮(zhèn)化建設(shè)及“交旅融合發(fā)展”倡議的實(shí)施，國(guó)內(nèi)規(guī)劃了宜賓竹海石海旅游線(xiàn)、彭白鐵路改建工程等多條山地旅游齒軌線(xiàn)路[4]，其中，都江堰至四姑娘山山地軌道交通扶貧項(xiàng)目已處于施工建設(shè)階段。齒軌交通憑借其爬坡能力強(qiáng)這一顯著特點(diǎn)，預(yù)計(jì)將在我國(guó)山地軌道交通中有著巨大的發(fā)展前景。

山地齒軌鐵路雖在國(guó)外投入使用已百余年，齒軌技術(shù)也已發(fā)展較為成熟，但在國(guó)內(nèi)實(shí)際大規(guī)模工程應(yīng)用，大多仍處于規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)或工程施工階段[5]。為加快齒軌交通的建設(shè)，相關(guān)學(xué)者已圍繞山地齒軌軌道交通關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了前期研究[6-10]。黃志相，余浩偉等[11-12]總結(jié)了齒軌鐵路的特點(diǎn)和應(yīng)用前景；蔡向輝等[13]提出了用于齒軌鐵路的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)；張乾等[14]分析了齒軌軌道與橋梁相互作用情況，提出了齒軌在梁縫的分配方式；趙冠闖等[15]分析了齒軌車(chē)輪動(dòng)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)列車(chē)重心高度對(duì)其運(yùn)行安全性影響較大。然而上述研究大多關(guān)于山地齒軌鐵路的選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，并未針對(duì)齒軌道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究。

齒軌道岔與傳統(tǒng)輪軌道岔存在較大差異，是山地齒軌交通軌道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。岔區(qū)可動(dòng)齒軌及其轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)作為齒軌道岔系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于齒軌鐵路安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，因此，亟待對(duì)此展開(kāi)深入研究。針對(duì)山地齒軌道岔可動(dòng)齒軌及其轉(zhuǎn)換系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出可行的齒軌道岔可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其開(kāi)展了動(dòng)、靜力學(xué)仿真分析，以期為山地齒軌軌道交通齒軌道岔工程設(shè)計(jì)及建設(shè)提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 齒軌道岔發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外早在1869年便在華盛頓山建立了世界第一條齒軌鐵路，至今已安全運(yùn)營(yíng)140余年，世界各國(guó)現(xiàn)已建成180余條齒軌鐵路投入使用[16]，總里程約3 000 km。其中，最負(fù)盛名的則屬瑞士少女峰齒軌鐵路，如圖1所示。該鐵路在服務(wù)當(dāng)?shù)芈糜纬鲂械耐瑫r(shí)，也逐漸發(fā)展成為特色旅游體驗(yàn)項(xiàng)目。

圖1 瑞士少女峰齒軌鐵路

1.1 齒軌結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展，齒軌系統(tǒng)現(xiàn)已形成十余種形式，應(yīng)用較為廣泛的主要有Marsh、Riggenbach、Strub、Abt及Locher齒軌系統(tǒng)[17-18]。Marsh及Riggenbach系統(tǒng)在早期應(yīng)用廣泛，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)維修量大；Locher系統(tǒng)適用于縱向坡度超過(guò)250‰的線(xiàn)路，但工程造價(jià)較高，最大線(xiàn)路適用坡度達(dá)480‰；Strub齒軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且坡度適應(yīng)性較高，工程經(jīng)濟(jì)性較好，近年來(lái)應(yīng)用逐漸增多。

1.2 齒軌道岔

齒軌道岔系統(tǒng)是齒軌鐵路軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵配套核心部分，同時(shí)也是齒軌系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)可靠性直接影響齒軌列車(chē)的安全運(yùn)行。目前，國(guó)外齒軌道岔主要分為齒軌覆蓋可分式、前端移動(dòng)式、翻轉(zhuǎn)式、整體平移式等，常用齒軌結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)如表1所示。

表1 齒軌道岔主要結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

2 岔區(qū)可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 齒軌覆蓋可分式齒軌道岔

綜合考慮道岔結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性及可靠性，選取齒軌覆蓋可分式單開(kāi)道岔作為研究對(duì)象。齒軌覆蓋可分式道岔的基本結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)輪軌道岔相似，但在傳統(tǒng)輪軌道岔的基礎(chǔ)上鋪設(shè)了齒軌結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由圖2可知，道岔區(qū)鋼軌是連續(xù)的，而齒軌在與鋼軌交叉的地方需進(jìn)行斷開(kāi)處理。同時(shí)，為保證齒軌列車(chē)鋼輪與鋼軌間的安全接觸以及轉(zhuǎn)向架牽引齒輪與齒軌間的準(zhǔn)確嚙合，岔區(qū)齒軌在齒軌可分區(qū)間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到相對(duì)鋼軌閉合或打開(kāi)狀態(tài)。

圖2 齒軌覆蓋可分式單開(kāi)道岔

由圖2可知，岔區(qū)可動(dòng)齒軌共有4根，鋼軌兩側(cè)的2根可動(dòng)齒軌為1對(duì)工作副。2組可動(dòng)齒軌需相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)至不同的工作位置，以保障齒軌列車(chē)在駛?cè)胫惫苫騻?cè)股軌道時(shí)輪軌與齒輪齒軌間均正常接觸。若針對(duì)每根或每組可動(dòng)齒軌單獨(dú)設(shè)置一套轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，則整體轉(zhuǎn)換系統(tǒng)較為復(fù)雜，且安全性較差。因此，基于該型齒軌道岔結(jié)構(gòu)形式，開(kāi)展一種可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)牽引、多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)的可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算研究。

2.2 可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖3所示，岔區(qū)可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)主要由連桿機(jī)構(gòu)和滑床板機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)4根可動(dòng)齒軌實(shí)現(xiàn)齒軌軌道轉(zhuǎn)換。如圖3(b)所示，連桿機(jī)構(gòu)主要由鉸座、調(diào)節(jié)頭1、調(diào)節(jié)頭2、L形連桿、中間連桿等組成，各桿件間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)單點(diǎn)牽引，多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)。鉸座焊接于輪軌外側(cè)，不僅為轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)提供支點(diǎn)，還可以安裝保護(hù)裝置以隔絕碎石道砟，避免道砟阻礙桿組運(yùn)動(dòng)。2個(gè)調(diào)節(jié)頭通過(guò)調(diào)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)位置來(lái)降低齒軌道岔加工及安裝誤差，避免因誤差過(guò)大導(dǎo)致可動(dòng)齒軌貼合不緊密危及行車(chē)安全。中間連桿兩端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與長(zhǎng)短連桿鉸接，而連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)T形板與可動(dòng)齒軌連接。

圖3 岔區(qū)可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)工作原理

如圖3(a)所示，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿與可動(dòng)齒軌1連接，動(dòng)作桿在收縮時(shí)帶動(dòng)可動(dòng)齒軌1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，可動(dòng)齒軌1通過(guò)連桿帶動(dòng)可動(dòng)齒軌4進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)?？蓜?dòng)齒軌4則通過(guò)調(diào)節(jié)頭及相關(guān)轉(zhuǎn)換桿牽引可動(dòng)齒軌3順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，可動(dòng)齒軌4通過(guò)短連桿帶動(dòng)可動(dòng)齒條2遠(yuǎn)離鋼軌方向轉(zhuǎn)動(dòng)。待可動(dòng)齒軌3與4達(dá)到密貼狀態(tài)，則轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)可動(dòng)齒軌1、2則處于打開(kāi)狀態(tài)，以保證鋼輪在直股內(nèi)側(cè)鋼軌上安全行駛。同理，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿開(kāi)始伸出時(shí)，則上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律相反，待可動(dòng)齒軌1、2達(dá)到密貼時(shí)，動(dòng)作桿停止運(yùn)動(dòng)。

3 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析

3.1 可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析

為校核本轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可靠性，避免在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)死點(diǎn)，使用ADAMS軟件建立齒軌道岔區(qū)可動(dòng)齒軌及其轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，如圖4所示。進(jìn)一步，基于該動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行齒軌道岔可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能分析。其中，滑床板動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)為0.2，并規(guī)定轉(zhuǎn)轍機(jī)在5 s內(nèi)完成指定動(dòng)作。

圖4 齒軌道岔動(dòng)力學(xué)仿真模型

通過(guò)齒軌道岔轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到連桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度及角速度如圖5所示。由圖5可知，在齒軌道岔可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換過(guò)程中，中間連桿運(yùn)動(dòng)平緩，未出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，因此，設(shè)計(jì)的連桿機(jī)構(gòu)不存在“死點(diǎn)”，可保證轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的安全可靠。

圖5 中間連桿轉(zhuǎn)動(dòng)情況

圖6為可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)主要部件在動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中的受力時(shí)間歷程。由圖6(a)可知，單根齒軌在滑床板處摩擦阻力為0.17 kN。由圖6(b)可知，在轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)時(shí)動(dòng)作桿受力最大，為0.7 kN，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)作桿受力為0.5 kN，這主要是由于可動(dòng)齒軌慣性較大不易改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致動(dòng)作桿啟動(dòng)時(shí)的受力遠(yuǎn)大于平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力。此外，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿最大受力小于GB/T 25338.1—2019《鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)第1部分：通用技術(shù)條件》定的最大轉(zhuǎn)化力6 kN[19]，因此，該轉(zhuǎn)轍機(jī)輸出力滿(mǎn)足要求?？蓜?dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)L形連桿受力如圖6(c)所示，轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)時(shí)最大受力為0.5 kN，平穩(wěn)轉(zhuǎn)換過(guò)程中受力為0.35 kN。

圖6 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)各主要部件受力時(shí)間歷程

3.2 連桿機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核

采用ANSYS軟件，建立主要連桿部件有限元模型。參考TB/T 2895—1997《道岔轉(zhuǎn)換阻力密貼力》[20]，傳統(tǒng)輪軌道岔最大密貼力為1.5 kN，故在L形連桿施加1.5 kN載荷對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，連桿機(jī)構(gòu)各部件應(yīng)力分析結(jié)果如圖7所示。連桿機(jī)構(gòu)所受最大等效應(yīng)力為138.89 MPa，低于普通鋼材許用應(yīng)力157 MPa，滿(mǎn)足構(gòu)件強(qiáng)度要求。

圖7 連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果

3.3 其他影響因素及預(yù)防措施

齒軌道岔系統(tǒng)的復(fù)雜性和組成元件多樣性導(dǎo)致其受外部因素影響較大。由于齒軌道岔處于自然環(huán)境下，沙土、灰塵、化學(xué)物質(zhì)、道砟及列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊等均會(huì)影響齒軌道岔的正常工作。為避免上述因素造成連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)卡滯現(xiàn)象，影響列車(chē)運(yùn)行安全，可對(duì)輪軌外側(cè)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)置保護(hù)裝置。

此外，連桿機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致可動(dòng)齒軌密貼不良、轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換力劇增，若不能及時(shí)檢測(cè)并處理連桿機(jī)構(gòu)的故障，易導(dǎo)致齒軌列車(chē)無(wú)法正常換軌，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)翻車(chē)事故。由于齒軌道岔具有4根可動(dòng)齒軌，而現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機(jī)表示桿僅能檢測(cè)2根可動(dòng)齒軌的狀態(tài)，不能全面監(jiān)測(cè)齒軌道岔的密貼狀態(tài)，為保證齒軌列車(chē)安全通過(guò)齒軌道岔，應(yīng)單獨(dú)布置密貼檢查器及傳感器全面監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)，避免齒軌道岔出現(xiàn)密貼不良現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有齒軌道岔結(jié)構(gòu)類(lèi)型和特點(diǎn)對(duì)比分析，以結(jié)構(gòu)安全簡(jiǎn)單、影響較小的齒軌覆蓋可分式道岔為研究對(duì)象，基于該型齒軌道岔形式提出了一種可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)牽引、多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)的岔區(qū)可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，并闡述了該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理。進(jìn)一步，對(duì)該道岔區(qū)可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換裝置開(kāi)展動(dòng)、靜力學(xué)有限元仿真分析，研究該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)力學(xué)性能、連桿機(jī)構(gòu)強(qiáng)度等安全性能指標(biāo)。主要得到以下結(jié)論。

(1)提出一種適用于岔區(qū)齒軌的連桿機(jī)構(gòu)，各桿件間通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，可實(shí)現(xiàn)4根可動(dòng)齒軌間的單點(diǎn)牽引、多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)，以達(dá)到不同的工作狀態(tài)，有效保證了齒軌列車(chē)在不同股道行駛安全。

(2)可動(dòng)齒軌轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有死點(diǎn)，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)作桿最大受力0.7 kN，低于轉(zhuǎn)轍機(jī)最大轉(zhuǎn)化力要求，動(dòng)作桿可正常工作。

(3)連桿機(jī)構(gòu)各部件所受最大等效應(yīng)力138.89 MPa，低于對(duì)應(yīng)容許應(yīng)力，連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(4)為保證齒軌道岔安全運(yùn)轉(zhuǎn)，有必要安裝密貼檢查器和傳感器等完善齒軌道岔密貼檢測(cè)手段，同時(shí)設(shè)置轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)保護(hù)裝置。