有轨电车用50 kg/m钢轨曲线对称道岔设计

李 文 博

(中铁宝桥集团有限公司，陕西 宝鸡 721006)

1 概述

有轨电车是由电气牵引轮轨导向的低地板式电动车辆，运行在专用轨道上，采用平交道口和优先信号的中低运量的轨道交通系统，拥有低碳环保、舒适新颖和经济性的特点。有轨电车道岔主要运营在城市内，道岔一般埋于路面内，轨顶面与路面平齐，要求道岔应尽量的少维护或免维护。

我国有轨电车用道岔型号以槽型轨或工字轨3号道岔、槽型钢轨6号道岔；槽型轨或工字轨直曲交叉、菱形交叉、梳状道岔为主。有轨电车小号码道岔曲线半径小，其转辙器结构和轮轨接触关系比较复杂，机车车辆在小号码道岔上的脱轨风险远大于大号码道岔。

本次为文山普者黑有轨电车项目设计的50 kg/m钢轨曲线对称道岔，导曲线半径25 m，号数仅为2.7号，为我国国内目前最小号码的道岔。在道岔设计时，综合考虑平面线型、安全、养护维修等各个方面，对道岔的平面线型、结构进行了创新设计，确保曲线对称道岔安全可靠，养护维修简便。

2 道岔主要设计输入参数

2.1 设计输入参数

50 kg/m钢轨曲线对称道岔设计时本着安全可靠、便于维护的目标，道岔应符合TB/T 412—2014标准轨距铁路道岔技术条件的规定，道岔容许速度不大于10 km/h，道岔采用道岔轨距为1 440 mm(轨顶面以下14 mm测量)，即在1 435轨距的基础上，在尖轨尖端进行了5 mm轨距加宽；道岔全长L=8 373 mm，前长1 323.5 mm，后长7 054.5 mm。道岔轨下基础采用混凝土长岔枕和有砟道床。主要几何尺寸及相关参数见表1，图1。

表1 道岔主要设计输入参数

2.2 主要控制参数

根据TB/T 2477—2006中规定，客货共线道岔侧向容许通过速度应满足：动能损失最大容许值ω0=0.65 km2/h2,未被平衡离心加速度容许值α0=0.4 m/s3, 未被平衡离心加速度增量ψ0=0.4 m/s3。

2.2.1动能损失

其中，ω0按0.65 km2/h2取值;βc为撞击部位冲击角，(°)；V为列车运行速度，本次取值为10 km/h。

经计算，线型设计时确定的尖轨冲击角度为2.396 8°<4.624 35°，动能损失满足要求。

2.2.2未被平衡的离心加速度

未被平衡的离心加速度计算公式：

α=V2/(3.62×R)=102/(3.62×25)=0.31 m/s2。

其中,V为列车运行速度，本次取值为10 km/h；R为导曲线半径，本次取值为25 m。

2.2.3未被平衡的离心加速度增量

未被平衡离心加速度增量计算公式：

ψ=V3/(3.63×R×l)；

ψ=103/(3.63×25×8)=0.11 m/s3。

其中，l为车辆全轴距，按8 m取值。

因此，在确定道岔平面线型时，必须使各项参数不超过规定的限度，即满足：α≤α0，ω≤ω0，ψ≤ψ0，经检算，动能损失、未被平衡离心加速度、未被平衡离心加速度增量及冲击角均满足限值要求。

3 道岔平面线型及结构设计

3.1 对称道岔平面线型设计

道岔线型设计主要依据线路设计专业提供的1∶1线路图，在提高尖轨粗壮度，尖轨尖端取在轨头宽度2 mm处；道岔平面线型设计参数详见表2。

表2 道岔设计输入设计参数

3.2 对称道岔转辙器设计

3.2.1转辙器布置图设计

基本轨采用50 kg/m钢轨制造，尖轨采用50AT1合金钢钢轨制造，防脱轨装置采用合金钢钢板加工制造而成。尖轨、基本轨及防脱轨装置通过垫板安装固定在混凝土岔枕上。转辙器布置图如图2所示。

3.2.2转辙器区域设置防脱轨装置布置

为达到解决有轨电车在尖轨处脱线问题，在对称道岔尖轨处设置防脱轨装置。防脱轨装置按照双侧设计，对称布置，防脱轨装置轮缘槽设置开口段、缓冲段、平直段，其中平直段与基本轨保持29 mm轮缘槽区段，缓冲段开口值为52 mm，开口段开口值为65 mm。防脱轨装置改变车轮运行轨迹，防止车轮与尖轨小断面接触，可提高尖轨寿命。有效降低有轨电车在尖轨小断面掉道脱线的风险。防脱轨装置具体详见图3，图4。

3.2.3防脱轨装置仿真计算

为了验证防脱轨装置设计的可靠性对其进行了仿真分析，计算时对模型进行了合理简化，本次计算截取转辙器轮缘槽宽度为29 mm(即防脱器平直段)的一部分建立基本轨、防脱器、车轮、防脱器垫板、防脱器滑床板等结构的三维几何模型，橡胶垫板及扣件均采用弹簧模拟，几何模型如图5所示。

材料参数：采用弹塑性材料模型，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.29，密度为7.85×10-9t/mm3，屈服强度为900 MPa。

边界条件：板下橡胶垫板采用面弹簧模拟，弹簧一端与垫板连接，一端全约束。

本次计算中，车轮踏面与基本轨、车轮与防脱器、防脱器与防脱器支承架等零件之间的相互作用采用标准接触模拟，摩擦系数取0.3。

加载参数：列车过岔速度不大于10 km/h，动载系数取3，单侧车轮承受的竖向力为187.5 kN(轴重12.5 t)。单侧车轮承受的横向力为56.25 kN。板下胶垫静刚度为60 kN/m，轨下胶垫静刚度为200 kN/m。计算过程如图6～图10所示。

通过计算得出防脱轨装置最大等效应力为82.67 MPa，最大位移为0.12 mm，防脱器受到的最大水平应力为9.25 MPa，由最大水平应力计算得到防脱器受到的横向力为40.05 kN，远远小于材料的强度限值，设计合理。

3.2.4弹性可弯尖轨设计

本次设计的对称道岔尖轨长度较短，弹性可弯尖轨最主要问题是扳动力大的问题，根据不同工况对扳动力进行了计算(见表3)。

表3 不同工况的扳动力计算表

由以上模拟计算可以看出，随着弹性可弯段加长，扳动力逐渐减小，但不足位移会增大。随着动程的减小，扳动力减小，不足位移随之减小，本次采用工况5进行设计。通过对道岔的试制试铺和电务转换试验，证明模拟计算的结果符合扳动力的要求。

3.2.5跟端限位结构的设计

由于小号码道岔采用弹性可弯尖轨后，跟端支距过大，在基本轨上安装顶铁，顶铁长度过长，受力状况较差，故普通顶铁结构不能满足道岔结构的设计要求。本次针对小号码的弹性可弯尖轨进行了优化设计，将顶铁固定在道岔的滑床板上，一方面可以起到滑床板的作用，另一方面可起到保持道岔跟端支距离的作用，具体如图11所示。

3.3 辙叉及护轨设计

3.3.1合金钢辙叉设计

为提高有轨电车辙叉的耐磨性，本次辙叉采用合金钢辙叉。合金钢辙叉采用分层焊接结构，上层为NM400合金钢钢板，下层为普通结构钢，辙叉两头加工成50 kg/m标准钢轨，与线路钢轨进行夹板连接，具体如图12所示。

3.3.2辙叉及护轨设计

轨采用分开式槽型护轨，采用UIC33槽型钢制造，护轨顶面高出导轨顶面12 mm，护轨内侧采用弹性夹扣压钢轨，如图13所示。

4 扣件系统及岔枕设计

扣件均采用B型弹条分开式弹性扣件系统。岔枕采用与提速道岔相同的岔枕结构，顶面宽260 mm，底面宽300 mm，高度220 mm，岔枕上预埋塑料套管。有砟道床时轨下及辙叉下胶垫为5 mm，板下胶垫为10 mm。具体如图14，图15所示。

5 结语

有轨电车用50 kg/m钢轨曲线对称道岔导曲线半径为25 m，道岔号数为2.7号，本次曲线对称道岔的研发成功，有效解决了有轨电车车辆基地咽喉区域车辆进入车库的需要。尖轨处防脱轨装置的设计有效避免了小号码道岔的脱轨事故的发生，尖轨及辙叉采用合金钢材质，有效的延长了道岔的使用寿命。该道岔的设计成功为其他项目有轨电车用小号码道岔的设计提供了参考和借鉴经验，可在有电车道岔领域推广应用。