中低速磁浮交通小线间距单渡线道岔设计研究

牛均宽，王红霞

(中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡 721006)

中低速磁浮交通小线间距单渡线道岔设计研究

牛均宽，王红霞

(中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡 721006)

为了减小中低速磁浮交通单渡线道岔区线路的线间距，降低工程总体造价，研究设计一种小线间距单渡线道岔。详细介绍这种小线间距单渡线道岔设计的完整思路和随动移梁装置、梁端抬轨装置的设计结构，并阐述防止单渡线道岔转动时梁端对接不发生干涉的方法及梁间合理的预留间隙。该设计采用UG软件进行转辙驱动仿真模拟，为中国首条中低速磁浮商业运营示范线工程化设计提供技术保障，为其他新型城市轨道交通制式小线间距道岔的设计提供设计理念和方法。

中低速磁浮；单渡线道岔；小线间距；随动装置

1 概述

跨座式单轨交通系统以重庆2号线、3号线为代表，高速磁浮轨道交通系统以上海龙阳路到浦东机场线为代表、中低速磁浮轨道交通系统以北京S1线为代表，其共同特点是车辆采用不同制式骑跨在一根线路轨道梁上[1]，线路可以低置，也可以高架，在城市内选址比较灵活，多用于解决城市内旅客的出行问题。本文讨论的城市轨道交通系统即指由单根轨道梁承担车辆运行的轨道交通模式。随着城市轨道交通走向成熟及建设规模的不断扩大，线路中的道岔设计已经逐步向系列化方向发展。线路中包含了单开、三开、单渡线、交叉渡线等多种道岔类型，既能轻松完成车辆的转辙换线，又能实现车辆在线路上的折返、会让、摘挂等运营需求。

城市轨道交通系统的单渡线道岔通常是由2组单开道岔和中间垛梁组合形成。以北京S1线上图1所示的中低速磁浮单渡线道岔为例，中间有垛梁2时，无论道岔转到直线位还是侧线位时都要能保证车辆过岔的3种限界要求，这样道岔的线间距就应足够宽，即线间距K不能小于2×半梁宽+车宽+2S(安全间隙)，北京S1线中低速磁浮单渡线道岔的线间距K=6.23 m。对于修在城市里的轨道，过宽的线间距缺点是显然的：首先土地占用面积大[2]；其次车站为适应道岔要建造得很大，影响美观；另外为了和线路对接岔前和岔后需要设置缓和曲线[3]，影响车辆运行速度。因此根据工程需要研究设计一种小线间距的单渡线道岔，以适应道岔区线路设计的需要，从而以圆满消除道岔区线间距过大造成的诸多弊端。

图1 常规间距单渡线道岔结构布局(单位：m)

2 小线间距单渡线道岔方案设计

中低速磁浮交通小线间距单渡线道岔设计方案：如图2所示，采用2个单开道岔对接，去掉中间垛梁，线间距由6.23 m缩小为4.6 m。车辆在道岔直线位完全满足车辆通过的限界要求[4，5]，并能安全通过道岔[6]；车辆在侧线位置时无法通过，为此设计增加道岔避让梁，将原本固定的梁3设计为可移动梁，移开一定距离满足车辆过岔对于线间距需求，这样侧线位车辆也可以通过。道岔的运动过程是单渡线道岔向侧线位转动，避让梁移开，侧线位接通；单渡线道岔向直线位转动，避让梁转回到直线位，直线位接通。

图2 小线间距单渡线道岔结构布局(单位：m)

3 随动移梁装置设计

移动避让梁，需要动力，考虑了2套设计方案：方案一在2个避让梁下方安装驱动电机[7]、减速器、曲臂等装置，并在道岔平台上设置驱动预埋基础；方案二由于道岔主梁的运动方向和对应避让梁的运动方向相同，道岔梁向侧向位转动的同时，避让梁向同侧让开，道岔梁向直向位转动的同时，避让梁回到直线位，据此设计了一套随动移梁装置如图3所示，借着道岔主梁转动驱动，通过随动装置带动避让梁转动。由于方案二结构简单、安全可靠，因此本文做重点介绍。

图3 小线间距单渡线道岔随动移梁装置连接示意(单位：m)

3.1 随动移梁装置的动作原理

随动移梁装置采用连杆机构原理，如图4中上图表示道岔的直线位置，下图表示道岔转到的侧线位置。设计研究时采用UG运动仿真软件，实现了运动位置和机构连接关系的精确模拟。分析时根据设计连接副定义如下：道岔梁1、避让梁2、随动连杆3与地面铰接；推杆4和道岔梁1、随动连杆3铰接；推杆5和随动连杆3、避让梁2铰接。动作原理如下：当道岔梁1转动时，道岔梁1推动推杆4，推杆4推动随动连杆3转动，随动连杆3推动推杆5，推杆5推动避让梁2转动。当道岔梁转到侧向位时，避让梁2同时被推开，侧线位接通。当道岔梁1由侧向位转回到直线位时，避让梁2同时被拉回直线位，线路直线位被接通。通过计算模拟，合理设置随动连杆3的长度和安装位置，达到合理的避让梁转动距离，从而满足车辆通过时要求的线间距。

图4 随动移梁装置连接机构

3.2 随动移梁装置结构

随动移梁装置如图5所示，1道岔梁连接架与道岔梁相连；5避让梁连接架与避让梁相连；7推杆Ⅰ一端通过铰轴与1道岔梁连接架相连，7推杆Ⅰ另一端通过铰轴与随动连杆3相连；4推杆Ⅱ一端通过铰轴与5避让梁连接架相连，4推杆另一端通过铰轴与随动连杆3相连；随动连杆3一端通过固定铰轴安装在基础上，另一端放在支撑滚轮2上，支撑滚轮放在6圆形轨道上。

图5 随动移梁装置结构示意

4 对接梁转动防干涉研究

4.1 道岔对接梁端间隙的研究

道岔是运动系统，转动时不能发生干涉现象，互相对接的梁与梁之间应该留有一定的间隙。间隙过大会影响车辆运行，间隙过小会发生干涉，因此如何将间隙设置在合理的范围是应考虑的技术关键点。梁端间隙由以下间隙组成。

(1)梁的热胀冷缩间隙[8]m1：确定方法，首先应根据碳钢的线胀系数进行计算，得到一个理论值，这个理论值是基于钢板材料得到的，由于道岔梁是焊接的箱体结构，线胀系数与钢板不完全相同，可能有一定误差，但总体不会大于钢板的热胀冷缩值，这里按钢板理论值选取。比如对于中低速磁浮道岔24 m的钢梁，热胀系数=10.6×10-6mm/℃，在-20～60 ℃的温差变化下：m1=24 000×10.6×10-6×80=20.352 mm。

(2)对角干涉间隙m2：有一定宽度和长度的梁在转动时为防止梁转到对角时发生干涉，应当留出一定的干涉间隙，同样以北京S1线中低速磁浮道岔24 m长、2.2 m宽的梁为例，按图6用做图法求出一端固定，一端活动梁对接的干涉间隙m2=23.3 mm；两端均活动梁的干涉间隙m2=46.6 mm。

图6 对角干涉间隙(单位：mm)

(3)保证间隙m3：保证间隙一般一根梁为5 mm，这个间隙主要考虑制造误差、安装误差等造成的尺寸误差，通过保证间隙的设置将误差的影响予以排除。

(4) 总间隙m总

A：当转动梁与固定梁对接时，考虑工作温度在-20～60 ℃，安装时的环境温度在0～40 ℃，总间隙m总=knm1+m2+m3，其中热胀冷缩间隙按插值法计算，kn值为插值系数

中低速磁浮单开道岔已经顺利完成各项通车试验，预留的转动梁与固定梁对接间隙已经得到验证，不会影响车辆运行，为了运行安全上述间隙值作为今后设计的指标值予以保证。

B：当两个转动梁对接时总间隙为上述总间隙的两倍。

4.2 小线间距单渡线道岔梁端间隙的缩小

单渡线道岔去掉中间垛梁以后就是2个转动梁对接，符合上节B项间隙数值，在20 ℃安装道岔的转动间隙达到81.02 mm才能不发生干涉，中低速磁浮车辆不能允许有这么大的间隙[9]，制动块会陷入间隙中，发生事故；对于其他单轨车辆这么大的间隙既影响车辆通过的平稳性和安全性，因此应当想办法将间隙缩小。

逐项分析间隙的消除办法：首先热胀冷缩间隙是必须保证的，无法消除，因为这属于物理学的基本原理；其次对角干涉间隙，根据设计经验，可以通过在梁转动之前将梁端轨道抬起一定角度，使2个轨道不在同一个平面，就不会发生干涉，当梁转动到位之后再将轨道放下，达到消除对角间隙的目的，因此对角干涉间隙可以通过结构设计消除。最后保证间隙m3属于偶然误差，一般也不能没有。通过以上分析，在对角间隙消除的情况下，总间隙为C项。

C：当两个转动梁对接，有抬轨道机构，总间隙为m总=2knm1+2m3，通过计算可知在20 ℃安装时间隙为34.42 mm，达到了小于40 mm的设计指标，能够满足磁浮车辆通行的要求。

4.3 非同步转动

当2个转动梁对接，如果不用抬轨机构，采用2个梁不同步转动的方案，即一个梁转过之后另一个梁再转，如果对时间要求不高、间隙可以适度放大的交通系统模式，采用对接梁非同步转动的方案将会省掉抬梁机构。

D：当2个转动梁对接，无抬轨道机构，非同步运转，总间隙分m总=2knm1+2m2+2m3。

通过以上研究可以总结出表1作为设计参考。

表1 20 ℃安装道岔梁对接间隙

5 活动端抬轨机构结构设计

如图7所示，活动端抬起机构由三部分组成：活动端抬轨2、 电动推杆3、限位开关4，活动端抬轨左端通过安装在一组单开道岔梁端的铰轴座铰接、右端通过固定安装在另一组单开道岔梁端的导向支撑轨连接，单渡线道岔通过电动推杆、限位开关在两组单开道岔相互转辙对接过程中实现活动端的翻转抬起和对接位置检测。

图7 活动端抬轨机构

6 结语

通过以上研究，完成了中低速磁浮交通小线间距单渡线道岔的设计。该设计是在为北京S1线中低速磁浮线解决工程实际需求开发完成的[10]，此单渡线道岔通过设计在不增加额外驱动机构的基础上只是增添简单的随动移梁机构、抬轨机构，在保证可靠性基础上实现了小空间布局下的车辆过车需求的大位移大线间距要求。这样车站布局简单易行，岔前、岔后无需设置缓和曲线，线路选址可以更加灵活，更重要的是大大降低了工程的总体造价[11]。此项研究设计受到了业主和同行的高度认可和评价，目前在北京S1线、长沙磁浮线2条中低速磁浮线路的单渡线道岔上推广应用，此设计其理念和经验为其他新型制式城轨交通系统在寸土寸金的大都市[12]环境友好地推广应用必将产生较大影响。

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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

陕西省科技统筹创新工程计划项目(2011KTCG01-02)

牛均宽(1971—)，男，高级工程师，1996年毕业于北京理工

大学机械设计与制造专业，工学学士，E-mail:niujunkuan@126.com。

1004-2954(2015)11-0014-04

U237； U213.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.004