新型悬挂式单轨交通道岔系统结构设计与研究

王 双，张颖晖，王 朋，张 坤

（中铁工程机械装备研究设计院有限公司，湖北武汉 430066）

0 引言

随着国内各大城市人口的不断增长、社会经济的飞速发展，人们对公共交通的需求越来越大，城市的可持续发展对公共交通的要求越来越苛刻，在满足人们出行需求且不阻碍城市可持续发展的前提下，悬挂式轨道交通渐渐出现在人们的视野。

悬挂式单轨交通并非是一种全新的轨道交通运输形式。1903年，世界第一个悬挂式轨道交通系统在德国伍珀塔尔市全线通车，全长13.3 km。1984年，自动化的现代悬挂式空中列车系统在德国多特蒙德开始运营，并且在1993年进行了系统的扩建与更新，现已建成两条悬挂式空中列车交通线。2002年，德国又建成开通了杜塞尔多夫空中列车线。1970年和1988年日本先后开通了湘南线和千叶线。

悬挂式轨道交通系统主要由支柱、轨道梁、道岔系统、机车车辆和通讯信号等组成。其中核心技术的研究主要集中在轨道梁、车辆的转向架和道岔系统。

1 悬挂式轨道交通道岔分类

（1）整体移动式道岔梁。整体移动式道岔梁是根据国内既有常规铁路和跨座式单轨交通的道岔形式演变而来。主要由根据道岔线型预制的直线梁和曲线梁组合而成。

从原理上讲，整体移动式道岔梁结构设计简单，制作方便，成本较低，动作单一，但体积庞大，安装及运输困难，不宜推广。

（2）梯子型辙叉道岔。梯子型辙叉道岔主要由道岔梁、梯子型长心轨和短心轨组成。其转辙原理与铁路道岔可动心轨类似，是通过在箱型轨道梁内的长短心轨的摆动，改变列车的行驶方向，早期在悬挂式单轨交通系统广泛应用，现已逐渐被倒T形辙叉道岔所取代。

（3）倒T形辙叉道岔。倒T形辙叉道岔主要由可动轨、修正轨、被动轨以及其他动力装置组成。其转辙原理与梯子型辙叉道岔基本相同，但结构细节方面存在较大差异，日本的湘南线和千叶线均采用该形式的道岔，运行稳定可靠，技术含量较高，存在技术垄断。

2 新型悬挂式单轨交通道岔

本文研究目的主要是：通过结构设计的研究和分析，掌握悬挂式单轨交通道岔的关键技术，着力解决当前道岔形式存在的车辆通过道岔时的受力不均状态，并提出可行性建议方案，用以改善梁体受力均衡性及车辆转向架的平稳性，进而提高车辆通过道岔时的速度、乘坐的舒适度和安全性。

2.1 结构方案

上述梯子型辙叉道岔与倒T形辙叉道岔虽满足运营线路使用要求，但两者都有一定的缺陷。梯子型辙叉道岔方案中，转向架走行时靠近长心轨处的走行轮处于悬空状态；而倒T形辙叉道岔方案中虽然解决了这一问题，但由于可动轨底板在水平摆动时重叠在箱梁走行面的上方，与另一侧的走行面形成了一定的高度差，因此车辆驶过道岔时会使得转向架产生一定的倾斜，同时车厢产生振动，对道岔梁产生冲击，影响乘坐舒适性。基于上述问题的考虑，设计开发一种新型的悬挂式单轨交通道岔系统用以解决和改善当前存在的问题，同时打破国外的技术垄断是必要的。

新型悬挂式轨道交通系统主要由道岔梁、可动轨、被动轨、补偿轨、修正轨、动力系统、控制系统以及锁闭机构等组成（图 1）。

图1 新型悬挂式轨道交通系统

（1）可动轨。可动轨是道岔用以实现改变线路功能的主要结构。它采用倒T形结构，中间部分为导向板，两翼为走行面板。其直线侧走行面板为直线，岔线侧走行面板为曲线。

（2）被动轨。是可动轨导向面板的延伸，用以连接可动轨的导向面板和道岔梁的导向面板，实现转向架导向轮从钢梁侧导向面到可动轨导向面的平滑过渡。

（3）补偿轨。用于补偿由于可动轨摆动侵占转向架走行轮行走踏面而造成的踏面衔接处水平间隙和高差。也是本方案有别于其他道岔的关键创新点。

（4）修正轨。用于修正可动轨行走轨道和道岔梁行走轨道之间的线性差。

（5）驱动装置。用于驱动可动轨摆动、补偿轨平移、修正轨转动、锁定装置锁定等提供动力。

（6）控制系统。包括驱动控制、锁定控制、状态检测等，并与信号系统实现连锁，保证道岔系统能够安全、高效地运行。

（7）锁闭装置。锁定装置是道岔安全性和可靠性的重要保证。采用锁定压板（销）的锁定方式，通过磁力驱动锁定压板（销），实现道岔的解锁和闭锁。

道岔采用电控装置（设独立控制箱）进行道岔转换，在电控装置出现紧急情况后，采用人工备用模式。

2.2 工作原理

本道岔系统与倒T形辙叉道岔系统工作原理类似，但是由于在倒T形辙叉道岔系统的基础上增加了补偿轨，又与倒T形辙叉道岔系统的工作原理有所差异。当列车转向架从轨道交通道岔直线侧转入岔线侧时，道岔梁内部构件的工作步骤如下。

（1）正线侧补偿轨锁定装置（磁力压板）解除对补偿轨走行面的压紧。

（2）正线侧补偿轨向外侧平移，为可动轨走行板让开位置。

（3）岔线侧可动轨锁定装置（磁力压板）解锁（即解除对可动轨走行面的压紧）。

（4）道岔驱动装置转动拨叉，带动可动轨、被动轨共同向正线侧摆动，从而让开可供车辆在岔线侧通过的位置。

（5）摆动到位后，正线侧可动轨锁定装置（磁力压板）压紧可动轨走行面，锁定可动轨的空间位置。

（6）岔线侧补偿轨向内侧平移，到达曲线补偿位置。

（7）岔线侧补偿轨锁定装置（磁力压板）压紧补偿轨走行面，锁定在岔线侧补偿轨的空间位置。

（8）两侧修正轨锁定装置（磁力压板）解除对修正轨走行面的压紧。

（9）两侧修正轨转动，到达曲线修正位置。

（10）两侧修正轨锁定装置（磁力压板）压紧修正轨走行面，对两侧修正轨进行锁定。

（11）此时可动轨曲线侧、被动轨曲线侧、补偿轨曲线侧、修正轨与梁体共同提供车辆通过道岔曲线所需的走行面和导向面。

（12）控制系统PLC检测传感器发来的信号，确认位置正确、锁定可靠后，发出允许岔线通过的行车信号。

同理，当列车从岔线侧转入直线侧时也可按照相应步骤安全、平稳的通过道岔。

2.3 技术参数（表1）

表1 道岔梁技术参数

2.4 相关计算

（1）道岔梁有限元计算。本次计算使用通用有限元计算软件ANSYS进行计算校核，道岔梁主要结构为钢板焊接而成，因此选用SHELL63板单元进行模拟。由于道岔梁的受力情况随着车辆的位置改变而改变，因此考虑最危险情况计算，即转向架中心与可动轨中心重合。计算结果见表2，由表2可知，最大应力值为271 MPa，最大静挠度为10.693 mm。道岔梁整体结构均采用Q370q桥梁钢，其许用应力为370/1.5=247 MPa，需要在应力集中处进行局部补强。

（2）可动轨有限元计算。可动轨主要由钢板拼焊而成，因此选用SHELL 63单元对钢板进行模拟。前后回转轴提供Z向约束，2个转向架4个车轮载荷（单个2.65 t）作用在轨道面上4个位置，转向架单个轮子作用在可动轨后边缘。计算结果见表3。由ANSYS模拟结果，最大应力值为249.432 MPa，最大静挠度为2.545 mm。模板结构均采用Q370材料型钢，许用应力为3370/1.5=247 MPa，由于本次计算将车轮载荷简化为集中载荷，存在单点应力集中，经局部处理后满足要求。

表2 计算结果

表3 计算结果

2.5 特点

新型悬挂式单轨交通道岔系统实为在倒T形辙叉道岔系统的基础上改进而成。提出了补偿轨的概念，切实的解决了梯子型辙叉道岔导向面不完全连续以及倒T形辙叉道岔走行轮踏面不完全连续和存在高差的问题，由此转向架不再发生倾斜，导向轮对箱梁不再发生冲击，使整个系统运行更加平稳，车辆过岔速度得到提升，大大降低了安全风险，并且提高了乘车的舒适性。

3 结束语

对现存悬挂式单轨交通道岔系统原理进行简要介绍，对比其优缺点，找出技术难点和问题所在，经分析论证之后，提出了新型的悬挂式单轨交通道岔系统的设计原理和思路。首次提出了补偿轨的概念，用以解决当前悬挂式单轨交通道岔系统存在的主要问题。简要提及道岔系统关键结构件道岔梁的力学计算方法，旨在辅助技术研究人员用以对梁体的强度的计算分析和借鉴。新型悬挂式单轨交通道岔的研制成功将填补我国悬挂式单轨交通道岔系统技术研发领域的空白，为解决国内交通拥挤问题做出巨大贡献。