地铁 提速 消噪 延寿 省土地 5大创新——我国著名道岔专家刘语冰教授系列化地铁道岔创新成果展示

来源:路讯

地铁 提速 消噪 延寿 省土地 5大创新——我国著名道岔专家刘语冰教授 系列化地铁道岔创新成果展示

  刘语冰教授工作简历

  中国交通运输协会新技术促进分会常务专家理事,原铁道部标准计量研究所副所长、原铁道部专业设计院轨道处总工程师。自1954年开始,先后在铁道部设计局定型设计事务所、铁道科学研究院和铁道部专业设计院从事铁路道岔的设计、科研和标准化工作。曾参与建国前从不同国家进口的道岔标准的简统工作;参与铁路恢复时期模仿国外的道岔设计工作;组织自主的道岔设计工作;组织自主的“六二型”和“七五型”道岔标准化工作;参与高锰钢整铸辙叉的研究和组织高锰钢整铸辙叉的系列设计工作;参与矮型特种断面钢轨的设计和主持矮型断面尖轨跟端锻造工艺的研究;参与和协助提速道岔的设计工作;参与和协助高速铁路大号数道岔的设计工作;主持研制成功锻焊辙叉、高强耐磨钢锒板辙叉和锒尖尖轨。编写《道岔构造和设计》(上、下册)、《日本高速铁路轨道概况》和《铁路道岔论文集》三部专著。

  

  我国城市地铁自北京地铁1号线1969年10月1日通车以来,随着我国城镇化的发展,截至2014年底全国修建运营的地铁线路95条,通车里程达到2900Km,在运营的地铁线路中使用的道岔基本上都是引用国铁的道岔或有些做了局部的修改,四十五年来道岔结构基本上没有创新,并发现存在的问题有:

  1、地铁正线高峰时必需缩短折返时间,以增加地铁动车组的运能。

  2、地铁正线道岔尖轨的跟端采用活接头,道岔不能焊接成无缝道岔致使地铁正线不能铺设跨区间超长无缝线路,道岔成为地铁的噪音源。

  3、地铁正线道岔尖轨跟端采用固定接头时,尖轨尖端轨距无加宽,尖轨尖端呈锯齿型磨耗,使用寿命过短;尖轨长度过长用二台转辙机牵引仍存在不足位移和尖轨的反弹。

  4、地铁正线道岔用高锰钢辙叉,高锰钢辙叉与高碳钢钢轨难以焊接,难以实施无缝道岔,且高锰钢辙叉较能与高碳钢钢轨焊接的合金钢辙叉使用寿命低二倍。

  5、地铁车辆段道岔仅使用单一的单开道岔,致使车辆段道岔咽喉区占用土地过多,和铺设轨道过多。

  6、地铁既有的道岔品种杂乱,没有统一的标准,造成生产制造和维修养护的困难。

  目前城市地铁发展迅速,为了使地铁更多、更快、更好、更省的发展,我公司拟与一贯创新城市的深圳轨道办合作,并借深圳地铁的平台,推广到全国地铁,特提出地铁提速、消噪、延寿、省土地、减轨道、系列化道岔创新、升级和转型换代的产品设计。

  在目前地铁道岔使用基础上,提出服务于社会的具有行业技术领先,保证行车安全性的系列化道岔创新设计内容有:

  1、道岔的提速

  目前地铁正线上使用9号单开道岔,个别地铁正线折返站使用12号单开道岔。这两种道岔是直线或曲线尖轨和直线辙叉。为了提高道岔的正线和侧线容许速度,采用曲线尖轨、曲线辙叉。由于9号单开道岔提高侧线通过速度后与12号既有道岔相近。为简统道岔品种,取消12号单开道岔,见表1.

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  目前地铁车辆段使用7号单开道岔,为了改善内接条件、提高道岔的侧线容许速度,采用曲线尖轨和曲线辙叉,见表2.

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  2、道岔的消噪

  目前有些地铁道岔焊接为无缝道岔。无缝道岔与区间无缝线路焊接便成为跨区间无缝线路。跨区间无缝线路是正线上没有钢轨接头,因此,可以消除地铁洞内的直接噪音源。

  消噪的跨区间无缝线路有两种类型,一种是放散式的跨区间无缝线路,另一种是自应力式的跨区间无缝线路。日本的跨区间无缝线路是采用放散式的。采用放散式的跨区间无缝线路在正线上每2km设置一组钢轨伸缩器,同时在道岔的后部也设置一组钢轨伸缩器。德国和我国国铁跨区间无缝线路是采用自应力式的。采用自应力式的跨区间无缝线路,在区间不设钢轨伸缩器,但是要求道岔侧股钢轨设伸缩器。因此,地铁的设计单位应该明确规定跨区间无缝线路是选用放散式或自应力式。地铁选用放散式跨区间无缝线路时,区间线路、大跨度钢桥和道岔的尾部应有不同伸缩量的钢轨伸缩器。如选用自应力式跨区间无缝线路,区间线路不设钢轨伸缩器,大跨度钢桥和道岔侧线尾部应有不同伸缩量的钢轨伸缩器。

  设置钢轨伸缩器时,在钢轨伸缩器的50m伸缩区间,应设小阻力扣件,以保证钢轨随气温的变化进行自动的调整。

  3、道岔的延寿

  道岔是多部件的组合体,其中最易磨耗和损坏的部件是曲尖轨和辙叉,一般道岔的一个大修期内,需要更换3根曲尖轨和3组辙叉,为了给地铁跨区间无缝线路提供减少更换易损部件的条件,必须有效地延长曲尖轨和辙叉的使用寿命。

  近三十年我国铁路有了跨越式的发展,新材料、新工艺、新结构、新技术大量出现,我国国铁道岔技术水平已经达到和超过最发达国家道岔的水平,实现曲尖轨合金钢镶尖,合金钢镶板辙叉和合金钢UIC33槽型护轨可使道岔部件使用寿命成倍地提高,见表3

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  4、道岔节省占用土地和减少轨道长度

  目前地铁车辆段都有30~50条股道作为存车、洗车和检修使用,转线道岔多年来仅有一种单开道岔,在设计和布置车辆段道岔咽喉区时需占用土地和需要连接的轨道比较多。

  一般车辆段都在大城市,土地昂贵,有的车辆段临近城市的山区需要挖山。为了节省工程用地,我们设计车辆段使用的不对称三开道岔,使车辆段的道岔咽喉区布置为箭羿线,如以12股道为例,仅用单开道岔布置的道岔咽喉区长度为190.388米(如图1示)。

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图1

  用单开道岔和不对称三开道岔两种道岔布置道岔咽喉区长度为98.000米(如图2示)。

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图2

  从图1和图2可见:

  道岔咽喉区占地减少

  [1-(98.000/198.388)]*100%=51.5%

  道岔咽喉区轨道长度减少

  [1-(325.734/1080.776)]*100%=69.8%

  道岔咽喉区道岔数量减少

  [1-(8/10)]*100%=20%

  5、道岔的品种系列化、零部件通用化和产品标准化

  1)道岔的品种系列化

  地铁(不含高速地铁)道岔,应该以最少的品种满足最大的需要为原则,进行品种系列化,推荐地铁道岔系列化品种有:

  ①正线上使用的60kg/m钢轨9号(R=300m)单开道岔;

  ②正线上使用的60kg/m钢轨9号(R=300m)间距5.0米Y型交叉渡线;

  ③车辆段线上使用的50kg/m钢轨7号(R=180m)单开道岔;

  ④车辆段线上使用的50kg/m钢轨7号(R=180m)不对称三开道岔;

  ⑤车辆段线上使用的50kg/m钢轨7号(R=180m)间距5.0米Y型交叉渡线;

  2)道岔的零部件通用化

  ①尖轨及尖轨附件的通用化;

  ②辙叉及辙叉组件的通用化;

  ③护轨及护轨组件的通用化;

  ④不同轨道结构的垫板通用化;

  ⑤钢轨伸缩器及其组件的通用化;

  3)道岔产品的标准化

  ①道岔制造的技术条件;

  ②道岔淬火的技术条件;

  ③尖轨跟端锻造的技术条件;

  ④钢轨焊接技术条件;

  ⑤轨冻结接头技术条件;

  ⑥钢轨绝缘粘接接头技术条件;

  6、道岔后连接轨道的平面尺寸

  地铁道岔侧股通过速度提高后,为了确保行车安全必须重视连接轨道平面与速度的关系,单开道岔铺设在车站内连接两平行线轨道时,动车组通过道岔侧线犹如通过反向曲线,道岔的侧线容许速度,除决定于它本身的平面尺寸,也决定于道岔后连接轨道的平面特征,

  单开道岔连接两平行轨道时,道岔附带曲线间的直线段长度参看图3,可按下式计算:

  f=[e-R(1-cosα)]/sinα-b 

  式中:  e-两平行轨道的间距    

  R-附带曲线的半径

  α-辙叉的角度          

  b-道岔中心至道岔跟端的距离

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图3

  7、列车通过道岔后连接轨道的容许速度

  列车通过上述条件的道岔侧线,作为反向曲线考虑,其运行速度可按下列方法进行计算:

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图4

    图4示出车辆通过反向曲线时,两个车体的位置,如以线段A1B1=A2B2=b,   当A1B1为在道岔侧股上的位置,A2B2为在附带曲线上的位置时,那么车辆在道岔侧股曲线上产生的未被平衡离心加速度为 α1=V2/R1,在附带曲线上产生的未被平衡离心加速度为α2=V2/R2,两者离心加速度方向彼此相反。

  车辆通过反向曲线时,未被平衡离心加速度的变化直接与b和f值有关,它可分为三种不同情况,即(1)f<b;(2)f=b;(3)f>b。在这三种条件下,未被平衡离心加速度的变化情况表示于图4中,  如果使未被平衡离心加速度按直线变化,那么车辆由A1B1驶至A2B2位置所产生的未被平衡离心加速度增量与时间成比例。

  f<b时,未被平衡离心加速度的增量为:

                ψ=Δα/Δt

      式中      Δα=α1+α2Δt=(f+b)/V

      因此:    ψ=(α1+α2)V/(f+b)

    如将上式中速度单位换算为 m/sec, 

  并以α1=V2/R1及α2=V2/R2 代入

      则:     ψ=V3(R1+R2)/3.63 R1R2(f+b)

  即:  

  

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  当f≧b时,从图4可见未被平衡离心加速度的增量仅决定于b值,而与f值无关,因此,在这两种条件下,道岔后的连接轨道不限速,动车组可按道岔的侧股容许速度通过。

  目前地铁车辆种类比较多,我国地铁车辆分类有24-21m,21-19m和19-15m三种,固定刚距分别为17m、15m、13m,按线路平面特征规定两平行线间隔4.5m和5.0m时道岔侧线速度如表4所示:

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