轻轨线路采用正常线间距单渡线的研究

摘　要　分析了正常线间距单渡线在中国未被采用的原因, 依据列车通过单渡线夹直线时稳定性及乘客舒适性条件,举例说明了采用正常线间距单渡线是能够满足行车稳定性和乘客舒适性条件的。提出了正常间距单渡线实施过程中需要采取的具体措施,包括其夹直线处短轨及其绝缘接头的处理问题。

关键词　轻轨线路,线路设计,线间距,单渡线

　　在轻轨线路中,有些中间站设置了单渡线,以满足故障列车临时待避以及有小运转列车折返作业的需要。为了使单渡线中夹直线的长度大于一个车体长度,我国轻轨线路所铺设的单渡线的线间距一般都大于区间线路的线间距。由于单渡线与正线区间线路的间距不同,在单渡线的外端就必须采用反向曲线与正线连接,因此恶化了线路的平面状态和列车运行条件,致使列车进出站时车体摇摆,不仅影响行车平稳性和乘客的舒适度,还增加线路的养护维修工作量。
另一方案是采用与区间线路间距一致的单渡线。因其间距比一般单渡线的间距小,因此也称为正常线间距单渡线。铺设正常线间距渡线时,渡线外端不必设置反向曲线,不仅优化线路平面、改善列车运行条件、提高列车平稳性及乘客舒适度,而且在高架线路上还可减小桥面宽度、减少车站建筑面积, 从而降低桥梁造价。因此采用正常线间距单渡线具有无可比拟的优越性。
1 　正常线间距单渡线未被采用原因
正常线间距单渡线虽具备上述诸多优点,但未被采用和推广。其主要原因有以下3 方面:
(1) 正常线间距单渡线的夹直线长度较短,达不到《地下铁道设计规范》[1 ] (以下简称《旧设规》) 第
3. 2. 6 条以及《地铁设计规范》[2 ] (以下简称《新设规》) 第5. 2. 6 条的要求;
(2) 正常线间距单渡线中部插入短轨太短,不符合《旧设规》第3. 4. 6 条及《新设规》) 第6. 4. 2 条的规定;
(3) 根据《旧设规》第3. 4. 6 条及《新设规》第6. 4. 2 条规定,在单渡线中部应设钢轨绝缘接头,而在一般单渡线中,两辙叉跟端因结构原因,不能设置绝缘接头, 因正常线间距单渡线中的短轨长度已经很短,若在短轨中间再设置绝缘接头比较困难。由于采用正常线间距单渡线不能符合有关规范相关条款的规定,纵然正常线间距单渡线具有不少优点,因此至今在我国尚未被考虑采用。
2 　列车通过单渡线夹直线时稳定性及乘客舒适性条件
　　在《旧设规》及《新设规》中,对于正线及辅助线的两相邻曲线间的夹直线最小长度所作的规定,是在保证行车平稳及乘客舒适的基础上提出的。当曲线半径等于或小于某一数值(例如2 000 m) 时,则应在圆曲线与直线之间根据曲线半径及行车速度设置缓和曲线及外轨超高,以消除或减少车体的离心力。但是,由于道岔的构造及限界等原因,在道岔的导曲线中都不设缓和曲线及超高。通过导曲线时车辆的平稳性及乘客的舒适度,是通过控制未被平衡的离心加速度、限制未被平衡的离心加速度时变率等得到保障的。
2. 1 　控制未被平衡的离心加速度
1) 若列车以速度v 行驶于半径为r、外轨超高为h 的曲线线路上,当列车速度与外轨设置的超高不适应时,车辆则产生未被平衡的离心加速度;此未被平衡的离心加速度不能过大,否则车辆走行不平稳, 使乘客感觉不适,甚至站立或行走的乘客有被晃倒的可能。为此,对未被平衡的离心加速度的大小应加以限制。当列车以行驶速度为v 、重力加速度为g、在超高值为h 及轨道两钢轨轨头中心距为s 的轨道上行驶时,车辆产生的未被平衡离心加速度为α,则: α = 3. 6v 2 r-gh (1)s 设通过曲线线路时,列车允许的未被平衡的离心加速度为αy,则列车最高行车速度为vmax : vmax = 3. 6 r(αy+ gh) (2)s 　　
2) 在道岔中,因导曲线外轨不设超高( h = 0) , 所以,
2 αy= vmax 3. 62 r(3) 　　这时列车最高行驶速度为: vmax = 3. 6 rαy(4) 根据设计规范的规定,αy 值不应大于0. 4 m/ s2 。若列车走行于半径为180 m 、超高值为0. 12 m 、s =1. 5 m 的曲线线路上, g = 9. 81 m/ s2时,则由式(2) 得vmax = 52. 57 km/ h 　　而列车走行于相同半径,但不设超高的道岔导曲线时,只需将r 及αy 值代入式(4) ,则vmax = 30. 55 km/ h 。通过以上计算不难看出,列车走行于道岔不设超高的导曲线时,列车速度因受允许的未被平衡离心加速度的限制,而以减速运行来保证列车的平稳及乘客的舒适度。
2. 2 　限制未被平衡的离心加速度时变率
1) 当列车由直线进出设有超高的曲线线路时, 车辆突然出现或消失竖向及横向冲击力,使车体产生振动及摇晃。为了保持车体平稳,应在曲线两端设置缓和曲线。由于缓和曲线的曲率是逐渐变化的,走行于缓和曲线上车辆的未被平衡离心加速度也相应在缓和曲线全长范围内逐渐变化。单位时间内未被平衡离心加速度的变化,称为未被平衡离心加速度时变率,用β表示。因β= dα/d t 。则:

β= (v 2 )/ ( 3. 6 lh)
v
3. 62 r-gh
s(5)
2
v
=(3. 6v 2 r-g )
3. 6 lh
式中, lh 为缓和曲线长度。
β过大,同样影响行车的平稳和乘客的舒适度。为此,也应对其加以限制。在新旧设计规范中规定, 允许的未被平衡离心加速度时变率βy=0. 3 m/ s3 。
2) 当车辆走行于道岔导曲线时, 虽然导曲线两端不设缓和曲线,当车辆第一位轮对进入导曲线时,车体即产生α,且随着轮对进入导曲线的距离增加而加大,直至车辆末位轮对进入导曲线时增至最大值;当车辆驶离导曲线时,则与上述情况相反。车辆的α 的变化,是在车辆全轴距范围内逐渐完成的。设导曲线半径为r 、行车速度为v 、车辆全轴距为lc,则:
23
v
β = (3. 6v 2 r)/ ( 3. 6 lc)= v 3. 63 rlc (6) 　　
由于列车进出导曲线时受允许β的制约,其最高走行速度为:
vmax = 3. 63 rlcβy (7) 　　当lc 为18. 2 m 的a 型车辆走行于r 为180 m 的9 号单开道岔侧股时,列车受βy 控制的vmax ,可按式(7) 求得为35. 79 km/ h 。
此值大于按式(4) 计算的30. 55 km/ h 。这说明,列车通过导曲线的行驶速度不受β的控制, 而仍然受导曲线部分允许的α 的限制。目前地铁及轻轨中采用的9 号单开道岔(导曲线半径r = 180 m) ,侧向允许最高通过速度为30 km/ h , 就是用上述方法计算确定的。上述计算说明,在道岔中虽然不设超高及缓和曲线,行车的平稳和乘客的舒适是有保障的。
3 　采用正常线间距单渡线时的行车稳定性和乘客舒适性
　　以下着重讨论车辆走行于正常线间距单渡线时,能否保证《新设规》规定的行车稳定性及乘客舒适性要求。当车辆通过单渡线中的夹直线时,列车允许的走行速度可根据设计规范所规定的β求得。在计算允许通过速度前,首先应求出夹直线长度。单渡线中夹直线长度,是根据单渡线的线间距及道岔的有关几何尺寸所决定。列车通过夹直线段时,有以下两种可能: ① 车辆的全轴距小于或等于夹直线的长度; ② 车辆的全轴距大于夹直线长度。

车辆的全轴距小于或等于夹直线长度时,β可按式(6) 计算, vmax 按式(7) 计算。若车辆的全轴距大于夹直线长度时,因为车辆刚走出第一组道岔的导曲线,车体尚未正位接着又进入二组道岔的导曲线,车辆的运行状态与第一种情况不同,这时β应按以下方法计算:
设列车走行于夹直线时的最高时速为vmax 、导曲线半径为r、夹直线长为lz 、车辆的全轴距为lc, 则允许的未被平衡离心加速度时变率为: 2 v 3max (8)βy = 3.63 r(lc + lz )
　　通过夹直线时,列车最高走行速度为:(9)vmax = 3.63 r(lc + lz)βy 现将列车通过夹直线段时,上述两种情况的列车最高走行速度的计算分别举例如下。例1 　lc 为18. 2 m 的列车,通过9 号道岔4. 5 m 间距单渡线中的夹直线时,求列车的vmax 。若单渡线中的道岔采用《60 kg/m 钢轨9 号单开道岔》设计图(图号为专线9950) ,则:9 号单开道20′岔辙叉角θ =6°25″,道岔中心至辙叉理论尖端距b0= 12. 955 m , 导曲线终点至辙叉理论尖端的直线段k=2. 985 m , 辙叉理论尖端至辙叉跟距m = 3. 108 m , 导曲线半径r = 180 m 。因为已知d = 4. 5 m , 令单渡线的两道岔中心距为lx 、夹直线长度为lz,参照图1 可知:
dlx = sinθ (10)
　　两导曲线间的夹直线长度为: lz =lx -2 (b0 -k) (11) 由式(10) 、(11) 可得, lx=45. 276 m ; lz=25. 336 m 。因为lc=18.2 m , 小于夹直线的长度lz
(20. 809 m) ,属上述的第一种情况,则列车的vmax 应按式(7) 计算,故vmax= 35. 79 km/ h 。
　　例2 若车辆与道岔的状态与上例相同,列车通过3. 7 m 间距单渡线中的夹直线时, 求列车的
vmax 。
20′　　将线间距d = 3. 7 m 及角θ= 6°25″代入式
(10) 得: lx = 36. 221 m 。

图1 　9 号单开道岔示意图
　　将lx 、b0 及k各值代入式(11) ,得lz = 16. 281 m。因为16. 281 m 的夹直线长度短于18. 2 m 的车辆全轴距,属上述第二种情况,列车的vmax 应按式(9) 计算,得vmax=35. 15 km/ h 。
通过以上计算可知,列车通过5m 间距单渡线时,因夹直线长度大于车辆的全轴距,列车的vmax 可达35. 79 km/ h 。而列车通过4 m 间距单渡线时, 由于夹直线长度小于车辆的全轴距,车辆跨越于两反向的导曲线上,车体绕纵轴方向产生侧滚振动,车辆的运行状态不如前者,所以列车允许走行速度为35. 15 km/ h , 低于前者。但是,列车通过夹直线时走行速度却都受两端导曲线的限制,仍然不得超过30 km/ h(即9 号道岔的侧向允许通过速度) 。这说明正常线间距单渡线中的夹直线长度虽短,但它并不一定是限制列车通过速度的决定因素。通过以上两例的计算和对比, 表明列车通过5 m 或4 m 间距单渡线时允许的α,及允许的β都在设计规范所规定范围之内,允许的走行速度是相同的。因此,列车走行于两种不同间距的单渡线时其安全性、稳定性都是有保障的,舒适度也是可以被乘客接受的。
4 　正常线间距单渡线中夹直线处短轨及其绝缘接头的处理
　　正常线间距单渡线中,夹直线处短轨的长度ld 可参照图1 中的ld 按下式计算: ld =lx -2 (b0 + m) (12) 求4 m 间距单渡线中夹直线处的短轨长度时, 将相应的值代入式(12) ,得ld= 4. 095 m 。若插入短轨,则轨长仅4. 079 m 。按《新设规》表6. 4. 2 中的规定,短轨中部还需设置一对钢轨绝缘接头。这样,该部位显得轨条长度太短,接头太多,线路的稳定性差,养护维修困难;当区间线路发生故障时,对换侧行驶列车乘客的舒适度也会有一定的影响。如果按上述表中在辅助线困难地段的规定,两组道岔跟端可对接,不必插入短轨,那么绝缘接头就需设在道岔跟端,辙叉跟端接头处轮轨冲击力比一般钢轨接头大得多;在该处设置绝缘接头,对其寿命和养护维修都很不利,应尽量避开。为此,针对正常线间距单渡线插入短轨和设置绝缘接头问题,提出如下措施供参考:
首先,将两组道岔的侧股导轨作适当加长,加长后的导轨见图1 中的l 1;根据两道岔跟端距离l d 及导轨长度l1 计算导轨长度lz 。然后再采取胶接的方法将长导轨的后端与短轨胶接成胶接绝缘轨。导轨的加长量应按下列原则确定: ① 使加长后导轨的末端约在两组单开道岔跟端中央部位; ② 夹直线中部的一对绝缘接头相互距离不得大于2. 5 m(设置轨道电路的需要); ③ 考虑道岔布置的合理。
在本例中采取导轨的加长量为1. 750 m , 因为已知为4m 间距单渡线中两组道岔跟端距离l d 为
4. 095 m , 由专线9950 设计图中得导轨长为13. 688 m , 所以加长后的导轨长l1= 15. 438 m , 由此可计算出短轨长度: lz= 4. 095 m -1. 750 m -2 ×0. 008 m = 2. 329 m 其中0. 008 m 为轨缝宽度。检算两绝缘接头的间距: lj= 4. 095 m -(2. 329 m + 0. 008 m) = 1. 758 m 符合设置轨道电路的要求。
胶接绝缘接头具有强度高、寿命长、维修方便、绝缘性能优于传统的绝缘接头等优点,并且两段胶接后的钢轨可视作一根整轨。铁道部已颁发了钢轨胶接绝缘的技术标准。图号为专线9950 《60 kg/m 钢轨9 号单开道岔》中侧股l 1 导轨(见图1) 前端接头就是胶接绝缘接头。采取上述措施,在解决正常线间距单渡线的单渡线问题的同时又解决了绝缘接头的设置问题,满足运营的需要。
5 　结　语
通过以上计算,说明正常线间距单渡线完全可以保证行车的安全和乘客的舒适。正常线间距单渡线施工方便,可采用两组单开道岔进行铺设, 不需改变道岔主要部件(如尖轨、辙叉及护轨等),仅需改变侧股导轨的长度。也可采取增设一对非绝缘胶接接头,而保持原道岔的侧股导轨长度不变的方法。这些方法在我国是否可行尚需经过实践的检验。正常线间距单渡线在国外早已被采用,不久前在伊朗德赫兰地铁,曾铺设了7. 7 号道岔3. 2m 间距单渡线,现已开通运行。希望我国的轻轨线路在不久的将来也采用正常线间距单渡线。

参考文献
1 　gb 50157 -92 地下铁道设计规范
2 　gb 50157 -2003 地铁设计规范

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