跨座式单轨道岔处接触轨设计方案研究

陈善乐 秦建伟 李 乾

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

接触轨是跨座式单轨供电系统的重要组成部分[1]，一般悬挂在轨道梁和道岔梁两侧(一侧为正极一侧为负极)。其中重庆单轨采用关节形道岔[2]，接触轨采用“汇流排+接触线”形式，在道岔区域连续布置；在北京、天津、武汉等城市，多采用钢铝复合轨，通过断口两端设置接触轨端部弯头[3]，由于集电靴通过自然断口需要经过离线、接触过程，会对集电靴产生一定的冲击力，易产生拉弧现象[4]。

为使集电靴在道岔区域过渡更稳定，减小电弧，提高接触轨、集电靴的使用寿命，结合项目应用情况，对道岔区域接触轨布置方案及关键零部件进行分析研究。

1 接触轨类型

目前，国内跨座式单轨交通主要有两种接触授流结构：“汇流排+接触线”与钢铝复合轨[5]。

重庆单轨采用“汇流排+接触线”形式，技术成熟可靠；国内其他在建城市(如芜湖、桂林、柳州等)均采用钢铝复合轨，其构造简单，安装方便，可维修性好，随着产品技术的发展，采用整体绝缘结构和防护技术进行安装，可大幅提高系统的整体性能[6]。

跨座式单轨钢铝复合轨安装在轨道梁绝缘支撑装置上[7]，轨与轨之间用中间接头连接，锚段与锚段之间安装膨胀接头，以补偿钢铝复合轨由于温度变化引起的纵向伸缩，并且在每个锚段的中间安装中心锚结，防止接触轨相对位移。在道岔处安装膨胀接头、分段绝缘器、道岔过渡装置等，使道岔区域接触轨贯通，集电靴平滑过渡。

2 道岔类型

目前，跨座式单轨道岔主要分为按道岔结构的不同一般分为关节型道岔、关节可挠型道岔、平移式道岔、枢轴式道岔、替换型道岔等[8]。

道岔是跨座式单轨交通系统中的关键技术装备之一[9-11]，道岔的作用是实现车辆在行驶过程中的转线、折返运行及车辆在车辆段或停车场内的调车作业，见图1。

3 接触轨设计方案

跨座式单轨接触轨承载着车辆行驶过程中稳定授流的重要使命，道岔区域接触轨的布置影响整个系统的安全运行及使用寿命。以下介绍的接触轨贯通布置方案，在道岔转动端采用道岔过渡装置使集电靴可以平滑过渡并起到电气连接作用；在道岔摆动端采用分段绝缘器使集电靴平滑过渡并起到电气绝缘作用；中心锚节设置在道岔转动轴或摆动的端部，以减小接触轨的相对位移，通过接触轨、道岔热涨系数计算道岔过渡装置、分段绝缘器[12]伸缩量，从而确定接触轨端部之间和距道岔梁间隙，以保证后期运行过程中不与道岔摆动干涉。

3.1 整体布置方案

跨座式单轨道岔区接触轨平面布置是钢铝复合轨安装调整的关键部位，关键零部件图例见图2。

(1)枢轴道岔平面布置

枢轴道岔主要应用于场段内[13]，通过速度较低，分为单开、对开、三开、四开4种类型，四开枢轴道岔平面布置见图3。

图3 四开枢轴道岔平面布置

枢轴道岔左端为转动轴端此处设置道岔过渡装置和中心锚节，道岔过渡装置安装时应在道岔梁摆动到中心位置时与转动轴中心对其，平均设置两端转动量；枢轴道岔右段为摆动端设置分段绝缘器和中心锚节，其中分段绝缘器需要配备3个单体，调整时，接触轨所在有工作位置均应平整；中间部位设置膨胀接头用于补偿接触轨和道岔梁之间的膨胀量差。

(2)替换型道岔平面布置

替换型道岔主要应用于场段内渡线和正线区间渡线及折返线，分为单开、对开、单渡线3种类型，替换型单开道岔平面布置见图4。

图4 替换型单开道岔平面布置

替换型道岔有2根道岔梁，其中1根为直线梁为正线工作位，1根为曲线梁为渡线工作位，当需要渡线工作时，道岔梁延左端轴心转动曲线摆动至正线位置。

替换型道岔直梁左端为转动轴端(此处设置道岔分段绝缘器和中心锚节)，道岔分段绝缘器仅需要保证正线通过；渡线工作时，正线为非工作支(见图4)。图4中，直梁右端为摆动端，设置分段绝缘器和中心锚节，其中固定段上分段绝缘器需与直梁、曲梁配套。直梁中间部位设置膨胀接头用于补偿接触轨和道岔梁之间的膨胀量差。

替换型道岔曲梁左端为转动轴端(此处设置道岔分段绝缘器和中心锚节)，道岔分段绝缘器仅需要保证渡线通过，正线工作时渡线为非工作支。替换型道岔曲梁右端为摆动端，设置分段绝缘器和中心锚节，其中固定段上分段绝缘器需与直梁、曲梁配套。曲梁中间部位设置膨胀接头用于补偿接触轨和道岔梁之间的膨胀量差。

由于替换型道岔两端设置分段绝缘器，故道岔梁上接触轨必须设置电连接，并保证其载流量满足行车要求。

(3)平移式道岔平面布置

平移式道岔主要应用于正线区间渡线及折返线，通过速度较高，可分为单平移、双平移2种类型，单平移式道岔平面布置见图5。

图5 单平移式道岔平面布置

(4)关节型道岔平面布置

关节型道岔主要应用于场段内，通过速度较低，分为单开、对开、三开、四开、五开5种类型，关节型单开道岔平面布置见图6。

图6 关节型单开道岔平面布置

(5)关节可挠型道岔平面布置

关节型道岔主要应用于场段内或正线，通过速度较高，分为单开、对开、三开、四开、五开5种类型，关节可挠型单开道岔平面布置见图7。

图7 关节可挠型单开道岔平面布置

关节可挠型道岔左端为转动轴端，此处设置道岔过渡装置和中心锚节，道岔过渡装置安装时，应在道岔梁摆动到中心位置时与转动轴中心对齐，并平均设置两端转动量；关节可挠型道岔右段为摆动端，可设置分段绝缘器和中心锚节，调整时，接触轨所在工作位置均应平整；关节可绕型道岔由几段道岔梁拼接而成，中间因存在转折角，故应在转折角处设置道岔过渡装置，由于道岔整体布置无补偿装置，故需要考虑补偿接触轨和道岔梁之间的膨胀量差。因关节可绕道岔通过速度较高且有一定圆弧度，道岔过渡装置需根据道岔线型设置圆弧角。

3.2 道岔区接触轨补偿

由于接触轨全线贯通布置，为保证集电靴平滑过渡，在道岔转轴、摆动、平移的变化部位，均设置了中心锚节来保证其与道岔的相对位置。2个中心锚节之间设置补偿装置，锚段较长时采用膨胀接头进行补偿，锚段较短时利用道岔过渡装置或分段绝缘器间隙补偿。根据以往设计经验，枢轴、替换、平移道岔采用膨胀接头补偿，关节、关节可挠型利用元器件补偿。

设计过程中，因膨胀系数按照环境温度考虑，计算出的数据较小，不满足现场实际应用，导致现场分段绝缘器与道岔干涉。因此，在计算过程中，均应按运行过程中道岔、接触轨的温度进行计算，并预留安全量。

3.3 活动段分段绝缘器

接触轨安装在道岔梁两侧，接触轨会随着道岔的环境温度变化跟随其伸缩，产品设计过程中，需要考虑接触轨的补偿，分段绝缘器安装在道岔的摆动端，由于分段绝缘器两端均设置中心锚节来减小分段绝缘器的位移及摆动，摆动过程中，为保证集电靴平滑过渡，分段绝缘器需要设置合理的搭接长度及间隙。

3.4 固定端方案

固定段是指道岔转轴端(平移道岔除外)，此处主要采用道岔分段绝缘器和道岔过渡装置。由于道岔沿固定轴转动，不仅需要考虑接触轨、道岔的热涨系数，还要考虑道岔旋转角度及方向。

3.5 接触轨纵向位移

由于道岔梁自身摆动过程中存在误差，关键零部件需保证集电靴平滑过渡，在此处需设置圆弧倒角或一定坡度。

钢铝复合轨自重较大，刚度较高，本次计算不考虑其风载摆动，仅考虑集电靴通过时对其产生的压力变化[14]，受力示意见图8。

图8 集电靴通过时受力示意

3.6 其他相关说明

以上计算数据均为极限数值，平面布置设计及与道岔专业配合时应适当考虑富余量。

接触轨最高计算时候应考虑其载流温升情况，最低温可按环境温度考虑。

道岔一般采用钢材质，一般安装在室外，计算时需要考虑日照等情况。

4 接触轨关键零部件分析

综合以上分析，道岔分段绝缘器和道岔过渡装置首先需要满足安装间隙要求，以及可在集电靴通过时平滑过渡。

4.1 分段绝缘器

分段绝缘器是将接触轨[15]在电气上相互分开的部件，正线主要采用连续型分段绝缘器和道岔处采用断口型搭接分段绝缘器，见图9。

图9 分段绝缘器示意

受分段绝缘器安装限制要求，在设计过程中，应留出较大的通过条件，以便于增加分段绝缘器搭接长度，使靴轨关系更好，减小磨耗。

道岔分段绝缘属于搭接型，在搭接部位必须设置圆弧倒角或坡度，以保证集电靴不与其直接撞击。

接触轨分段绝缘器安装要求授流面平顺无错台，由于接触轨公差为±0.5 mm，安装完成后无法调整，需要对分段绝缘器或接触轨进行打磨，以满足平顺性要求，通过比较，打磨分段绝缘器施工较便捷，因此分段绝缘器厚度均按0.5 mm的正公差生产制造。

接触轨分段绝缘器固定完成后，与接触轨可能存在间隙，通过现场研究分析，认为主要原因是分段拐角处倒角受力，可设置0.5 mm倾角来保证其紧固后授流面无缝隙(见图10)。

图10 分段绝缘器倾斜角示意

4.2 道岔过渡装置

道岔过渡装置是连接道岔转折处接触轨连接零部件，起到接触轨过渡和接触轨电气连接的作用。

道岔过渡装置设置转轴端，有不同的工作位，因此设计过程中可能设置圆弧倒角，如设置在高速区域，则需要考虑其平整度，道岔过度装置示意见图11。

图11 道岔过渡装置示意

道岔处电连接需要根据行车计算，满足车辆最大取流要求。由于长期摆动，需要对电连接进行防护，防止其磨损后机械性能、载流量下降，引起安全事故，道岔过渡装置安装需要转动补偿和温度补偿间隙。

设计过程中，应注意道岔过渡装置通过速度，场段内或渡线速度较低，道岔过渡装置端部设计了圆弧倒角，可以适用于各个角度；但部分道岔设置在正线上，由于通过速度较快，集电靴通过圆弧倒角时会产生硬点，影响集电靴通过，故道岔过渡装置在安装速度较高的线路时应采取措施，保证其平顺性(见图12)。

图12 道岔过渡装置工作状态

5 结语

研究5种典型道岔类型平面布置方案，覆盖了国内所有道岔类型。通过对道岔梁、接触轨膨胀量的计算，可以有效避免接触轨关键零部件与道岔梁干涉；通过对道岔分段绝缘器、道岔过渡装置关键零部件的研究分析，解决了其应用过程中出现的问题，对产品的研究提供相关数据参考。

通过对跨座单轨道岔处接触轨布置方案及零部件的研究，提出一种单轨道岔区域连续贯通方案。接触轨贯通布置可以使集电靴在道岔区域平滑过渡，减小产生电弧，改善靴轨关系，提高接触轨、集电靴的使用寿命，对于单轨列车稳定运行具有极为重要的意义。