基于ANSYS的無縫渡線道岔有限元分析研究

葉慶發(fā) ，唐進(jìn)鋒 ，尤瑞林 ，于 雷

（1.廣州鐵路（集團(tuán)）公司綜合計劃處，廣州510000；2 .中南大學(xué)土木建筑學(xué)院， 長沙410075）

無縫道岔是發(fā)展跨區(qū)間無縫線路的關(guān)鍵技術(shù)之一， 但道岔無縫化后, 道岔鋼軌不僅要承受巨大的溫度力，而且需承受由于里側(cè)軌線一端承受溫度力，另一端不承受溫度力導(dǎo)致的溫度力不平衡所引起的無縫道岔鋼軌受力和變形位移的變化，這將直接影響道岔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性, 以及行車的安全。車站中道岔組合的受力與變形與單開道岔受力變形的區(qū)別主要體現(xiàn)在：

（1） 道岔的連接鋼軌在每組道岔的傳力過程中作用不同，使得岔區(qū)軌道的傳力機(jī)理更加復(fù)雜；

（2）道岔連接時隨著道岔之間夾直線長度的改變，道岔相互之間影響的程度不同，不能簡單地簡化為單開道岔進(jìn)行分析計算；

（3）道岔的伸縮區(qū)相互影響，導(dǎo)致岔區(qū)軌道的溫度附加力和伸縮變形的量值產(chǎn)生了變化，可能對軌道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。

鑒于以上因素，建立了組合道岔的通用有限元分析模型，以12號固定轍叉和9號固定轍叉為例，應(yīng)用有限元軟件對渡線道岔進(jìn)行整體研究，分析組合道岔與單開道岔的區(qū)別，研究不同夾直線長度對無縫渡線道岔受力和變形的影響。

1 無縫（渡線）道岔計算模型

以目前我國普遍使用的固定轍叉單開道岔為例，其分析模型如圖1。圖中尖軌跟端為限位器結(jié)構(gòu)。計算中各鋼軌編號如表1，岔枕位置處直基本軌的節(jié)點定為坐標(biāo)原點，X軸正方向沿直基本軌道岔分股的方向，Y軸正方向垂直于直基本軌（向上）。

表1 固定轍叉無縫道岔模型中鋼軌編號

具體建模思路如下：

圖1 固定轍叉單開無縫道岔計算模型

（1）將鋼軌簡化成與60軌截面相同的梁；鋼軌按其實際岔枕的位置，通過坐標(biāo)讀入的方式建立鋼軌節(jié)點，并通過離散的梁單元生成道岔中每股鋼軌；在轍叉跟端通過導(dǎo)軌末端節(jié)點與心軌始端節(jié)點的耦合來模擬固定轍叉；

（2）將軌枕（岔枕）簡化為梯形截面梁，建軌枕單元時在每股鋼軌下生成軌枕節(jié)點，其余位置按0.1 m長度劃分軌枕單元；

（3）在軌枕位置，連接對應(yīng)鋼軌節(jié)點和軌枕節(jié)點生成扣件彈簧單元；

（4）將軌枕的所有節(jié)點復(fù)制一次，在對應(yīng)位置生成路基節(jié)點，連接路基節(jié)點和軌枕節(jié)點生成道床彈簧單元；

（5）轉(zhuǎn)轍器跟端限位器，通過尖軌跟端節(jié)點與對應(yīng)基本軌節(jié)點連接彈簧單元模擬。

模型中只考慮縱向變形，路基節(jié)點按固定端進(jìn)行約束；軌枕兩端按固定端約束；各股鋼軌不考慮橫向和垂向變形。渡線道岔以左側(cè)的右開道岔為1號道岔，其1號岔枕位置處直基本軌的節(jié)點定為坐標(biāo)原點，坐標(biāo)軸的方向與單開道岔相同。右側(cè)的道岔為2號道岔，其相應(yīng)的鋼軌編號以R’表示。渡線道岔的計算模型如圖2。

圖2 無縫渡線道岔計算模型

2 基本參數(shù)選取

無縫道岔溫度力及位移計算中將用到的計算參數(shù)：鋼軌重60 kg/m；鋼軌截面積：A為77.45 cm2；各股鋼軌的彈性模量：E為2.1×1011N/m2；鋼軌線膨脹系數(shù)：α為11.8×10－6°C；岔枕間距：0.6m；岔枕型式：混凝土岔枕截面頂寬260 mm，底寬300 mm，高220 mm，對垂直軸的慣性矩為5.03×10－4m4，混凝土的彈性模量為34.5×109N/m2，道岔型式尺寸按標(biāo)準(zhǔn)圖選??；道床縱向阻力取值采用常量阻力，以普通枕長2.6 m換算成岔區(qū)道床，縱向阻力[6]p為32 N/cm?？奂v向阻力值按常阻力取為16 kN，限位器子母塊間隙取為7mm。

2.1 12號無縫渡線道岔分析計算

12號渡線道岔中間夾直線長度取為12m，溫差為40 ℃時，道岔基本軌和里軌的溫度力圖形如圖3，基本軌、里軌位移圖形如圖4。由于渡線中的每一組道岔曲基本軌都與另一組道岔的里軌相連接，圖中僅以一個名稱表示。

圖3 12號無縫渡線道岔鋼軌的溫度力圖

圖4 12號無縫渡線道岔鋼軌的位移圖

在站場中的無縫渡線道岔，兩者之間有一定長度的夾直線，需要分析道岔之間不同夾直線長度對溫度力和伸縮位移的影響。

當(dāng)?shù)啦碇g夾直線長度從12 m增至24 m時，對道岔區(qū)軌道的溫度力和伸縮位移的影響如表2，為了增強(qiáng)對比性，把夾直線長度為∞時（即單開道岔的情形）也加入到分析中。

由表2可以看出，與單組單開道岔相比，12號渡線的兩組道岔的溫度力是對稱的，位移是反對稱的；同單組單開道岔相比，對于兩組12號固定轍叉渡線道岔，基本軌的最大附加拉力，最大附加壓力、拉力的增幅、壓力的增幅、尖軌尖端的位移以及相對位移基本都沒有改變，且夾直線長度變化的影響不大。

表2 12號無縫渡線道岔夾直線長度的影響分析

2.2 9號無縫渡線道岔分析計算

9號無縫渡線道岔，中間夾直線長度取為12m，在溫差為40 °C時，道岔基本軌和里軌的溫度力圖形如圖5，基本軌和里軌位移圖形如圖6。

圖5 9號無縫渡線道岔鋼軌的溫度力圖

圖6 9號無縫渡線道岔鋼軌的位移圖

當(dāng)?shù)啦碇g夾直線長度從12 m增至∞時，對9號渡線道岔的道岔區(qū)軌道的溫度力、伸縮位移的影響如表3。

由表3可以看出，與12號道岔相似 ，9號渡線道岔兩組道岔的溫度力是對稱的，位移是反對稱的；9號渡線道岔軌道的基本軌最大附加拉力、最大附加壓力、拉力的增幅和壓力的增幅與單組單開道岔相比有所減小，且隨夾直線長度縮短而減小的幅度增加；與單組單開道岔相比，對于兩組9號固定轍叉渡線道岔時，尖軌尖端的位移、以及相對位移改變不顯著。

表3 9號無縫渡線道岔夾直線長度的影響分析

3 結(jié)束語

無縫渡線道岔中一組道岔的曲基本軌與另一組道岔的里軌相連接，由于兩組道岔導(dǎo)軌的伸縮方向相反，兩者相互作用可抵消一部分伸縮位移，曲基本軌的溫度力減小，曲基本軌的最大伸縮附加拉力相對單組道岔時也相應(yīng)減??；12號渡線道岔直基本軌的附加力值與單開道岔相比基本沒有改變；9號渡線道岔直基本軌的附加拉力和附加壓力較單開道岔有所減小，且夾直線長度越短，減小的幅度越大。

由于渡線的每一組道岔曲基本軌都是與另一組道岔的里軌相連接，因此其伸縮位移較大，所以對于渡線的曲基本軌的穩(wěn)定性應(yīng)該引起足夠的重視；渡線的尖軌尖端伸縮位移隨著夾直線長度改變的變化幅度不明顯。

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