基于有限元理論的小號碼道岔轉(zhuǎn)換分析

馬曉川，王 平，張夢楠，徐井芒

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

轉(zhuǎn)換力計(jì)算是進(jìn)行道岔轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)計(jì)算。設(shè)計(jì)上要求采用最少的牽引點(diǎn)實(shí)現(xiàn)尖軌和可動心軌的轉(zhuǎn)換，牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換力要求小于轉(zhuǎn)轍機(jī)的額定功率，尖軌最小輪緣槽寬度要滿足最小輪緣槽寬度要求。隨著我國高速道岔的迅速發(fā)展，國內(nèi)18號、38號以及42號道岔的設(shè)計(jì)已臻于成熟，小號碼道岔的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)則有待進(jìn)一步研究分析。本文以10號道岔為例，運(yùn)用有限元理論，建立尖軌和心軌的有限元模型，研究滑床板摩擦系數(shù)、扣件橫向剛度以及夾異物對道岔轉(zhuǎn)換的影響。

圖1 尖軌轉(zhuǎn)換的有限元模型

1 尖軌和心軌轉(zhuǎn)換計(jì)算模型

1.1 尖軌轉(zhuǎn)換計(jì)算模型

以10號道岔為例，尖軌活動段總長11.797 m，扳動到正位時的密貼段長5.941 m，扳動到反位時的密貼段長5.941 m，尖軌跟端類型為彈性可彎。采用單點(diǎn)牽引，牽引點(diǎn)距尖軌尖端 0.538 m，牽引動程0.160 m。牽引方式采用聯(lián)動內(nèi)鎖閉。使用有限元軟件建立尖軌轉(zhuǎn)換的有限元模型，如圖1所示。

1.2 心軌計(jì)算模型

以10號道岔為例，心軌活動段的長度7.89 m，扳動到正位時的密貼段長0.884 m，扳動到反位時的密貼段長0.906 m，心軌跟端類型為尖軌斜接頭式單肢彈性可彎。采用單點(diǎn)牽引，牽引點(diǎn)距心軌尖端0.187 m，牽引動程0.107 8 m。牽引方式采用聯(lián)動內(nèi)鎖閉。使用有限元軟件建立心軌轉(zhuǎn)換的有限元模型，如圖2所示。

1.3 模型單元類型

使用有限元軟件建立尖軌和心軌轉(zhuǎn)換計(jì)算的有限元模型時，模型中使用的單元類型如下:

1)尖軌和心軌是截面線形變化的歐拉梁，只在水平面內(nèi)發(fā)生橫向變形，采用二維梁單元(beam3)模擬。

2)扣件在計(jì)算模型中起橫向阻力的作用，采用非線性彈簧單元(combin39)模擬。

3)考慮到間隔鐵受剪力和扭轉(zhuǎn)力的作用，采用二維梁單元(beam3)模擬。限位器子母塊貼靠前，限位器不受力，當(dāng)限位器子母塊貼靠后，限位器開始受力，因此采用非線性彈簧單元(combin39)模擬。

圖2 心軌轉(zhuǎn)換有限元模型

4)尖軌或心軌與基本軌未接觸時，相互之間沒有作用力，當(dāng)尖軌或心軌與基本軌密貼后，尖軌或心軌受到較大的密貼力，因此密貼彈簧采用非線性彈簧單元(combin39)模擬。

5)尖軌或心軌與頂鐵未接觸時，尖軌或心軌不受頂鐵力，尖軌或心軌與頂鐵接觸后受到頂鐵力，因此頂鐵采用非線性彈簧單元(combin39)模擬。

2 尖軌轉(zhuǎn)換影響因素分析

2.1 滑床板摩擦系數(shù)對尖軌轉(zhuǎn)換的影響

滑床板摩擦系數(shù) μ 分別取 0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25和0.30時，尖軌轉(zhuǎn)換力的變化趨勢如圖3所示，尖軌不足位移的變化趨勢如圖4(橫坐標(biāo)原點(diǎn)指尖軌尖端)所示。

圖3 尖軌轉(zhuǎn)換力隨滑床板摩擦系數(shù)變化趨勢

圖4 尖軌不足位移隨滑床板摩擦系數(shù)變化趨勢

由圖3和圖4可見，牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換力隨滑床板摩擦系數(shù)的增大而增大，不足位移隨滑床板摩擦系數(shù)的增大而增大;滑床板摩擦系數(shù)取0.25時，最大轉(zhuǎn)換力達(dá)到4 008.1 N，小于轉(zhuǎn)轍機(jī)的額定功率6 000 N，能夠滿足要求。不足位移達(dá)到7.755 mm，不足位移值偏大，可以通過設(shè)置反變形降低不足位移。因此采取措施降低滑床板的摩擦系數(shù)，如滑床板涂油或設(shè)置輥輪，能夠有效降低尖軌轉(zhuǎn)換力和減小不足位移。

2.2 跟端扣件橫向剛度對尖軌轉(zhuǎn)換的影響

尖軌跟端扣件橫向剛度 K分別取25，50，75和100 kN/mm時，尖軌轉(zhuǎn)換力的變化趨勢如圖5所示，尖軌不足位移的變化趨勢如圖6所示。

圖6 尖軌不足位移隨扣件橫向剛度變化趨勢

由圖5和圖6可見，尖軌轉(zhuǎn)換力隨扣件橫向剛度的增大而略有減小，但變化幅度不明顯;不足位移隨扣件橫向剛度的增大有所減小。因此，增大跟端扣件的橫向剛度可以有效控制和減小尖軌的不足位移。同理，采取措施增大尖軌跟端橫向剛度，如在尖軌跟端設(shè)置間隔鐵，也能夠有效控制和減小尖軌的轉(zhuǎn)換力和不足位移。

2.3 夾異物對尖軌轉(zhuǎn)換的影響

當(dāng)牽引點(diǎn)處和牽引點(diǎn)后分別存在4，6和8 mm尺寸的夾異物，夾異物的位置分別是牽引點(diǎn)處、牽引點(diǎn)后1 m處、牽引點(diǎn)后2 m處和牽引點(diǎn)后3 m處時，牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換力變化如表1所示。＞6 000 N表示計(jì)算模型不收斂，扳動力遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)轍機(jī)的額定功率6 000 N。

表1 夾異物對尖軌轉(zhuǎn)換力的影響

由表1可見，夾異物的存在對于尖軌轉(zhuǎn)換的影響很大，夾異物的尺寸越大，尖軌所需的轉(zhuǎn)換力越大，夾異物位置距離牽引點(diǎn)越近，尖軌所需的轉(zhuǎn)換力越大。牽引點(diǎn)后2 m處存在4和6 mm尺寸的夾異物以及牽引點(diǎn)后3 m處存在4，6和8 mm尺寸夾異物的情況，尖軌的扳動力滿足要求(小于轉(zhuǎn)轍機(jī)的額定功率6 000 N)，其他情況牽引點(diǎn)均會出現(xiàn)轉(zhuǎn)換不到位的現(xiàn)象。因此在道岔轉(zhuǎn)換時要定期清理異物，防止夾異物的存在造成尖軌轉(zhuǎn)換不到位的現(xiàn)象。

3 心軌轉(zhuǎn)換影響因素分析

3.1 滑床板摩擦系數(shù)影響

滑床板摩擦系數(shù) μ 分別取 0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25和0.30時，心軌轉(zhuǎn)換力的變化趨勢如圖7所示，心軌不足位移的變化趨勢如圖8(橫坐標(biāo)原點(diǎn)指心軌尖端)所示。

由圖7和圖8可見，心軌牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換力隨滑床板摩擦系數(shù)的增大而增大，不足位移隨滑床板摩擦系數(shù)的增大而增大。當(dāng)滑床板摩擦系數(shù)取0.25時，心軌最大轉(zhuǎn)換力是4 240.6 N，小于轉(zhuǎn)轍機(jī)的額定功率6 000 N，滿足設(shè)計(jì)要求。心軌不足位移是3.565 mm，不足位移值偏大可以通過設(shè)置反變形解決。采取措施降低滑床板的摩擦系數(shù)，如滑床板涂油或使用減磨滑床臺，能夠有效降低轉(zhuǎn)換力，減小不足位移。

圖7 心軌轉(zhuǎn)換力隨滑床板摩擦系數(shù)變化趨勢

圖8 心軌不足位移隨滑床板摩擦系數(shù)變化趨勢

3.2 跟端扣件橫向剛度影響

心軌跟端扣件橫向剛度 K分別取25，50，75和100 kN/mm時，心軌轉(zhuǎn)換力的變化趨勢如圖9所示，心軌不足位移的變化趨勢如圖10所示。

圖9 心軌轉(zhuǎn)換力隨扣件橫向剛度變化趨勢

由圖9和圖10可見，定位至反位心軌轉(zhuǎn)換力隨扣件橫向剛度的增大而減小，反位至定位心軌轉(zhuǎn)換力隨扣件橫向剛度的增大有小幅度的上升，不足位移隨扣件橫向剛度的增大而減小，考慮到定位至反位轉(zhuǎn)換力高于反位至定位轉(zhuǎn)換力，因此，增大扣件橫向剛度可以有效地減小心軌轉(zhuǎn)換力和降低心軌不足位移。同理，采取措施增加心軌跟端橫向剛度，如在心軌跟端設(shè)置間隔鐵，可以有效控制心軌的轉(zhuǎn)換力和降低不足位移。

圖10 心軌不足位移隨扣件橫向剛度變化趨勢

3.3 夾異物尺寸影響

當(dāng)牽引點(diǎn)處和牽引點(diǎn)后分別存在4，6和8 mm尺寸的夾異物，夾異物的位置分別是牽引點(diǎn)處、牽引點(diǎn)后1 m處、牽引點(diǎn)后2 m處和牽引點(diǎn)后3 m處時，心軌牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換力變化如表2所示。＞6 000 N表示計(jì)算模型不收斂，扳動力遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)轍機(jī)的額定功率6 000 N。

表2 夾異物對心軌轉(zhuǎn)換力的影響

由表2可見，夾異物的存在對心軌轉(zhuǎn)換有很大的影響，夾異物尺寸越大，心軌所需轉(zhuǎn)換力越大，夾異物距離牽引點(diǎn)越近，心軌所需轉(zhuǎn)換力越大。表中列出存在夾異物的12種情況，定位至反位牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換力均＞6 000 N，心軌均不能轉(zhuǎn)換到位。因此，道岔需定期清理異物，以防止夾異物的存在導(dǎo)致心軌轉(zhuǎn)換不到位的現(xiàn)象。

4 結(jié)論和建議

本文以10號道岔為例，使用有限元的方法，分別建立了尖軌和心軌的轉(zhuǎn)換計(jì)算模型，分析了滑床板摩擦系數(shù)、扣件橫向剛度和夾異物對道岔轉(zhuǎn)換的影響，得出以下3點(diǎn)結(jié)論和建議。

1)尖軌和心軌的轉(zhuǎn)換力均隨滑床板摩擦系數(shù)的增大而增大，不足位移隨滑床板摩擦系數(shù)的增大而增大，為滿足設(shè)計(jì)要求，可以采取有效措施減小滑床板的摩擦系數(shù)，如設(shè)置輥輪、涂油、定期清理滑床板和使用減摩滑床臺等措施。

2)隨著尖軌和心軌跟端扣件橫向剛度的增大，尖軌和心軌的轉(zhuǎn)換力隨之減小，不足位移也隨之減小，因此通過增大扣件橫向剛度的措施可以有效減小尖軌和心軌的轉(zhuǎn)換力和不足位移。同時，采取措施增加尖軌和心軌跟端橫向剛度，如在跟端設(shè)置間隔鐵，可以有效控制和減小轉(zhuǎn)換力和不足位移。

3)夾異物的存在對尖軌和心軌的轉(zhuǎn)換影響非常大，特別是夾異物出現(xiàn)在尖軌或心軌牽引點(diǎn)附近時，將會直接導(dǎo)致尖軌或心軌轉(zhuǎn)換不到位，嚴(yán)重時影響行車安全，因此定期清理道岔中出現(xiàn)的夾異物是十分有必要的。

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