溫度作用下42號無砟道岔的受力與變形有限元分析

楊東升，王樹國

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

溫度作用下42號無砟道岔的受力與變形有限元分析

楊東升1，王樹國2

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

利用ANSYS建立客運專線42號無砟道岔模型，計算分析大溫差條件下的道岔受力與變形特點，同時討論了轉(zhuǎn)轍器跟端結(jié)構(gòu)形式對道岔受力與變形的影響。計算結(jié)果表明:通過設(shè)置限位量合適的限位器可控制道岔鋼軌的溫度力與縱向位移，保證轉(zhuǎn)轍器正常轉(zhuǎn)換;在最大年軌溫差較小的地區(qū)，尖軌跟端可不設(shè)傳力結(jié)構(gòu)，這樣有利于道岔溫度力的放散;尖軌跟端設(shè)置間隔鐵時，須檢算間隔鐵部件和基本軌的材料強度是否滿足要求。

42號道岔 有限元計算 溫度力 道岔變形

無縫道岔需滿足承受最大年軌溫差100℃的使用條件，且道岔可動部件在縱向可自由伸縮，但伸縮量過大會影響轉(zhuǎn)轍機正常工作，因此對無縫道岔在特定溫差下的受力與變形進行分析具有現(xiàn)實意義。本文采用ANSYS 14.0對客專線42號無砟道岔(圖號(07)006)的溫度力及變形進行有限元分析，并對比不同轉(zhuǎn)轍器跟端結(jié)構(gòu)形式對道岔鋼軌受力與變形的影響。

為方便表述，本文中道岔外軌指由基本軌—導(dǎo)軌—護軌基本軌構(gòu)成的長軌條，道岔里軌指由尖軌—導(dǎo)軌—翼軌—心軌構(gòu)成的長軌條。

1 道岔模型建立

鋪設(shè)于跨區(qū)間無縫線路的道岔基本軌處于固定區(qū)，承受巨大的溫度力，道岔里軌的約束較少導(dǎo)致相對位移量較大。為模擬這種困難條件，道岔模型前后需要分別連接100 m的區(qū)間無縫線路模型。模型只考慮42號無砟道岔本身的溫度力與變形，忽略無砟軌道軌下基礎(chǔ)的變形，因此假設(shè)道岔鋪設(shè)于連續(xù)剛性基礎(chǔ)上，模型只需要考慮鋼軌部件、扣件、限位器和間隔鐵。

1.1 鋼軌單元模擬

鋼軌在溫度作用下主要產(chǎn)生縱向力和縱向位移。本次計算模型使用beam188梁單元模擬鋼軌，該單元有2個節(jié)點，每個節(jié)點有6個自由度，適合線性大角度轉(zhuǎn)動和非線性大應(yīng)變問題。打開大變形選項可使beam188的應(yīng)力剛化，計算模型更容易收斂。42號道岔屬于大號碼道岔，導(dǎo)曲線圓曲線半徑為5 000 m，故可將梁單元簡化為直線，從而減少建模工作量。道岔直向和側(cè)向鋼軌的6個接頭，分別與100 m長的區(qū)間線路連接形成跨區(qū)間無縫線路。

1.2 聯(lián)結(jié)部件模擬

采用combin39非線性彈簧單元，通過設(shè)定不同參數(shù)(combin39的廣義“力—變形關(guān)系曲線”)來模擬扣件、限位器和間隔鐵。在建模時，設(shè)置多個單自由度的彈簧單元，對同一結(jié)構(gòu)或節(jié)點施加多個彈簧單元，以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)多方向的約束。combin39在單自由度情況下自由度方向完全受 K3關(guān)鍵字控制，與 i，j節(jié)點的相對位置無關(guān)，因此不需要考慮彈簧單元的位置與方向。

在模型中，基本軌、導(dǎo)軌、翼軌、區(qū)間鋼軌通過扣件連接在剛性基礎(chǔ)上，道岔區(qū)扣件間距按照岔枕實際間距布置，區(qū)間鋼軌扣件按照600 mm間距布置。尖軌和心軌屬于可動部件，沒有扣件的約束，尖軌在跟端連接限位器控制縱向位移，心軌則通過間隔鐵與翼軌相連。

1.3 模型連接與荷載施加

溫度荷載下道岔主要在縱向上變形，曲股鋼軌會產(chǎn)生很小的橫向變形，幾乎不產(chǎn)生豎向變形。所以本計算模型可簡化為平面問題，只需要考慮軌道平面上道岔部件的相互作用，模擬扣件的彈簧只需要提供X，Y軸向的平移約束和繞Z軸的轉(zhuǎn)動約束，即建立3種單自由度的combin39單元，采用不同的實常數(shù)實現(xiàn)各自的功能。

轉(zhuǎn)轍器部分采用限位器轍跟結(jié)構(gòu)，限位器的自由伸縮量為 ±7 mm，客專線42號道岔單側(cè)轍跟設(shè)置3組限位器。轍叉部分采用間隔鐵連接，其中轍叉前端左右翼軌由3組間隔鐵連接，轍叉跟端長短心軌分別與相應(yīng)翼軌由4組間隔鐵連接，長短心軌跟端由4組間隔鐵連接。連接長短心軌的間隔鐵全部膠結(jié)，即所有間隔鐵承受相同溫度力。道岔前后的鋼軌單元與區(qū)間鋼軌單元連接，區(qū)間鋼軌單元只受扣件約束，自由端鋼軌不受接頭阻力約束。

無縫道岔需滿足承受最大年軌溫差100℃的使用條件，因此道岔所承受的理論最大溫差高出鎖定軌溫50℃。由于無縫線路鎖定軌溫隨線路運行時間的增加而略有降低，所以對該模型施加55℃的溫升荷載，ANSYS默認的環(huán)境溫度為0，所以施加溫度荷載時直接輸入55即可。不考慮列車荷載，選擇靜態(tài)分析。

2 計算參數(shù)選取

2.1 梁單元參數(shù)

客專線道岔均采用60 kg/m鋼軌，60 kg/m鋼軌的彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，線膨脹系數(shù)α=1.18×10－5/℃。

由于beam188梁單元可采用任意多邊形截面，因此可使用AutoCAD軟件畫出60 kg/m鋼軌的實際截面，并保存為ANSYS可識別的圖形文件。在建模過程中調(diào)用此圖形文件，作為 beam 188梁單元的截面參數(shù)。采用這種建模方法，可避免鋼軌模型建模時等效換算等工作。模型中軌道縱向為X軸方向，橫向為Y軸方向。

2.2 彈簧單元參數(shù)

只需設(shè)置彈簧單元的3處參數(shù)即可滿足建模需要:①設(shè)置彈簧單元為單自由度體系;②規(guī)定單自由度彈簧的變形方向;③賦予彈簧不同的實常數(shù)，自定義彈簧的力—變形曲線。

扣件、限位器、間隔鐵的廣義力—變形關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 計算時采用的力—變形關(guān)系曲線

3 計算結(jié)果分析

3.1 道岔鋼軌溫度力

根據(jù)有限元程序計算，可得到道岔各鋼軌部件溫度力，如圖2所示。

由模型計算數(shù)據(jù)可知，42號道岔的直曲基本軌、左右里軌在相同溫升作用下溫度力的差值可以忽略不計。這主要是由于道岔號碼較大而且是無縫焊接，側(cè)向線路狀態(tài)與直向接近，因此圖2中沒有區(qū)分左右軌。

由圖 2(a)可知，無縫線路固定區(qū)的溫度力為1 281.3 kN，基本軌溫度附加力最大值為1 512.0 kN，基本軌溫度附加力峰值出現(xiàn)于限位器前方。這是由于限位器將導(dǎo)軌的溫度力傳遞到了基本軌上，引起了附加溫度力與固有溫度力疊加，出現(xiàn)了一個峰值。限位器后方，由于溫度附加力方向與固有溫度力方向相反，使得該區(qū)域的鋼軌溫度力減小，限位器承受的最大溫度力為466.7 kN，變化幅度為36.4%，因此要注意對限位器區(qū)的道岔部件進行強度檢算。

由圖2(b)可知:里軌固定區(qū)的溫度力與基本軌溫度力接近，為1 278.3 kN。尖軌和心軌自由伸縮，溫度力為0;尖軌跟端限位器承受溫度力，使得溫度力曲線產(chǎn)生突變，在翼軌跟端通過間隔鐵傳導(dǎo)心軌后長軌條的溫度力，由于間隔鐵全部膠結(jié)，共同承受溫度力，因此溫度力曲線在此處出現(xiàn)一段水平線，間隔鐵承受的溫度力為1 113.3 kN。

圖2 升溫55℃時42號道岔鋼軌部件縱向溫度力

3.2 道岔鋼軌縱向位移

道岔各鋼軌部件位移如圖3所示。道岔左右相應(yīng)鋼軌部件縱向位移的變化趨勢基本相同，這與道岔溫度力的特點相互印證。

圖3 升溫55℃時42號道岔鋼軌部件縱向位移

由圖3(a)可知，基本軌縱向位移最大值出現(xiàn)在靠近尖軌尖端第1組限位器處(距道岔前端42.3 m)，最大縱向位移為0.85 mm(以指向岔前方向為正值)，第2組限位器處縱向位移為0.75 mm，第3組限位器處縱向位移為0.63 mm，3組限位器產(chǎn)生的位移值依次減小。由限位器引起的鋼軌縱向位移影響范圍集中在轉(zhuǎn)轍器轍跟部分，其余部分的基本軌處于無縫線路的固定區(qū)，縱向位移基本為0。

由圖3(b)可知，尖軌和心軌都處于自由伸縮狀態(tài)，因此位移曲線斜率基本相同，尖軌尖端最大縱向位移為33.84 mm，心軌尖端最大縱向位移為13.82 mm，均滿足《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》的要求。導(dǎo)軌處于無縫線路由伸縮區(qū)過渡到固定區(qū)的部分，靠近限位器一端存在7 mm的自由伸縮量，靠近轍叉的一端與翼軌連接，再通過間隔鐵與心軌跟端的長軌條連接組成固定區(qū)，因此縱向位移量可視為0。翼軌跟端由于缺少鋼軌接頭阻力約束，會產(chǎn)生少量反向位移，但這部分位移對道岔結(jié)構(gòu)影響較小。

4 尖軌跟端結(jié)構(gòu)對道岔的影響

我國客專線系列道岔存在限位器、間隔鐵和無傳力部件3種尖軌跟端結(jié)構(gòu)。為研究尖軌跟端結(jié)構(gòu)和限位器限位量對道岔溫度力傳遞機理和鋼軌變形的影響，分5種工況進行了計算分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同尖軌跟端結(jié)構(gòu)道岔的計算結(jié)果(溫升55℃時)

由表1可知:

1)無尖軌跟端傳力部件時，基本軌無位移，也無溫度附加力，尖軌跟端處于自由伸縮狀態(tài)，故尖軌跟端不設(shè)傳力部件最利于溫度力的放散。但由于沒有限位裝置，在溫升55℃時，尖軌尖端的位移達到44.20 mm，不滿足維修規(guī)則中“尖軌允許伸縮位移40 mm”的要求。因此，尖軌跟端無傳力部件的道岔只能用于年軌溫差較小的線路(經(jīng)計算，允許最大升溫幅度為46℃，允許最大降溫幅度為47℃)。

2)采用限位器結(jié)構(gòu)可有效減少尖軌位移，同時也會向基本軌傳遞部分溫度力。根據(jù)不同限位量道岔模型的計算數(shù)據(jù)對比可知，限位量＜7 mm時，由于附加溫度力過大引起基本軌縱向位移增加，導(dǎo)致限位器對尖軌的約束能力提升不明顯;限位量＞7 mm時，尖軌伸縮量增加，同時溫度附加力可明顯減少。因此，限位器的限位量不宜＜7 mm，可根據(jù)現(xiàn)場鋪設(shè)條件安裝限位量較大的限位器。

3)尖軌跟端采用間隔鐵結(jié)構(gòu)，可明顯減小尖軌伸縮量，但也會向基本軌傳遞較大的溫度力，使基本軌的縱向位移增加。因此，設(shè)置間隔鐵轍跟結(jié)構(gòu)時需要檢算間隔鐵螺栓強度和基本軌強度。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用ANSYS建立了無縫道岔模型，分析了無縫道岔在溫度變化條件下鋼軌部件的受力與變形特征。通過對客專線42號道岔尖軌跟端結(jié)構(gòu)的對比分析，得到以下結(jié)論:

1)設(shè)置限位量合適的限位器可控制道岔鋼軌溫度力的放散，限制尖軌的縱向位移，保證轉(zhuǎn)轍器正常轉(zhuǎn)換;

2)在平均年軌溫差較小的地區(qū)(允許最大升溫幅度為46℃，允許最大降溫幅度為47℃)，尖軌跟端可不設(shè)傳力結(jié)構(gòu)，這有利于道岔溫度力的放散;

3)設(shè)置尖軌跟端間隔鐵結(jié)構(gòu)時，需檢算間隔鐵部件和基本軌的材料強度是否滿足要求。

［1］王樹國，林吉生.大號碼無縫道岔溫度力和變形的有限元計算［J］.中國鐵道科學(xué)，2005，26(5):68-72.

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［5］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2012］83號 高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)［M］.北京:中國鐵道出版社，2012.

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Finite element analysis of force and deformation in No.42 ballastless turnout with temperature effect

YANG Dongsheng1，WANG Shuguo2
(1.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081;2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he model of No.42 ballastless turnouts on passenger-dedicated line was established using ANSYS finite element software，stress and deformation characteristics of turnout under big temperature difference was analyzed，and the influence of different switch heel structure on the turnout stress and deformation was discussed.Research conclusions are that setting displacement restrictors with appropriate limit to control temperature force and longitudinal displacement of switch rail could ensure the normal conversion of switch，switch rail heels could not be set with power transmission structure in relatively smaller maximum annual rail temperature difference area，which is propitious to release switch temperature stress，if switch rail heel blocks are used as the anti-creep devices，material strength of blocks and stock rails should be tested in order to meet the requirements.

No.42 turnout;Finite element calculation;T emperature stress;T urnout deformation

U213.6;U238

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.29

(責(zé)任審編 李付軍)

2015-05-04;

:2015-09-26

楊東升(1990— )，男，碩士研究生。

1003-1995(2015)11-0100-04