整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔剛度均勻化探討

孫宏友,王　平,張東風(fēng),徐井芒,李　悅

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都　610031；

2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京　100055)

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整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔剛度均勻化探討

孫宏友1,王平1,張東風(fēng)2,徐井芒1,李悅1

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都610031；

2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京100055)

摘要：介紹整體道床交叉渡線道岔剛度均勻化的研究意義。交叉渡線道岔和單開道岔相比結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,為了研究其軌道剛度分布規(guī)律,以整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔為例,建立交叉渡線道岔的軌道剛度有限元計算模型。通過計算分析得到剛度均勻化之前軌道剛度分布規(guī)律,表明道岔橫向和縱向均存在較大的剛度不平順。探討剛度均勻化的原則和措施,提出交叉渡線道岔剛度均勻化的實現(xiàn)方法。剛度均勻化之后,直向和側(cè)向過岔的軌道整體剛度沿線路縱向基本呈均勻分布,可以滿足高速鐵路和城際鐵路在站線或折返線的運輸組織需要。

關(guān)鍵詞：交叉渡線道岔；剛度；均勻化；板下膠墊

軌道剛度是影響列車運行平穩(wěn)性和軌道結(jié)構(gòu)工作性能的重要參數(shù)之一[1]。如果道岔區(qū)軌道整體剛度分布不均勻，當(dāng)列車通過道岔時軌道豎向位移也會不均勻，這將惡化輪軌相互作用，影響到列車過岔時的平穩(wěn)性、平順性、舒適性[2]。國內(nèi)外對軌道剛度問題都非常重視，對軌道剛度合理取值及部件剛度合理匹配進(jìn)行了大量研究[3-9]。近年來，伴隨我國高速鐵路快速發(fā)展，高速道岔區(qū)軌道剛度合理設(shè)置及剛度均勻化的研究也取得了突出進(jìn)展[10-12]。部分高速鐵路和城際鐵路，在盡頭站或一般中間大站，由于折返等運輸組織需要，一般要設(shè)置60 kg/m鋼軌12號無砟道岔。該道岔處于盡頭站或站線，道岔直向容許通過速度160 km/h，側(cè)向50 km/h，軌下基礎(chǔ)為無砟軌道，且要有配套的交叉渡線，以便于動車折返，提高運輸效率。但目前尚無該道岔產(chǎn)品，給站場和軌道設(shè)計造成了很大不便。目前所進(jìn)行的道岔區(qū)剛度均勻化研究大多是針對單開道岔進(jìn)行的，較少涉及到交叉渡線道岔，由于交叉渡線道岔和單開道岔相比結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，其軌道整體剛度的分布規(guī)律必然與單開道岔不同，此交叉渡線道岔直向通過速度較高，所以有必要研究其軌道剛度均勻化問題。采用有限元軟件建立了整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔軌道剛度的計算模型，通過計算分析得出了剛度均勻化之前的軌道剛度分布規(guī)律。探討了剛度均勻化的原則和措施，剛度均勻化之后取得了較好的效果。

1交叉渡線道岔軌道剛度計算模型與參數(shù)

1.1計算模型

區(qū)間線路軌道系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)鋼軌、扣件、軌枕等部件組成，并且這些部件在線路縱向保持不變，使得區(qū)間線路軌道的剛度沿線路縱向呈均勻分布。目前區(qū)間線路軌道剛度的計算模型和方法已經(jīng)比較成熟。道岔區(qū)軌道系統(tǒng)相對區(qū)間線路軌道系統(tǒng)而言，其結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。在道岔區(qū)段內(nèi)，軌道整體剛度分布要受到很多因素的影響，由于道岔本身的結(jié)構(gòu)特性其剛度沿線路縱向分布必然呈現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象。

在考慮了扣壓件、鐵墊板、滑床臺板、軌下膠墊、板下膠墊，基本軌、尖軌、心軌、護(hù)軌等不同鋼軌類型的影響基礎(chǔ)上，采用有限單元法建立整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔軌道整體剛度計算模型。模型中將基本軌用等截面梁來模擬；尖軌用變截面梁模擬；此交叉渡線道岔轍跟為限位器結(jié)構(gòu)，對軌道豎向剛度影響不大，故建模時未考慮。由于無砟道岔的軌道彈性主要由扣件系統(tǒng)來提供，整體道床基本不提供彈性，故在建立計算模型時將扣件系統(tǒng)簡化成線性彈簧來模擬支點剛度，鐵墊板和滑床臺板未建立具體模型，其對軌道剛度的影響在板下膠墊的剛度中體現(xiàn)，扣件系統(tǒng)線性彈簧的剛度由板下膠墊和軌下膠墊的剛度串聯(lián)計算而得；本文用梁單元來模擬固定轍叉，考慮了固定轍叉的空間實際結(jié)構(gòu)，并模擬了固定轍叉每個截面的實際參數(shù)變化。轍叉部分力學(xué)模型如圖1所示。

圖1　轍叉部分模型

由于此交叉渡線道岔具有高度的上下左右對稱性質(zhì)，所以在建立有限元計算模型時只建立了左半部分的計算模型，在進(jìn)行計算結(jié)果分析時只畫出了1/4部分的整體剛度圖，其余部分的計算模型和計算結(jié)果均可通過上下左右對稱得到。本文采用的軌道剛度有限元計算模型如圖2所示。

圖2　岔區(qū)軌道剛度計算模型(1/2部分)

1.2計算參數(shù)

本文所討論的道岔基本軌為60 kg/m鋼軌，尖軌為60D40鋼軌，護(hù)軌為UIC33鋼軌。道岔中各種類型鋼軌的彈性模量均取為206 GPa，泊松比為0.3。Ⅱ型彈條扣壓力取為10 kN，彈程為10 mm，則其剛度取為1 kN/mm。軌下膠墊的剛度均取為300 kN/mm。標(biāo)準(zhǔn)長度(指非共用鐵墊板)板下膠墊的剛度為40 kN/mm，共用鐵墊板的板下膠墊剛度與標(biāo)準(zhǔn)長度板下膠墊的剛度為線性比例關(guān)系，通過長度的比例關(guān)系計算即可得到。

2岔區(qū)軌道剛度分布規(guī)律

通過計算可得到均勻化前直向、側(cè)向過岔軌道整體剛度，其分布規(guī)律如圖3所示。

表1中列出了剛度均勻化前岔區(qū)軌道整體剛度的最大值和最小值，并列出了支點剛度、縱向變化率、里基剛度比的最大值和最小值。

表1　剛度均勻化前計算結(jié)果

圖3　均勻化前軌道整體剛度分布規(guī)律(1/4部分)

通過對以上計算結(jié)果的分析可以得到如下規(guī)律。

(1)直基本軌的軌道整體剛度在6號銳角轍叉和6號鈍角轍叉部分最大，這是由于轍叉部分共用鐵墊板長度長，板下膠墊剛度大，并且轍叉部分鋼軌整體性強、抗彎剛度大；在轉(zhuǎn)轍器部分剛度次之，這是由于轉(zhuǎn)轍器部分基本軌和尖軌共用鐵墊板，板下膠墊的剛度較大；在非共用墊板區(qū)段剛度最小。

(2)曲基本軌并不通過轍叉區(qū)段，其軌道整體剛度在轉(zhuǎn)轍器部分平均值最大，這是由于轉(zhuǎn)轍器部分基本軌和尖軌共用鐵墊板，板下膠墊的剛度較大；在12號轍叉護(hù)軌區(qū)段較非共用墊板部分剛度稍大，這是由于基本軌和護(hù)軌共用鐵墊板，并且板下膠墊的剛度稍大所致；在非共用墊板區(qū)段剛度最小。

(3)直向里軌的軌道整體剛度在12號轍叉和6號鈍角轍叉部分最大，轉(zhuǎn)轍器部分稍大，非共用墊板區(qū)段最小。在轍叉部分剛度最大的原因和直基本軌基本相同，在轉(zhuǎn)轍器部分剛度稍大是由于尖軌和基本軌共用鐵墊板，板下膠墊剛度較大，并且基本軌有一定的幫軌作用。

(4)側(cè)向里軌和直向里軌的剛度變化規(guī)律基本相同：轍叉部分剛度最大，轉(zhuǎn)轍器部分次之，連接部分最小，側(cè)向里軌和直向里軌不同的地方就是，直向里軌要通過12號轍叉和6號鈍角轍叉2個轍叉，而側(cè)向里軌只通過12號轍叉1個轍叉，所以側(cè)向里軌只有一個剛度最大的部分。

(5)直向、側(cè)向通過此交叉渡線道岔時，軌道整體剛度分布均存在較大的不平順，這以轍叉區(qū)段最為明顯。

3岔區(qū)軌道剛度均勻化

3.1剛度均勻化原則

(1)合理的剛度設(shè)計：合理的軌道剛度能提高列車運行舒適性、安全性，改善輪軌關(guān)系。線路條件不同、運營條件不同，軌道的合理剛度值也必然不同。本文所討論的整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔整體剛度均勻化目標(biāo)為(70±5) kN/mm。

(2)剛度均勻化標(biāo)準(zhǔn)：剛度均勻化的目標(biāo)是使道岔各個區(qū)段的軌道整體剛度趨于一致[2]。影響道岔軌道剛度的因素有很多，由于結(jié)構(gòu)和功能上的需要某些影響因素是不能消除的，就是說對道岔采取剛度均勻化措施不可能使其剛度完全在一個水平線上。經(jīng)過大量運營實踐和檢測數(shù)據(jù)分析表明：由軌道整體剛度差引起的軌道撓曲變化率應(yīng)控制在0.3 mm/m范圍內(nèi)[2]。

(3)剛度均勻化實現(xiàn)方法：道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計時，鋼軌類型選定了，其抗彎剛度就確定了，剛度優(yōu)化時是不能改變的；本文討論的是整體道床交叉渡線道岔，其道床剛度很大，改變其剛度需要在道床板下設(shè)置橡膠墊層，造價高，損壞后難以修復(fù)，所以岔區(qū)剛度均勻化不通過改變道床剛度來實現(xiàn)；軌下膠墊保證了扣件系統(tǒng)的抗扭剛度，不能采用低剛度；扣件鐵墊板下的橡膠墊板，是扣件系統(tǒng)的彈性主體，由于改變其剛度較容易實現(xiàn)，所以本文采用合理設(shè)置板下膠墊的剛度來實現(xiàn)道岔剛度均勻化。

3.2剛度均勻化措施

根據(jù)上述原則，采用如下的剛度均勻化措施：將軌下膠墊的剛度保持300 kN/mm不變，將單位長度非共用鐵墊板的板下膠墊剛度設(shè)為87 kN/mm。以剛度均勻化目標(biāo)值為導(dǎo)向設(shè)置共用鐵墊板的板下膠墊剛度，先提出剛度均勻化方案，然后用所建立的交叉渡線道岔軌道剛度計算模型計算分析并修改完善，確定最終的剛度均勻化方案。表2和圖4為最終優(yōu)化結(jié)果，其中岔枕編號為道岔設(shè)計圖中1/4部分的岔枕編號，其余部分對稱可得。

表2　均勻化后板下膠墊剛度

圖4　均勻化后板下膠墊剛度劃分

3.3剛度均勻化效果

圖5　均勻化前后軌道整體剛度分布規(guī)律對比(1/4部分)

如圖5所示，對比了均勻化之后直向、側(cè)向過岔軌道整體剛度和均勻化之前相應(yīng)的軌道整體剛度。由圖5可以看出，采取剛度均勻化措施之后，剛度不平順有明顯改善。表3中列出了剛度均勻化后岔區(qū)軌道整體剛度的最大值和最小值，并列出了支點剛度、縱向變化率、里基剛度比的最大值和最小值。

表3　剛度均勻化后計算結(jié)果

整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔通過改變板下膠墊剛度的方式進(jìn)行剛度均勻化之后，其軌道整體剛度分布規(guī)律如下。

(1)直基本軌在轉(zhuǎn)轍器部分有微小波動，在6號銳角轍叉和6號鈍角轍叉中心區(qū)域有較小波動，其余部分基本呈均勻分布。最大縱向變化率從均勻化之前的335.15%降至均勻化之后的170.56%。

(2)曲基本軌僅在轉(zhuǎn)轍器部分有微小波動，其余部分基本呈均勻分布。最大縱向變化率從均勻化之前的155.19%降至均勻化之后的112.19%。

(3)直向里軌在轉(zhuǎn)轍器部分有微小波動，在12號轍叉和6號鈍角轍叉中心區(qū)域有較小波動，其余部分基本呈均勻分布。最大縱向變化率從均勻化之前的435.46%降至均勻化之后的188.57%。

(4)側(cè)向里軌在轉(zhuǎn)轍器部分有微小波動，在12號轍叉中心區(qū)域有較小波動，其余部分基本呈均勻分布。最大縱向變化率從均勻化之前的433.48%降至均勻化之后的187.65%。

(5)直向過岔最大里基剛度比從均勻化之前的3.06降至均勻化之后的1.32，側(cè)向過岔最大里基剛度比從均勻化之前的3.77降至均勻化之后的1.82。

4結(jié)論及建議

(1)整體道床60 kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔在采取相應(yīng)的剛度均勻化措施之前，直向、側(cè)向過岔均存在較大的剛度不平順，其中以12號轍叉、6號銳角轍叉和6號鈍角轍叉區(qū)段最為明顯。

(2)在采用了本文的剛度均勻化措施之后基本能使整體道床60kg/m鋼軌12號5 m間距交叉渡線道岔的軌道整體剛度呈均勻分布，提高列車通過此交叉渡線道岔時的安全性和舒適性，可以滿足高速鐵路和城際鐵路在站線或折返線的運輸組織需要。

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Approach to Stiffness Homogenization of No.12 Crossover Turnout with Integrated Bed and 5m Spacing Used in 60 kg/m RailSUN Hong-you1, WANG Ping1, ZHANG Dong-feng2, XU Jing-mang1, LI Yue1

(1.MOE Key Laboratory of High speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University,

Chengdu 610031, China; 2.China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：This paper introduces the significance of stiffness homogenization for crossover turnout with integrated bed. Compared with single turnout, the structure of crossover turnout is more complicated. To identify the distribution rules of track rigidity of crossover turnout, a FEM calculation model for track rigidity of No. 12 crossover turnout with integrated bed and 5m Spacing Used in 60 kg /m Rail is established. Analytical results of distribution rules of track stiffness before stiffness homogenization show that stiffness irregularities exist laterally and longitudinally in the turnout. This paper addresses the principles and measures of crossover turnout stiffness homogenization, and puts forward the method to achieve it. After using relevant homogenization measurements, the integral stiffness beneath the straight and curve stock rails along track’s longitudinal direction demonstrate linear relationship, which can meet the transport organization needs for station track and return track on high-speed lines and intercity lines.

Key words：Crossover turnout; Stiffness; Homogenization; Rubber pad

中圖分類號：U213.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.006

文章編號：1004-2954(2015)01-0025-04

作者簡介：孫宏友(1988—)，男，碩士研究生，E-mail：563471355@qq.com。

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2682013CX043)

收稿日期：2014-03-20； 修回日期：2014-05-11