朔黃鐵路無(wú)縫道岔縱向力分析與應(yīng)用

李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

朔黃鐵路無(wú)縫道岔縱向力分析與應(yīng)用

李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

朔黃鐵路道岔采用75 kg/m鋼軌12號(hào)單開(kāi)道岔，無(wú)縫道岔采用半焊式，側(cè)線未進(jìn)行焊接或凍結(jié)，道岔轉(zhuǎn)轍器部位是無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)受力最不利的部位，道岔基本軌承受縱向力較大，且尖軌易產(chǎn)生爬行。為分析無(wú)縫道岔在溫度力作用下的受力和變形規(guī)律，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維修和管理作業(yè)，采用三節(jié)點(diǎn)力學(xué)模型和二次松弛法對(duì)無(wú)縫道岔溫度力和變形進(jìn)行了分析，并結(jié)合線路實(shí)際問(wèn)題，對(duì)重載鐵路無(wú)縫道岔提出改進(jìn)和加強(qiáng)建議。

無(wú)縫道岔 縱向力 位移 養(yǎng)護(hù)維修

美國(guó)、加拿大、澳大利亞、南非、瑞典、巴西等國(guó)外重載鐵路的軸重普遍達(dá)到30 t以上，最大軸重達(dá)至40 t。從國(guó)際鐵路發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，提高軸重是重載鐵路提高運(yùn)輸能力和運(yùn)輸效率最有效的途徑之一［1］。提高既有鐵路尤其是煤炭運(yùn)輸鐵路軸重是鐵路發(fā)展的趨勢(shì)。2011年朔黃鐵路開(kāi)始進(jìn)行30 t軸重線路設(shè)備改造與強(qiáng)化研究，并于2013年7月進(jìn)行了30 t軸重貨物列車(chē)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，現(xiàn)已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)，朔黃鐵路2014年運(yùn)量達(dá)到2.48億t。

朔黃鐵路上行線為重載線路，線路類(lèi)型為跨區(qū)間無(wú)縫線路，鋼軌類(lèi)型為75 kg/m鋼軌，具有大運(yùn)量、高密度運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)。采用的30 t軸重75 kg/m鋼軌12號(hào)單開(kāi)道岔(以下稱(chēng)12號(hào)道岔)是根據(jù)重載鐵路運(yùn)輸需要研制的，可滿足軸重提高對(duì)軌道設(shè)備的綜合要求［2］。為分析無(wú)縫道岔在溫度力作用下的受力和變形規(guī)律，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維修和管理作業(yè)，采用原蘭州鐵道學(xué)院許實(shí)儒教授提出的三節(jié)點(diǎn)力學(xué)模型和二次松弛法對(duì)無(wú)縫道岔溫度力和變形進(jìn)行了分析，并結(jié)合線路實(shí)際問(wèn)題，提出改進(jìn)和加強(qiáng)建議。

1 計(jì)算模型的建立

鋪設(shè)道岔為75 kg/m鋼軌12號(hào)單開(kāi)道岔，直線方向?yàn)楣潭▍^(qū)，側(cè)線方向?yàn)槠胀ň€路。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

假設(shè)尖軌與基本軌的聯(lián)結(jié)是固定的，不能相互位移，整個(gè)道岔共有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，基本軌與導(dǎo)軌聯(lián)結(jié)的兩個(gè)轍跟部位用節(jié)點(diǎn)a和b表示，轍叉心用節(jié)點(diǎn)c表示。用δa，δb和 δc分別表示各節(jié)點(diǎn)的縱向位移，以向左為正。把節(jié)點(diǎn)a視為a1，a3和ac三個(gè)軌端的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，用Pac表示作用在ac軌節(jié)a端的溫度力;用 δac表示 ac軌節(jié)a端的位移;其余依次類(lèi)推。ac軌節(jié)以道岔導(dǎo)曲線的弦線表示。曲股和直股兩根鋼軌長(zhǎng)Lac和Lbc均包括轍叉前長(zhǎng)，兩者相差很少，近似取值1 700 cm，轍叉角ɑ為4°45'49″，cosɑ≈1。

圖1 計(jì)算模型

2 無(wú)縫道岔溫度力及位移計(jì)算

2.1 計(jì)算原理

按照超靜定結(jié)構(gòu)力學(xué)松弛法原理，首先將各節(jié)點(diǎn)鎖住，既不允許各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生位移，求出此時(shí)各軌溫度力。第一次松弛，將各節(jié)點(diǎn)約束松弛，節(jié)點(diǎn)左右受力不平衡，產(chǎn)生位移，道床縱向阻力發(fā)揮作用，各節(jié)點(diǎn)受力得以平衡，求得節(jié)點(diǎn)位移和各軌溫度力。第二次松弛，將尖軌跟部和基本軌之間的約束去掉，尖軌將產(chǎn)生相對(duì)于基本軌的位移，并引起各軌內(nèi)力重新分布［3］。

計(jì)算時(shí)，對(duì)節(jié)點(diǎn)a以左和節(jié)點(diǎn)c以右的區(qū)段，道床縱向梯度阻力r1為常量，每股鋼軌取91 N/cm。節(jié)點(diǎn)a處的道床縱向阻力p為91 N/cm，節(jié)點(diǎn)c處道床縱向阻力p'為131 N/m，而軌枕每側(cè)有兩根鋼軌，外側(cè)兩根基本軌的道床縱向阻力p1為91 N/cm，內(nèi)側(cè)兩導(dǎo)軌ac和bc的道床縱向阻力p2則為20 N/cm。

本文中，鋼軌溫度變化以朔黃鐵路途徑的肅寧地區(qū)為例，歷史最高軌溫 Tmax為61.1℃，歷史最低軌溫Tmin為－22.6℃。

2.2 節(jié)點(diǎn)鎖定時(shí)鋼軌溫度力計(jì)算

1)固定區(qū)鋼軌溫度力P0

道岔內(nèi)任何不能伸縮的鋼軌溫度力均等于固定區(qū)鋼軌溫度力 P0。以肅寧地區(qū)為例，鎖定軌溫28℃，Tmax－Tmin=83.7℃，壓應(yīng)力溫差 Δt壓=33.1℃，拉應(yīng)力溫差 Δt拉=50.6℃，75 kg/m 鋼軌截面積 F= 95.037 cm2。彈性模量E=210×109Pa。鋼軌溫度膨脹系數(shù) α=1.18×10－5/℃，以鋼軌升溫為例，P0= EFαΔt壓=23.55Δt壓=780 kN，即在固定區(qū)內(nèi)，溫度每變化1℃，單根鋼軌溫度力變化23.55 kN。

2)伸縮區(qū)鋼軌溫度力

在圖1中，所有鋼軌均處于固定區(qū)，只有側(cè)向c5，b6處于伸縮區(qū)。c5，b6的長(zhǎng)度分別用Lc5和Lb6表示。根據(jù)道岔結(jié)構(gòu)尺寸，取Lc5=2 895.4 cm，Lb6=5 252.4 cm。

假設(shè)夾板接頭阻力PH=550 kN，則 c5段鋼軌作用于節(jié)點(diǎn)c的溫度力P0c5=813 kN，b6鋼軌作用于節(jié)點(diǎn)b的溫度力P0b6=1 027 kN。

2.3 第1次松弛時(shí)各點(diǎn)溫度力和位移

變形相容條件:當(dāng)約束放松時(shí)，節(jié)點(diǎn)a將產(chǎn)生位移δa，與節(jié)點(diǎn)a相聯(lián)結(jié)的各軌端亦將產(chǎn)生位移，并與δa相等，即δa=δa1=δa3=δac。ac段鋼軌作用于節(jié)點(diǎn)a的溫度力為ΔPac，假設(shè)其大小為P0的1/4，即

ΔPac=P0/4=195 kN

1)第一次松弛時(shí)各節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算

式中:p為a端的道床縱向阻力;ΔPa1為a1軌節(jié)a端的溫度力變化量，ΔPa1=(P0－ΔPac)/2。

2)a1軌節(jié)a端的溫度力變化ΔPa1的影響范圍為

式中:p1為外側(cè)兩根基本軌的道床縱向阻力。

3)導(dǎo)軌ac的伸長(zhǎng)量

式中:Cp為單位道床阻力平均值，取34 kN。4)節(jié)點(diǎn)c的位移計(jì)算

5)節(jié)點(diǎn)c的各軌端部力因已知δc4=δc5=δc，故有

6)導(dǎo)軌bc的伸長(zhǎng)量

如圖2所示，由力的平衡條件得cb軌節(jié)b端的溫度力變化量ΔPcb=233 kN，ΔPbc=ΔPcb+Cp=267 kN。

圖2 節(jié)點(diǎn)c的閉合條件

7)節(jié)點(diǎn)b的位移和閉合條件

由以上的遞推分析已求得δb和ΔPbc，兩個(gè)數(shù)值需滿足節(jié)點(diǎn)b的閉合條件(圖3)。

圖3 節(jié)點(diǎn)b的閉合條件

如圖3所示，由力的平衡條件得P0+ΔPb2=P0－ΔPbc+P0b6－ΔPb6，由相容條件得 δb=δb6=δb2=δbc，從而有

2.4 第2次松弛時(shí)尖軌相對(duì)基本軌的位移

上述所求得的各鋼軌端部力是在假設(shè)尖軌跟部與基本軌完全固定的條件下得出的?，F(xiàn)在將這個(gè)約束去掉，首先分析尖軌跟部聯(lián)結(jié)部件完全不能傳遞縱向力的極端情況。以導(dǎo)軌ac為例，這時(shí)a端將向前位移，其端部力將釋放為0，如圖4所示。

當(dāng)導(dǎo)軌ac端部向前伸長(zhǎng)時(shí)，扣結(jié)導(dǎo)軌的中間扣件將阻止其位移，此阻力將通過(guò)軌枕而傳給基本軌。這就相當(dāng)于原來(lái)由跟部聯(lián)結(jié)部件集中承受的585 kN端部力，現(xiàn)在改由中間部件通過(guò)軌枕分散傳遞給基本軌［4］。

現(xiàn)假設(shè)c點(diǎn)位移為0，縱向阻力呈線性分布，縱向阻力主要是基本軌通過(guò)扣件—岔枕—扣件而傳遞的阻力。經(jīng)第2次松弛后，內(nèi)力重新分布，基本軌a1，a3和導(dǎo)軌ac的內(nèi)力圖參看圖4，圖中陰影部分即表示二次松弛后得到的內(nèi)力分布。由圖可以看出導(dǎo)軌減小的溫度力585 kN加給了基本軌(AB區(qū)段疊加至 E處)。在此情況下，導(dǎo)軌a端或尖軌跟部的位移量δ等于被釋放的溫度力除以EF，即

也就是說(shuō)，一年內(nèi)尖軌跟部與基本軌相對(duì)位移的變化幅度有可能達(dá)到0.7 cm。這對(duì)跟部聯(lián)結(jié)螺栓來(lái)說(shuō)還是可以承受的。

隨著軌溫升高，道岔基本軌上的附加縱向力逐漸增大［5］，在基本軌的轉(zhuǎn)轍器附近出現(xiàn)最大附加縱向力。在同一軌溫條件下，從轍叉跟端至尖軌跟端導(dǎo)軌的縱向力逐漸遞減，轍叉趾端和跟端的縱向力差等于轍叉的阻力。由以上分析可知，在尖軌跟端相對(duì)應(yīng)的直、曲基本軌位置向尖軌尖端方向出現(xiàn)溫度力峰值，最大壓應(yīng)力在975～1 109 kN，比固定區(qū)壓力增加了約66%，影響范圍在2.857～4.000 m。

圖4 尖軌跟部聯(lián)結(jié)部件不傳遞縱向力的情況(單位:kN)

3 無(wú)縫道岔運(yùn)營(yíng)中常見(jiàn)問(wèn)題分析

3.1 無(wú)縫道岔轉(zhuǎn)轍部分

道岔是線路的薄弱環(huán)節(jié)之一，而道岔轉(zhuǎn)轍器部位是整個(gè)道岔結(jié)構(gòu)受力最不利的部位，為確保無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，無(wú)縫道岔上的鋼軌扣件必須經(jīng)常保持緊固。在基本軌的外側(cè)應(yīng)加強(qiáng)防爬鎖定，保持規(guī)定的螺栓扭力矩和道床飽滿密實(shí)，砟肩寬度和堆高相比其它部位適當(dāng)增加。SC559道岔在轉(zhuǎn)轍部分的第1、第2牽引桿兩端的岔枕間設(shè)有岔枕聯(lián)結(jié)裝置，此裝置可保證牽引桿兩側(cè)軌枕的標(biāo)準(zhǔn)間距，既能防止?fàn)恳龡U與岔枕發(fā)生相對(duì)位移，又能提高道岔整體框架剛度。在道岔日常管理當(dāng)中要保證岔枕聯(lián)結(jié)裝置位置正確，作用良好。

在無(wú)縫道岔溫度力和位移分析當(dāng)中，假設(shè)尖軌跟端和導(dǎo)軌的聯(lián)結(jié)處為固定節(jié)點(diǎn)，兩導(dǎo)軌為無(wú)縫線路中的固定區(qū)，尖軌處于自由伸縮狀態(tài)［6］。實(shí)際情況很難實(shí)現(xiàn)尖軌跟端的完全固定，同時(shí)尖軌在重載列車(chē)縱向力作用下也易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，日常維修當(dāng)中應(yīng)高度重視檢查尖軌的位移，特別是直、曲尖軌的不同步位移，加強(qiáng)轉(zhuǎn)轍部位各部螺栓的鎖定和聯(lián)結(jié)零件的齊全有效，以免影響道岔扳動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 無(wú)縫道岔凍結(jié)接頭

尖軌跟端與導(dǎo)軌相聯(lián)的接頭和轍叉趾、跟部均采用凍結(jié)接頭［7］，并采用夾板和鋼軌軌腹粘結(jié)成一體的技術(shù)，確保其足夠的抗剪能力。凍結(jié)接頭阻力理論上可以達(dá)到2 500 kN，但在日常維修養(yǎng)護(hù)中往往由于安裝工藝不標(biāo)準(zhǔn)、接頭螺栓得不到定期復(fù)緊、接頭狀態(tài)不良等導(dǎo)致凍結(jié)失效，產(chǎn)生軌端位移，造成導(dǎo)軌非正常位移。凍結(jié)施工后3 d內(nèi)每天檢查軌縫，同時(shí)對(duì)接頭螺栓進(jìn)行復(fù)緊，第7 d再進(jìn)行檢查和復(fù)緊1次，1個(gè)月時(shí)再次進(jìn)行檢查和復(fù)緊，并將檢查和復(fù)緊情況登入技術(shù)卡片。此后每月應(yīng)對(duì)凍結(jié)接頭檢查軌縫、復(fù)緊螺栓，使螺栓扭矩保持在1 100 N·m，經(jīng)常保持凍結(jié)接頭處于完好狀態(tài)。

3.3 無(wú)縫道岔限位器

朔黃鐵路上行正線采用的主型道岔為 SC559，在第26～第27根和第30～第31根軌枕之間安裝限位器2組，尖軌跟端接頭在第28～第29根軌枕之間，兩組限位器分別對(duì)尖軌與基本軌和導(dǎo)軌與基本軌之間的相對(duì)位移進(jìn)行了限制。在鎖定軌溫下，限位器的間隙應(yīng)符合(7.0±1.5)mm的要求。限位器如有卡死的現(xiàn)象，將增加對(duì)基本軌的附加作用力，甚至影響基本軌的正常工作，因此在限位器間隙 ＜0.5 mm時(shí)應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)道岔進(jìn)行全面檢查，分析產(chǎn)生原因，恢復(fù)原有狀態(tài)，確保道岔受力均衡［8］。

3.4 無(wú)縫道岔絕緣接頭

朔黃線SC559道岔的絕緣接頭設(shè)置在連接部分的側(cè)股，其中導(dǎo)曲線上股設(shè)置為膠接絕緣接頭，則 ac段為固定區(qū);導(dǎo)曲線下股設(shè)置為凍結(jié)絕緣接頭，則 b6段為伸縮區(qū)［9］。接頭軌縫設(shè)置:膠接絕緣接頭按6 mm，其他接頭按8 mm。膠接絕緣鋼軌進(jìn)行永久處理后，應(yīng)嚴(yán)格掌握軌溫、膠接絕緣鋼軌長(zhǎng)度和預(yù)留軌縫，確保處理后無(wú)縫線路鎖定軌溫不變。位于導(dǎo)曲線上的絕緣接頭，要及時(shí)打磨軌頭下顎出現(xiàn)的肥邊，當(dāng)接頭處側(cè)磨達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)更換鋼軌，以防止因軌頭下顎肥邊與夾板接觸而構(gòu)成聯(lián)電故障［10］，小半徑曲線可使用曲股內(nèi)側(cè)專(zhuān)用膠接絕緣夾板。發(fā)現(xiàn)膠接絕緣接頭個(gè)別螺栓折斷或松動(dòng)時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換并復(fù)緊，新更換螺栓扭矩應(yīng)達(dá)到1 200 N·m，并在5 d內(nèi)復(fù)緊3次。

3.5 無(wú)縫道岔側(cè)線

側(cè)線和渡線應(yīng)鎖定，鋼軌接頭宜焊接或凍結(jié)［11］，緊固扣件，朔黃線無(wú)縫道岔采用半焊式結(jié)構(gòu)，側(cè)線沒(méi)有進(jìn)行焊接或凍結(jié)，但要求鎖定75 m線路，困難情況下不應(yīng)短于50 m。由于朔黃上行正線為跨區(qū)間無(wú)縫線路，下行正線為普通線路，若側(cè)線在近距離內(nèi)(不足50 m)有鄰線道岔，則應(yīng)加強(qiáng)鄰線道岔的鎖定，否則對(duì)相鄰道岔受力有不利影響。

3.6 無(wú)縫道岔傷損軌料更換

朔黃鐵路SC559道岔轍叉采用貝氏體組合轍叉，轍叉趾、跟部與轍叉亦采用膠粘凍結(jié)接頭，接頭端部設(shè)玻璃鋼軌端片。由于朔黃鐵路運(yùn)行以C70，C80為主的萬(wàn)t列車(chē)，軸重在25 t以上，高密度、大運(yùn)量和大軸重的列車(chē)對(duì)道岔部件的損害較大，導(dǎo)致尖軌和轍叉的更換較為頻繁，由于施工時(shí)間限制往往不能立即實(shí)現(xiàn)相關(guān)部位的凍結(jié)且不能恢復(fù)原鎖定軌溫，而是先以普通接頭夾板進(jìn)行聯(lián)結(jié)，造成道岔內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行重新分配［12］。在更換過(guò)程中造成的無(wú)縫道岔鎖定軌溫不均或異常，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行應(yīng)力放散，恢復(fù)道岔原鎖定軌溫，并保持轍叉位置不變且膠粘凍結(jié)接頭不失效。尖軌和基本軌是配套供應(yīng)的，因此若尖軌發(fā)生傷損，傷損的尖軌應(yīng)與其基本軌同時(shí)更換。如單獨(dú)更換尖軌，更換前應(yīng)校核尖軌的幾何尺寸，使之與基本軌配套，并及時(shí)進(jìn)行基本軌和尖軌的順坡打磨。基本軌損害不能繼續(xù)使用時(shí)，在切割拆除基本軌后，先換入軌端帶螺栓孔的基本軌，兩端用夾板和螺栓聯(lián)結(jié)，臨時(shí)恢復(fù)通車(chē)，然后安排換入軌端無(wú)孔的基本軌，用鋁熱焊或小型氣壓焊焊接，進(jìn)行永久處理。

3.7 無(wú)縫道岔應(yīng)力放散

無(wú)縫道岔應(yīng)力放散應(yīng)以每組道岔為一單元，除道岔之間的夾直線外，應(yīng)力放散單元軌條不宜超過(guò)150 mm，道岔的中心位置保持不變，道岔直、曲基本軌應(yīng)力放散應(yīng)徹底準(zhǔn)確且均勻［13］。應(yīng)力放散后，及時(shí)將應(yīng)力放散日期、時(shí)間、放散軌溫、重新鎖定軌溫記入技術(shù)檔案，并及時(shí)重設(shè)縱向位移觀測(cè)標(biāo)記。放散后12 h內(nèi)粘貼好位移觀測(cè)標(biāo)尺，對(duì)兩個(gè)單元軌節(jié)共用的觀測(cè)樁和觀測(cè)標(biāo)尺保留在非放散單元，放散后1～4 d內(nèi)安排人員對(duì)各部分立螺栓進(jìn)行復(fù)擰，確?？蹓毫_(dá)標(biāo)。

4 結(jié)論

1)道岔轉(zhuǎn)轍器部位是整個(gè)道岔結(jié)構(gòu)受力最不利的部位。在尖軌跟端相對(duì)應(yīng)的直、曲基本軌位置向尖軌尖端方向出現(xiàn)溫度力峰值，最大壓應(yīng)力在 975～1 109 kN，比固定區(qū)壓力增加了約66%，影響范圍在2.857～4.000 m。尖軌在重載列車(chē)縱向力的作用下也易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。

2)尖軌跟端與導(dǎo)軌相聯(lián)的接頭和轍叉趾、跟部均采用凍結(jié)接頭，并將夾板和鋼軌軌腹粘結(jié)成一體，確保其足夠的抗剪能力，凍結(jié)接頭阻力理論上可以達(dá)到2 500 kN。

3)朔黃鐵路上行正線采用的主型道岔為 SC559，采用半焊式結(jié)構(gòu)，側(cè)線沒(méi)有進(jìn)行焊接或凍結(jié)。在第26～第27根和第30～第31根軌枕之間安裝限位器2組，尖軌限位器前后各25 m范圍內(nèi)基本軌扣件的扭矩一般在60～80 N·m。

4)道岔部件損害后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行應(yīng)力放散，恢復(fù)道岔原鎖定軌溫，并保持轍叉位置不變且膠粘凍結(jié)接頭不失效。

5)無(wú)縫道岔應(yīng)力放散應(yīng)以每組道岔為一個(gè)單元，放散單元軌條不宜超過(guò)150 mm，放散后1～4 d內(nèi)對(duì)螺栓進(jìn)行復(fù)擰，確?？蹓毫_(dá)標(biāo)。

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Analysis and application of continuous welded turnout's longitudinal force for Shuozhou-Huanghuagang railway

LI Baolong
(Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Suning Hebei 062350，China)

Shuohuang railway turnout used 75 kg/m Rail 12 simple turnout and continuous welded turnout was half welded style，lateral line of which has not been welded or frozen.T urnout switch is the most disadvantaged force part of continuous welded turnout structure，turnout basic rail bears a large longitudinal force，and switch rail is prone to creeping.In order to analyze the stress and deformation law of the continuous welded turnout under the action of temperature and guide field maintenance and management，temperature force and deformation of the continuous welded turnout were analyzed by using three node mechanical model and twice relaxation method，and improvement and suggestions for the continuous welded turnout of heavy haul railway were proposed by combining with railway line actual problem.

Continuous welded turnout;Longitudinal force;Displacement;M aintenance and repair

U239.4;U213.6

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.33

(責(zé)任審編 葛全紅)

2015-08-10;

:2015-09-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAG20B00)

李保龍(1979— )，男，工程師，碩士。

1003-1995(2015)11-0116-05