有軌電車6號單開道岔剛度均勻化研究

沈彬然，孫宏友，徐井芒，王平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

有軌電車6號單開道岔剛度均勻化研究

沈彬然，孫宏友，徐井芒，王平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

應(yīng)用有限元軟件建立有軌電車6號單開道岔軌道剛度仿真模型，研究岔區(qū)剛度分布規(guī)律及其均勻化措施。研究結(jié)果表明，列車直向、側(cè)向過岔時，在軌道的橫向和縱向均存在較大的剛度不平順。其中以轍岔區(qū)段不平順幅度最大，轉(zhuǎn)轍器部分次之，連接部分最小。根據(jù)所得規(guī)律提出有軌電車6號道岔剛度均勻化具體措施，與剛度均勻化之前對比發(fā)現(xiàn)，剛度均勻化之后列車直向和側(cè)向過岔的最大里軌與基本軌剛度比均有所下降，直基本軌、直向里軌、曲基本軌、側(cè)向里軌的剛度最大縱向變化率降低，軌道整體剛度不平順有明顯改善，可以滿足有軌電車在站線或折返線的運輸組織要求。

有軌電車 道岔 剛度均勻化 有限元

目前全球已經(jīng)掀起了一股有軌電車復(fù)興熱潮，50多個國家、400多個城市在運營現(xiàn)代有軌電車。在國內(nèi)，現(xiàn)代有軌電車也逐步得到了重視和快速發(fā)展。遂寧、新津、寧波、青島等城市已開展有軌電車線路規(guī)劃。共享路權(quán)地段道岔須采用埋入式結(jié)構(gòu)、槽型軌，一般鋪設(shè)6號、3號等小號碼道岔，在岔區(qū)剛度、槽型軌轉(zhuǎn)轍器和轍叉的形式、轉(zhuǎn)換設(shè)備等方面與傳統(tǒng)鐵路道岔顯著不同［1］。為滿足列車過岔的舒適性和安全性，有必要對現(xiàn)代有軌電車槽型軌道岔剛度均勻性進行研究。

道岔區(qū)的軌道剛度是影響列車過岔舒適性、道岔部件使用壽命和養(yǎng)護維修工作量的基礎(chǔ)參數(shù)。軌道剛度過大，列車過岔時輪軌相互作用劇烈，運行舒適性差，道岔部件應(yīng)力增加，使用壽命降低;軌道剛度過小，道岔變形大，幾何狀態(tài)難以保持，養(yǎng)護維修工作量大［2-4］。軌道各部件剛度匹配不佳，難以使軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下表現(xiàn)出良好的工作特性，不同運行條件下道岔存在一個合理的軌道剛度。對于合理軌道剛度的研究，國內(nèi)外主要集中在區(qū)間軌道上［5-8］，對于岔區(qū)合理軌道剛度的研究較少，原因是道岔自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，列車過岔時一股道上的輪載通過岔枕、墊板傳至另一股道鋼軌上，使另一股道上的鋼軌具有幫軌作用。同時，道岔區(qū)存在基本軌、尖軌、翼軌及心軌等多種鋼軌形式，其抗彎剛度各不相同。加上間隔鐵等因素的影響，使得道岔區(qū)軌道剛度沿線路縱向分布不均勻。

本文采用有限元軟件建立有軌電車6號道岔的計算模型，通過計算分析得到了有軌電車6號道岔剛度均勻化之前的軌道剛度分布規(guī)律，并提出具體剛度均勻化措施，使線路具有良好的剛度平順性以滿足列車行駛的需要。

1 有軌電車6 號道岔概況

有軌電車6號道岔不同于高速鐵路道岔，該道岔結(jié)構(gòu)為槽型軌道埋入式道岔，采用一體化構(gòu)造的整體型轉(zhuǎn)轍器，尖軌采用可更換形式以易于維護。墊板采用通長大墊板的形式，將底板與擋軌、滑床臺板、鐵座等焊接成整體。在滑床臺板的扣壓方式上，考慮到有軌電車的實際運營條件以及制造成本，采用了剛性扣壓形式?？紤]到轉(zhuǎn)轍器內(nèi)部的排水問題，在墊板對應(yīng)各岔枕空當(dāng)處分別設(shè)置排水孔，并與道床排水槽連接，將水直接排入儲水井或市政管道，以滿足排水要求。

有軌電車6號道岔采用固定型轍叉，軌下基礎(chǔ)采用整體道床形式布置。道岔全長14 450 mm，前長4 226 mm，后長10 224 mm，導(dǎo)曲線半徑為50 m，采用單圓曲線。道岔軌距均為1 435 mm，岔枕間距為600 mm，軌距測量點距軌頂面14 mm，曲股不設(shè)軌距加寬。道岔采用雙層彈性分開式結(jié)構(gòu)，軌下和板下均設(shè)置10 mm厚彈性墊層。其中板下墊層提供主要彈性，與軌下墊層串聯(lián)，提供扣件系統(tǒng)的豎向剛度。軌下墊層采用普通橡膠，板下墊層采用發(fā)泡橡膠。該道岔容許通過速度直向為70～80 km/h，側(cè)向＜20 km/h。有軌電車6號道岔的線形如圖1所示。

圖1 有軌電車6號道岔線形

2 有軌電車6 號道岔軌道剛度計算模型與參數(shù)

2.1 計算模型

在道岔范圍內(nèi)，多種因素會影響軌道剛度分布，使岔區(qū)軌道剛度沿線路縱向分布不均勻，呈現(xiàn)很強的突變特性。具體來說，影響道岔軌道剛度的主要因素有扣壓件及軌下膠墊、鐵墊板及板下膠墊、鋼軌類型、滑床臺、間隔鐵等。

在考慮上述影響因素的基礎(chǔ)上，采用有限單元法建立無砟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;尖軌和轍叉用變截面梁模擬;扣壓件和軌下膠墊簡化成線性彈簧;鐵墊板模擬為等截面梁;板下膠墊模擬成線性彈簧;間隔鐵模擬成短梁;轉(zhuǎn)轍器處大鐵墊板模擬成板。道岔區(qū)整體剛度計算模型將道岔按非共用墊板區(qū)、轉(zhuǎn)轍器區(qū)、轍叉區(qū)、導(dǎo)曲線共用墊板區(qū)等部分進行區(qū)段劃分來計算分析。

2.2 計算參數(shù)

本文計算中扣件系統(tǒng)剛度取為40 kN/mm，軌下膠墊剛度取為200 kN/mm，標(biāo)準(zhǔn)長度板下膠墊(指非共用鐵墊板)剛度取為50 kN/mm，共用墊板下膠墊剛度根據(jù)其長度以標(biāo)準(zhǔn)墊板為基數(shù)線性增加。道岔中各軌型的彈性模量均采用206 GPa，泊松比為0.3。各種鋼軌截面參數(shù)見表1—表3。

表1 尖軌主要特征截面參數(shù)

表2 錳叉主要特征截面參數(shù)

表3 基本軌截面參數(shù)

3 岔區(qū)剛度分布規(guī)律

表4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，并計算出縱向變化率和里基剛度比。均勻化前列車直向和側(cè)向過岔軌道整體剛度分布規(guī)律計算結(jié)果如圖2所示。

表4 剛度均勻化前軌道整體剛度計算結(jié)果

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轉(zhuǎn)轍器部分較在其它區(qū)段大。這是由于在轉(zhuǎn)轍器部分，基本軌和尖軌共用一塊整體大鐵墊板，并且鐵墊板和板下膠墊的剛度較大。曲基本軌的整體剛度大小、分布規(guī)律與直基本軌大致相同。

2)間隔鐵的存在導(dǎo)致剛度增大，這是由于間隔鐵將兩根鋼軌聯(lián)結(jié)到了一起，產(chǎn)生了幫軌作用。

3)直向和側(cè)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。轉(zhuǎn)轍器部分剛度增大是由于共用大鐵墊板板下膠墊剛度較大和基本軌的幫軌作用，轍叉部分剛度增大是由于板下膠墊和鋼軌抗彎剛度增加所致。轍叉部分剛度變化主要是由轍叉心軌抗彎剛度和板下膠墊長度縱向變化引起的。

4)列車直向、側(cè)向過岔時，在軌道的橫向和縱向均存在較大的剛度不平順，其中以轍叉區(qū)段不平順幅度最大。

圖2 軌道整體剛度分布

4 岔區(qū)軌道剛度均勻化措施

對于無砟道岔，部件剛度合理匹配一般是指扣件系統(tǒng)軌下膠墊剛度和板下膠墊剛度的合理匹配，兩者的合理匹配應(yīng)保證道岔各部件的受力狀態(tài)良好，不致因某些部件的變形過大影響道岔其他部件的正常受力狀態(tài)。由于道岔區(qū)基本軌下設(shè)有橡膠墊層，而尖軌直接落在滑床臺上，若基本軌下橡膠墊層剛度過小，基本軌在輪載作用下產(chǎn)生的撓曲明顯大于尖軌部分，造成線路出現(xiàn)動態(tài)高低不平順，影響列車過岔舒適性和安全性。因此調(diào)節(jié)岔區(qū)軌道剛度主要通過調(diào)節(jié)軌下膠墊剛度來實現(xiàn)。

根據(jù)上述分析，采用的剛度均勻化措施為:所有軌下膠墊的剛度保持在200 kN/mm不變，將每1 m長標(biāo)準(zhǔn)墊板(非共用墊板)下的膠墊剛度設(shè)為102 kN/mm。對于共用墊板下的膠墊剛度，根據(jù)均勻化原則利用岔區(qū)軌道剛度有限元計算模型確定。

道岔區(qū)鋼軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為便于設(shè)計，可結(jié)合道岔結(jié)構(gòu)按區(qū)段處理，板下膠墊剛度區(qū)段劃分見表5。

表5 板下膠墊剛度區(qū)段劃分

均勻化前后直向過岔和側(cè)向過岔軌道整體剛度分布規(guī)律對比如圖3所示。由圖3可以看出，均勻化后軌道剛度平順性有明顯改善，均勻化效果較好。

圖3 均勻化前后軌道整體剛度對比

表6給出了剛度均勻化后的整體剛度最大值和最小值，并計算出縱向變化率和里基剛度比。表7為均勻化前后軌道整體剛度、縱向變化率和里基剛度比。

表6 剛度均勻化后計算結(jié)果

表7 剛度均勻化前后計算結(jié)果比較

5 結(jié)論與建議

1)有軌電車6號道岔軌道整體剛度沿線路橫縱向分布不均勻。轍叉部分剛度最大，轉(zhuǎn)轍器部分次之，連接部分最小。采取剛度均勻化措施之前直基本軌、直向里軌、曲基本軌、側(cè)向里軌的最大整體剛度分別為133.84，190.30，133.84，190.31 kN/mm，直基本軌、直向里軌、曲基本軌、側(cè)向里軌的最大縱向變化率分別為170.79%，242.09%，171.28%，242.83%，直向過岔和側(cè)向過岔最大里基剛度比分別為2.43，2.44。

2)為減少彈性墊層的種類和規(guī)格，將道岔按非共用墊板區(qū)、共用墊板區(qū)進行區(qū)段劃分進行計算分析，分別給出了各段板下膠墊均勻化目標(biāo)剛度值。共設(shè)置了2種單位長度剛度不同的板下膠墊，分別為102，60 kN/mm。為滿足列車過岔運行的平順性和舒適性要求，岔區(qū)剛度需要合理設(shè)置及均勻分布。通過計算分析可以看出經(jīng)過剛度均勻化之后合理設(shè)置板下膠墊剛度，可使道岔軌道剛度沿線路縱向分布較為均勻，從而減緩輪軌動力相互作用，提高過岔安全性和舒適性，延長部件使用壽命。

3)有軌電車6號道岔采取剛度均勻化措施后直基本軌、直向里軌、曲基本軌、側(cè)向里軌的最大整體剛度分別為100.82，130.80，100.82，130.80 kN/mm，直基本軌、直向里軌、曲基本軌、側(cè)向里軌的最大縱向變化率分別為128.66%，167.66%，129.03%，167.66%，直向過岔和側(cè)向過岔最大里基剛度比均為1.67。

［1］王平.高速鐵路道岔設(shè)計理論與實踐［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2011.

［2］羅雁云，朱劍月.線路道岔軌下剛度改變對輪軌動力性能影響研究［J］.電力機車與城軌車輛，2004，39(5):9-12.

［3］劉學(xué)毅.軌道剛度影響分析及動力學(xué)優(yōu)化［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2004，39(1):1-5.

［4］陳小平，王平.無砟道岔軌道剛度分布規(guī)律及均勻化［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2006，41(4):447-451.

［5］趙國堂.鐵路軌道剛度的確定方法［J］.中國鐵道科學(xué)，2005，26(1):1-6.

［6］陳小平，王平，陳嶸，等.高速車輛與道岔空間耦合振動特性［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，2008，43(4):453-458.

［7］姚力，顏華，蔡城標(biāo).遂渝線無砟道岔前后軌道剛度過渡段動力學(xué)設(shè)計［J］.鐵道工程學(xué)報，2006(7):37-40.

［8］王平.道岔豎向剛度沿線路縱向分布規(guī)律探討［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報，1999，34(2):144-149.

Study on stiffness homogenization of No．6 simple turnout for tram

SHEN Binran，SUN Hongyou，XU Jingmang，WANG Ping
(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T rack stiffness simulation model of tram No.6 single turnout was established by finite element software and the stiffness distribution law and homogenization measures of turnout area was studied.Research results showed that there are plenty of stiffness irregularities in the transverse and longitudinal direction of the track when trains pass turnout along straight and gradient direction，irregularity amplitude of frog section is maximal，irregularity amplitude of rail switch is second and connection part has the minimum amplitude.Stiffness homogenization measures of tram No.6 single turnout was put forward according to the law presented in this paper，maximum switch/stock rail stiffness ratio decreases after stiffness homogenization when trains pass turnout along straight and gradient direction，maximum longitudinal change ratio of straight stock rail，straight switch rail，lateral stock rail and lateral switch rail decreases，and overall stiffness of the track has improved significantly，which could meet the needs of transportation organization for the tram in the station or return line.

T ram;T urnout;Stiffness homogenization;Finite element method

U213.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.30

1003-1995(2015)12-0116-04

(責(zé)任審編李付軍)

2015-06-24;

2015-07-11

國家杰出青年科學(xué)基金(51425804)

沈彬然(1992—)，男，碩士研究生。