重載鐵路12號(hào)道岔軌道剛度均勻化研究

錢　坤，王樹國，王　猛，葛　晶(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081)

?

重載鐵路12號(hào)道岔軌道剛度均勻化研究

錢坤，王樹國，王猛，葛晶
(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:為了減少重載運(yùn)輸對道岔軌道結(jié)構(gòu)的損壞，調(diào)節(jié)道岔固有的軌道不平順和剛度不均勻，通過建立道岔全長范圍內(nèi)的三維有限元模型，將道岔不同位置的扣件系統(tǒng)組合剛度實(shí)測值作為輸入?yún)?shù)，計(jì)算得到了道岔軌道垂向剛度的分布情況。在此基礎(chǔ)上，采用分級(jí)設(shè)置彈性墊層的方法對道岔軌道剛度均勻化進(jìn)行了研究。有限元模型的計(jì)算結(jié)果表明，道岔全長均存在剛度不均勻，轍叉區(qū)剛度增大最為顯著;采用分級(jí)設(shè)置彈性墊層的方法，可以將轍叉區(qū)的軌道剛度平均值降低24%，其他區(qū)域的變化不超過8%，基本實(shí)現(xiàn)道岔軌道剛度的均勻化。

關(guān)鍵詞:道岔重載鐵路軌道剛度均勻化有限元模型

1　概述

道岔的剛度設(shè)置及均勻化是一項(xiàng)立足于改善道岔服役性能，延長道岔使用壽命的實(shí)用性研究。在道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料性能匹配的基礎(chǔ)上，道岔軌道剛度優(yōu)化還要關(guān)注列車通過道岔時(shí)，各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化以及對車輛和軌道結(jié)構(gòu)、道床路基等的影響。此外，還需綜合考慮道岔全壽命周期中從鋪設(shè)到養(yǎng)護(hù)維修直至更換的工程易用性和可行性。因此，道岔的剛度設(shè)置及均勻化研究是一項(xiàng)復(fù)雜的、系統(tǒng)性的工作。

重載線路上的道岔普遍工作在列車密度高和軸重大的區(qū)段，線路狀態(tài)的惡化和軌道結(jié)構(gòu)的破壞使其壽命大幅降低?，F(xiàn)有的檢測數(shù)據(jù)表明，重載道岔尖軌、心軌的疲勞傷損和磨耗，軌道的殘余變形以及基床病害等問題十分嚴(yán)重，給養(yǎng)護(hù)維修造成了很大的困難，影響了整條線路的運(yùn)輸效率。為了更加有效地減少重載運(yùn)輸條件下對道岔軌道結(jié)構(gòu)的損壞，調(diào)節(jié)道岔軌道不平順和剛度不均勻，需要對道岔的整體軌道剛度進(jìn)行充分研究，使其平穩(wěn)過渡，從而優(yōu)化線路狀態(tài)的幾何平順性，減輕輪軌動(dòng)力作用，從根本上提高重載列車運(yùn)行的平穩(wěn)性，保證車輛通過的安全可靠。因此，研究重載道岔的軌道剛度均勻化問題，對我國重載鐵路運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的意義。

本文借助新型75 kg/m鋼軌12號(hào)固定型重載道岔的研制試鋪這一契機(jī)，建立道岔軌道剛度計(jì)算模型，分析道岔沿線路縱向的垂向剛度分布規(guī)律，通過分級(jí)設(shè)置彈性墊層的方法，進(jìn)行道岔軌道剛度均勻化的研究。

通過使用Midas/Civil軟件，參照新型75 kg/m鋼軌12號(hào)重載道岔設(shè)計(jì)圖紙建立了包含轉(zhuǎn)轍器、轍叉和連接部分的道岔有限元分析模型。為保證計(jì)算模型中沿線路縱向的支承情況盡可能符合實(shí)際鋪設(shè)狀況，通過對道岔不同位置的組合支點(diǎn)剛度進(jìn)行實(shí)測，將數(shù)據(jù)帶入模型計(jì)算，獲取道岔全長范圍內(nèi)軌道剛度分布數(shù)據(jù)，并通過調(diào)整墊板剛度進(jìn)行均勻化研究。

2道岔扣件系統(tǒng)組合剛度試驗(yàn)

2. 1試驗(yàn)方法

為了確保重載道岔剛度均勻化研究中計(jì)算的準(zhǔn)確性，根據(jù)道岔布置圖確定各岔枕位置鋪設(shè)的軌下墊板和板下彈性墊層型號(hào)，通過試驗(yàn)的方法取得相應(yīng)位置的扣件組合剛度數(shù)值，在模型中輸入測試結(jié)果，作為模擬扣件支點(diǎn)剛度的線彈簧數(shù)值，以精確計(jì)算軌道的整體剛度。

道岔扣件系統(tǒng)組合剛度試驗(yàn)的環(huán)境溫度為( 23± 2)℃。試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)所用部件和設(shè)備在( 23± 2)℃的環(huán)境中至少靜置24 h。扣件組合剛度的測試采用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)裝置按照支承鋼板、測試橡膠墊板、鐵墊板及軌下墊板和短鋼軌組合固定好放置在試驗(yàn)機(jī)上。間隔鐵墊板厚度為25 mm，測試鋼軌采用刨切過軌頭的250 mm短鋼軌。位移測試儀布置在短鋼軌四角，以位移計(jì)平均讀數(shù)作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)開始前進(jìn)行2次100 kN的預(yù)載，正式試驗(yàn)采用1 kN/s的加載速度，加載到20和80 kN時(shí)，靜置30 s再讀數(shù)，每次試驗(yàn)重復(fù)2次并取平均值計(jì)入最終結(jié)果。試驗(yàn)所用不同型號(hào)彈性墊層如圖1所示。

圖1不同型號(hào)彈性墊層

2. 2試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對8種不同型號(hào)的墊板進(jìn)行測試，實(shí)測扣件系統(tǒng)組合剛度見表1。其他型號(hào)墊層的組合剛度采用插值計(jì)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。

表1實(shí)測扣件系統(tǒng)組合剛度

3重載道岔軌道剛度計(jì)算及均勻化研究

道岔的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，部件眾多，在建立道岔有限元計(jì)算模型時(shí)存在諸多需要特殊考慮的問題。以單開道岔為例:在縱向上，鋼軌逐漸由2股變?yōu)?股，部分鋼軌截面隨之改變，岔枕長度隨鋼軌延伸也逐漸變化;橫向上，鋼軌間存在間隔鐵、螺栓等聯(lián)結(jié)部件，尖軌下布置滑床板，轍叉區(qū)使用共用墊板;軌下基礎(chǔ)上，碎石道床存在不易搗鼓的區(qū)段，道床和路基的橫截面隨道岔延伸發(fā)生變化。所有這些固有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都會(huì)引起道岔軌道剛度的不均勻變化，使得道岔的剛度問題更加復(fù)雜。

工作績效評(píng)價(jià)是績效考核的核心內(nèi)容，因此，高校財(cái)務(wù)管理人員在實(shí)際工作中的工作質(zhì)量、數(shù)量，以及在其他方面的貢獻(xiàn)都會(huì)成為績效考核的主要憑據(jù)，最終的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)與部門、單位、員工的薪酬和獎(jiǎng)金直接掛鉤。由此可見，對高校財(cái)務(wù)管理人員進(jìn)行績效考核，可以促使高校財(cái)務(wù)人員在具體工作中可以轉(zhuǎn)變自身的觀念，對現(xiàn)有的工作崗位進(jìn)行重新思考，能夠正面面對自身在工作期間存在的各項(xiàng)問題，對自身存在的問題原因進(jìn)行分析，并且通過合理的方式改正自身在工作過程中存在的各種不良習(xí)慣，積極投入工作中，提高自己的綜合能力，從而使工作效率可以得到進(jìn)一步提高，確保高校的健康發(fā)展。

3. 1建立模型

鐵科院為朔黃鐵路研制的75 kg/m鋼軌12號(hào)固定型轍叉單開道岔(研線1121)采用全新的線型、扣件和岔枕，并采用了“直曲組合型”尖軌、心軌加寬和降低值優(yōu)化等延長道岔使用壽命的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)。該道岔全長37 800 mm、前長16 592 mm、后長21 208 mm、導(dǎo)曲線半徑350 000 mm。75 kg/m鋼軌12號(hào)單開道岔平面線型見圖2。

本文使用Midas/Civil軟件建立了道岔的三維全尺寸模型，該模型充分考慮了道岔特殊的結(jié)構(gòu)形式和承載特點(diǎn)，包括不同區(qū)段鋼軌截面的變化，間隔鐵對轍叉心軌和翼軌的高強(qiáng)聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)轍器處滑床板對尖軌的單向支承，通長鐵墊板和橡膠墊層的長度變化等，道岔三維模型見圖3。

在對以上結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化的基礎(chǔ)上，按照道岔總布置圖共建立了全長范圍內(nèi)的89根岔枕模型。為了減少邊界受力對模型計(jì)算產(chǎn)生的影響，在道岔前、后分別設(shè)置了10根、5根過渡枕，模型共計(jì)109根軌枕。道岔基本軌采用75 kg/m鋼軌，使用等截面梁進(jìn)行模擬;尖軌采用矮型斷面特種鋼軌刨切而成，跟部鍛壓成標(biāo)準(zhǔn)75 kg/m軌斷面，從尖端至跟端逐漸升高變寬，使用分段等截面梁進(jìn)行模擬;合金鋼組合式轍叉截面形狀較為復(fù)雜，叉心采用變截面梁進(jìn)行模擬，并適當(dāng)進(jìn)行簡化。翼軌采用分段等截面梁進(jìn)行模擬，相鄰軌枕間固定為一個(gè)單元;岔枕、護(hù)軌和間隔鐵均采用梁單元模擬。道床的支承剛度采用面彈簧模擬;扣件支點(diǎn)剛度模擬為點(diǎn)—點(diǎn)之間的彈性連接。為了保證滑床板處尖軌的受力情況與實(shí)際一致，在尖軌處設(shè)置只受壓的彈性連接，其他部位采用普通彈性連接。

圖3道岔三維模型

3. 2結(jié)果分析

3. 2. 1道岔軌道剛度計(jì)算結(jié)果

利用上述模型，采用節(jié)點(diǎn)動(dòng)力時(shí)程荷載函數(shù)模擬轉(zhuǎn)向架荷載，計(jì)算出道岔全長范圍直向、側(cè)向的整體剛度分布數(shù)據(jù)。

道岔軌道剛度計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，直向、側(cè)向過岔時(shí)軌道的整體剛度差異并不大，分布規(guī)律也相似，但里軌和基本軌的剛度分布差異顯著，里軌的剛度整體上大于基本軌。

表2道岔軌道剛度計(jì)算結(jié)果　kN/mm

道岔軌道剛度分布見圖4。從圖中可以看到，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)，由于里軌前端尖軌的截面變化和滑床板的作用，里軌剛度由小于基本軌剛度逐漸增大，甚至超過了基本軌的剛度;進(jìn)入連接部分后，里軌的剛度又下降到和基本軌剛度相當(dāng)。在轍叉區(qū)，里軌剛度在54～62號(hào)岔枕急劇增大，遠(yuǎn)超過基本軌的剛度數(shù)值。這是因?yàn)樾略O(shè)計(jì)道岔采用翼軌加強(qiáng)型合金鋼組合式轍叉，心軌和部分翼軌作為一個(gè)整體和彎折后的翼軌通過大間隔鐵組裝在一起，使轍叉的質(zhì)量和截面大小都遠(yuǎn)高于區(qū)間軌道，并且通過間隔鐵使翼軌共同受力。另外，心軌和兩端翼軌還采用通長鐵墊板支承，進(jìn)一步加強(qiáng)了轍叉區(qū)域的整體性。

3. 2. 2剛度均勻化措施

通過合理的均勻化措施可以降低道岔的垂向動(dòng)態(tài)不平順，改善輪軌間的動(dòng)力作用，從而保證道岔安全使用。實(shí)現(xiàn)均勻化的過程需要綜合考慮道岔使用中的諸多因素。首先，需要對道岔鋼軌的變形進(jìn)行驗(yàn)算，得到道岔剛度的分布規(guī)律，并確定不平順程度相對嚴(yán)重的區(qū)域。其次，通過分析道岔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對剛度變化較大的區(qū)域進(jìn)行過渡處理，使剛度變化曲線趨于平緩，盡可能減少動(dòng)態(tài)不平順的產(chǎn)生。最后，還要考慮到道岔剛度均勻化的方法在現(xiàn)場要易于實(shí)現(xiàn)。道岔剛度均勻化的計(jì)算過程往往需要重復(fù)進(jìn)行，以找到最合理的方案。

圖4道岔軌道剛度分布

在以上方法的指導(dǎo)下，討論道岔實(shí)際鋪設(shè)時(shí)可能影響剛度變化的各種原因，從而確定具體的優(yōu)化方法，詳細(xì)分析如下。

1)軌道各部件結(jié)構(gòu)和材料的變化都可能引起軌道整體剛度的變化。對于鋼軌、間隔鐵和滑床板等部件均在道岔選型和設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)針對道岔的使用條件、壽命和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等選定，后期不宜改變。

2)通過改變道砟級(jí)配、材質(zhì)來改變道床支承剛度的方法，既不易于現(xiàn)場施工，又無法在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)整和保持，并且后期養(yǎng)護(hù)維修工作難度極大，不適合采用此方法。

3)扣件系統(tǒng)中提供彈性的部件主要是軌下膠墊和板下彈性墊層。在新型75 kg/m鋼軌12號(hào)固定型重載道岔采用的扣件系統(tǒng)中，軌下膠墊主要起緩沖作用。考慮重載線路道岔軌道橫向力較大，并且轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌和基本軌的動(dòng)態(tài)位移不易過大，故軌下膠墊剛度不易設(shè)置過低。而鐵墊板下彈性墊層彈性較大，提供了軌道足夠的彈性，所以通過改變鐵墊板下彈性墊層的剛度實(shí)現(xiàn)道岔剛度均勻化是一種可行的手段。

由上述分析可知，道岔剛度均勻化必須要通過扣件系統(tǒng)完成。考慮到墊板的實(shí)際生產(chǎn)水平和現(xiàn)場鋪設(shè)時(shí)的實(shí)際情況，彈性墊層剛度設(shè)置不宜太過復(fù)雜，應(yīng)采取適當(dāng)簡化的分級(jí)設(shè)置，避免不易鋪設(shè)和更換復(fù)雜。

3. 2. 3剛度均勻化計(jì)算結(jié)果

為了保證扣件系統(tǒng)正常使用，綜合考慮扣件抵抗橫向力的能力和軌距擴(kuò)大限值，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，均勻化采用的分級(jí)彈性墊層剛度下限設(shè)為40 kN/mm。通過2種不同方案進(jìn)行均勻化計(jì)算:方案1采用8級(jí)剛度分組，不進(jìn)行連接部分的過渡;方案2則考慮軌道整體剛度沿線路縱向逐漸過渡，共采用10級(jí)分組。

道岔軌道剛度均勻化計(jì)算結(jié)果見圖5。由圖5可以看出:以直向通過為例，方案1和方案2都有效地降低了轍叉區(qū)的里軌軌道剛度，最大值分別降低了68. 0 和66. 8 kN/mm;轍叉區(qū)平均值則分別降低了24%和19%。在轉(zhuǎn)轍器區(qū)域和導(dǎo)曲線部分，里軌的剛度數(shù)值變化也減小到8%以內(nèi)，基本軌的剛度則保持在130 kN/mm附近，基本消除了轉(zhuǎn)轍器區(qū)滑床板和轍叉區(qū)護(hù)軌的影響，達(dá)到了均勻化的效果?？紤]到方案1、方案2的效果相似，而現(xiàn)場實(shí)際鋪設(shè)時(shí)應(yīng)盡量降低施工難度，所以采用墊板剛度分級(jí)較少的方案1更為合適。

圖5道岔軌道剛度均勻化計(jì)算結(jié)果

4結(jié)論

1)扣件系統(tǒng)組合剛度試驗(yàn)測試值分布在75. 1～121. 7 kN/mm，為計(jì)算中模擬道岔現(xiàn)場鋪設(shè)狀態(tài)提供了準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)。

2)道岔軌道剛度計(jì)算數(shù)據(jù)表明，在轉(zhuǎn)轍器區(qū)和轍叉區(qū)均存在剛度不均勻的情況，轍叉區(qū)尤為嚴(yán)重，剛度最大值為292. 8 kN/mm，最小值為107. 0 kN/mm。

3)道岔軌道剛度均勻化計(jì)算數(shù)據(jù)表明，通過分級(jí)設(shè)置彈性墊層的方法可以有效降低道岔剛度的變化，剛度最大值降低了68. 0 kN/mm，轍叉區(qū)平均值降低了24%，其他區(qū)域剛度變化控制在8%以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

［1］王樹國，葛晶，王猛，等．重載鐵路12號(hào)道岔設(shè)計(jì)［J］．鐵道建筑，2013( 12) : 98-102．

［2］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．

［3］肖俊恒．客運(yùn)專線無砟軌道剛度的研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2009．

［4］孫加林．重載鐵路道岔動(dòng)力性能及剛度均勻化研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2012．

［5］肖俊恒．客運(yùn)專線扣件系統(tǒng)彈性指標(biāo)的研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2006．

［6］錢坤．重載鐵路12號(hào)道岔剛度取值及均勻化研究［D］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2014．

(責(zé)任審編鄭冰)

作者投稿請使用在線投稿系統(tǒng)，網(wǎng)址http: / /www．tdjz．org。本刊一般不受理郵箱投稿。如遇長時(shí)間網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)故障，作者可繼續(xù)通過電子信箱tdjzbjb@ 126．com或tdjz@ rails．cn投稿，并電話通知編輯部。

《鐵道建筑》編輯部

Research on track stiffness homogenization for heavy haul railway No．12 turnout

QIAN Kun，WANG Shuguo，WANG Meng，GE Jing
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:In order to reduce the damage to the turnout track structure under heavy haul transportation and adjust track irregularity and non-uniform stiffness，the three-dimensional finite element model of the entire length of the turnout was established．T aking the measured value of the combined stiffness of the fasten system at different positions of the turnout as the input parameters，the calculation of turnout vertical stiffness distribution was obtained．On this basis，the tie plate grading arrangement was adopted to raise the research on homogenization of turnout track stiffness．T he calculation results of finite element model of turnout show that non-uniform stiffness is occurred along the turnout and increases significantly in crossing area．By using the tie plate grading arrangement method，the average stiffness of crossing area reduces 24% and changes of other areas are less than 8%．T he purpose that homogenized turnout track stiffness is basically achieved．

Key words:T urnout; Heavy haul railway; T rack stiffness; Homogenization; Finite element model

文章編號(hào):1003-1995( 2016) 01-0072-04

中圖分類號(hào):U213．6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．15

作者簡介:錢坤( 1988—)，男，研究實(shí)習(xí)員，碩士。

基金項(xiàng)目:中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目( 2014G002-D)

收稿日期:2015-11-30;修回日期: 2015-12-28