市域快軌無砟軌道18號無縫道岔設計參數研究

孫大新，曲 村，劉鐵旭

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；北京市軌道結構工程技術研究中心，北京 100037；城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程研究中心，北京 100037)

隨著我國經濟的不斷發(fā)展，城市中以及城市間的客流交往愈加頻繁，居民對于通勤的要求越來越高。除了傳統(tǒng)的地鐵系統(tǒng)，城際的市域快軌系統(tǒng)也在蓬勃發(fā)展[1-3]。

與傳統(tǒng)地鐵軌道方案相比，市域快軌系統(tǒng)軌道設計方案的關鍵技術是采用取消道岔內鋼軌接頭的跨區(qū)間無縫線路技術。該技術具有行駛穩(wěn)定性好、旅客舒適度高、維修量減少、振動與噪聲小、軌道結構使用壽命長等優(yōu)點。在市域快軌系統(tǒng)中， 18號道岔是非常常用的一種道岔型式，在高速、重載鐵路上也有著廣泛的應用[4-6]。在應用時，如何選擇道岔基本軌的焊接接頭位置和道岔區(qū)部分的扣件阻力對于道岔的主要力學特性影響很大。以上參數的合理選擇，將直接影響到市域快軌無砟軌道18號無縫道岔的鋪設質量，因此，有必要進行針對性的研究。

本文在鐵路、客運專線和城市軌道交通無縫道岔已有研究[7-14]的基礎上進行進一步研究，建立了市域快軌無砟軌道18號無縫道岔計算模型，對基本軌焊接接頭位置、不同扣件阻力參數條件下的主要計算結果進行了計算分析，為無砟軌道18號無縫道岔的設計參數選擇提供參考意見。

1 模型建立

1.1 道岔結構基本組成

道岔結構基本組成如圖1所示。

1.2 道岔各部件有限元模型建立

(1) 道岔基本軌建立了等截面的梁單元，在尖軌和心軌處參照道岔詳圖建立了變截面的梁單元。其中，基本軌的梁單元如圖2所示。

(2) 道岔區(qū)鋼軌與扣件相連接，各項阻力與剛度值通過非線性彈簧單元進行表達?？奂椈蓡卧鐖D3所示，扣件彈簧單元與鋼軌單元節(jié)點連接如圖4所示。

(3) 尖軌跟端傳力結構主要包括限位器和間隔鐵兩種型式，尖軌跟端間隔鐵結構布置如圖5所示，尖軌跟端限位器結構布置如圖6所示。

通過間隔鐵或限位器結構連接的基本軌和尖軌，其相對位移與縱向力之間的關系也可以通過非線性彈簧單元進行表達。模型中，尖軌跟端間隔鐵或限位器彈簧單元如圖7所示。

(4) 翼軌末端傳力結構主要是間隔鐵，其結構布置如圖8所示。

通過間隔鐵結構連接的心軌和翼軌，其相對位移與縱向力之間的關系也可以通過非線性彈簧單元進行表達。模型中，翼軌末端間隔鐵彈簧單元如圖9所示。

1.3 整體計算模型建立

市域快軌無砟軌道18號無縫道岔的有限元整體模型如圖10所示。為消除模型邊界對于計算結果正確性的影響，模型建立時兩端再延長約60 m(100個扣件間距)的軌道結構。

2 基本軌焊接接頭位置研究

2.1 主要計算工況

鋼軌焊接接頭強度普遍低于鋼軌母材強度，因此焊接接頭成為無縫道岔中受力的薄弱環(huán)節(jié)。為避免焊接接頭承受較大的溫度力，本節(jié)以扣件縱向阻力10 kN/組、溫度變化幅度60 ℃為例進行計算分析，主要研究不同的基本軌焊接位置對于焊縫處受力的影響。

2.2 主要計算結果

在各種基本軌焊接接頭位置條件下，尖軌跟端設置2組間隔鐵結構時不同的基本軌焊接位置處所受溫度力如表1所示；尖軌跟端設置2組限位器結構(間隙值為7.0 mm、6.5 mm)時不同的基本軌焊接位置處所受溫度力如表2所示；尖軌跟端設置2組限位器結構(間隙值為8.5 mm、5.0 mm)時不同的基本軌焊接位置處所受溫度力如表3所示。其中，表中0.00 m處，基本軌焊接位置與尖軌跟端位置相同，焊接位置前移為“+”，后移為“-”。 增幅百分比是指焊接接頭位置移動后承受的溫度力與0.00 m位置承受的溫度力比較增加的幅度。

2.3 主要計算結論

由表1～表3中的計算結果分析可知：無論尖軌跟端傳力結構采用間隔鐵還是限位器，采用限位器時是否考慮安裝誤差，目前的設計方案，即基本軌焊接位置與尖軌跟端位置相同時焊接接頭所受到的溫度力最小，安全性最有保證。

3 扣件阻力參數研究

3.1 主要計算工況

本節(jié)主要研究如何通過改變基本軌和里軌(包括尖軌和心軌，下同)扣件縱向阻力實現減小基本軌附加溫度力、尖軌尖端位移和尖軌跟端及翼軌末端單個傳力部件所受最大力。本部分主要以下述幾種扣件阻力為條件進行計算和分析：基本軌和里軌扣件阻力均取1倍設計阻力值(A)；基本軌扣件阻力取1.2倍設計阻力值、里軌扣件阻力仍取1倍設計阻力值(B)；基本軌扣件阻力取1倍設計阻力值、里軌扣件阻力取1.2倍設計阻力值(C)；基本軌和里軌扣件阻力均取1.2倍設計阻力值(D)。

表1 尖軌跟端設置2組間隔鐵結構時不同的基本軌焊接位置處所受溫度力

表2 尖軌跟端設置2組限位器結構(間隙值為7.0 mm、6.5 mm)時不同的基本軌焊接位置處所受溫度力

表3 尖軌跟端設置2組限位器結構(間隙值為8.5 mm、5.0 mm)時不同的基本軌焊接位置處所受溫度力

3.2 主要計算結果

在各種扣件阻力型式條件下，尖軌跟端不設傳力結構時不同扣件阻力型式主要計算結果如表4所示；尖軌跟端設置2組限位器結構(間隙值為7.0 mm、6.5 mm)時不同扣件阻力型式主要計算結果如表5所示；尖軌跟端設置2組間隔鐵結構時不同扣件阻力型式主要計算結果如表6所示。

表4 尖軌跟端不設傳力結構時不同扣件阻力型式主要計算結果

表5 尖軌跟端設置2組限位器結構(間隙值為7.0 mm、6.5 mm)時不同扣件阻力型式主要計算結果

表6 尖軌跟端設置2組間隔鐵結構時不同扣件阻力型式主要計算結果

3.3 主要計算結論

由表4～表6中計算結果分析可知：當基本軌扣件阻力或里軌扣件阻力增大時，整個道岔結構更加穩(wěn)固：尖軌跟端傳力部件位置處與基本軌之間的相對位移減小，尖軌傳遞給基本軌的附加力有所減小，造成基本軌承受的附加溫度力相應減小，尖軌跟端單個傳力部件所受到的最大力也相應減??；心軌與翼軌之間的相對位移也有所減小，造成翼軌末端單個傳力部件受力均有所降低。因此，扣件阻力型式C較優(yōu)，其尖軌尖端相對位移減小，有利于控制尖軌尖端的卡阻現象；傳力部件受力最大值減小，有利于避免螺栓斷裂。

4 結論與建議

本文通過建立市域快軌無砟軌道18號無縫道岔有限元仿真模型，對選取不同的道岔基本軌焊接接頭位置及扣件阻力參數條件下的主要計算結果進行了計算和分析。

通過分析計算結果得到以下結論：

(1) 無論尖軌跟端傳力結構采用間隔鐵還是限位器，采用限位器時是否考慮安裝誤差，目前設計方案中采用的基本軌焊接位置與尖軌跟端位置相同即為最佳位置，焊接接頭處于該位置時所受到的溫度力最小，安全性最有保證。

建議無縫道岔基本軌焊縫設置在尖軌跟端位置處，以保證無縫道岔焊縫的安全性。

(2) 當基本軌扣件阻力或里軌扣件阻力增大時，整個道岔結構更加穩(wěn)固：尖軌跟端傳力部件位置處與基本軌之間的相對位移減小，尖軌傳遞給基本軌的附加力有所減小，造成基本軌承受的附加溫度力相應減小，尖軌跟端單個傳力部件所受到的最大力也相應減??；心軌與翼軌之間的相對位移也有所減小，導致翼軌末端單個傳力部件受力均有所降低。尖軌尖端相對位移減小，有利于避免尖軌尖端的卡阻現象；傳力部件受力最大值減小，有利于避免螺栓斷裂。

建議在設計時不要盲目減小道岔扣件阻力：在條件允許時，盡量增大尖軌和心軌的扣件縱向阻力，以利于整個道岔結構保持穩(wěn)固，更好地控制無縫道岔的受力與變形。