客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔參數(shù)分析

曲 村,高 亮,陶 凱,喬神路

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所,北京 100081)

1 研究背景

跨區(qū)間無(wú)縫線路是與高速重載鐵路相適應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu),是客運(yùn)專線必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。為滿足客運(yùn)專線建設(shè)的需要,我國(guó)研究開發(fā)了時(shí)速350 km客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔[1]。由于客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的鋪設(shè)在我國(guó)尚屬首次,因此對(duì)它的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)需要進(jìn)行深入的研究和分析。

當(dāng)時(shí)速350 km客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的基本軌和里軌采用不同的扣件阻力,或者翼軌末端間隔鐵數(shù)量發(fā)生改變時(shí),道岔的尖軌尖端位移、心軌尖端位移、基本軌附加溫度力、尖軌跟端和翼軌末端傳力部件的受力等都會(huì)有所變化。如何正確合理地選擇上述道岔的設(shè)計(jì)參數(shù),將直接影響到道岔的鋪設(shè)質(zhì)量。

本文在已有的研究[2～10]基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步研究,采用商業(yè)有限元軟件建立了客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道可動(dòng)心軌無(wú)縫道岔有限元計(jì)算模型。該模型的主要特點(diǎn)是：道岔結(jié)構(gòu)詳盡,考慮了限位器、間隔鐵等部件的實(shí)際傳力作用；各種阻力均可為非線性阻力,取值可與實(shí)測(cè)值一致；可按實(shí)際情況考慮基本軌與導(dǎo)軌間的相互作用關(guān)系；并可詳細(xì)得出每一組限位器、間隔鐵的受力。

采用上述客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔有限元計(jì)算模型,對(duì)不同扣件阻力和翼軌末端間隔鐵數(shù)量條件下道岔的力學(xué)特性的主要計(jì)算結(jié)果等進(jìn)行了計(jì)算分析與比較,對(duì)客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇提出建議。

2 模型建立

2.1 模型主要部件組成

在客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的溫度力傳遞過程中,參與傳力作用的主要有鋼軌、扣件、限位器、間隔鐵、螺栓等部件。對(duì)各部件利用有限元單元模型分別進(jìn)行模擬。本文采用的參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[1]選取。

2.2 單元模擬

(1)鋼軌選用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,按實(shí)際截面屬性進(jìn)行建模,考慮鋼軌的截面積、慣性矩及扭轉(zhuǎn)彎矩等參數(shù)。鋼軌按照支承節(jié)點(diǎn)劃分單元,可全面考慮縱、橫、垂向線位移及轉(zhuǎn)角。在尖軌和心軌處建立變截面的單元以考慮實(shí)際截面對(duì)結(jié)果的影響。

(2)道岔區(qū)的扣件采用非線性彈簧單元進(jìn)行模擬?？扇婵紤]扣件的縱向阻力、橫向阻力和垂向剛度。此外,還考慮了道岔基本軌前側(cè)和翼軌前側(cè)扣件布置的實(shí)際情況。

(3)限位器結(jié)構(gòu)采用非線性彈簧單元模擬,限位器的縱向阻力參數(shù)依照室內(nèi)試驗(yàn)確定。模型中尖軌跟端設(shè)置3組限位器時(shí)如圖1所示,圖中僅顯示與限位器相連接的鋼軌單元。

圖1 尖軌跟端限位器圖示

(4)翼軌末端以及轍岔跟端通過間隔鐵結(jié)構(gòu)固定,間隔鐵采用非線性彈簧單元模擬。模型中翼軌末端每側(cè)設(shè)置4組間隔鐵時(shí)如圖2所示,圖中僅顯示與間隔鐵相連接的鋼軌單元。

圖2 翼軌末端間隔鐵圖示

2.3 計(jì)算模型建立

通過對(duì)各個(gè)部件的模擬和組合,建立整組無(wú)縫道岔的模型?？瓦\(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的有限元計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔有限元計(jì)算模型

3 扣件阻力影響分析

3.1 主要計(jì)算工況

本文研究在客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔基本結(jié)構(gòu)不變的情況下,通過改變基本軌或里軌扣件縱向阻力實(shí)現(xiàn)減小鋼軌附加溫度力、尖軌尖端位移等主要計(jì)算結(jié)果和增大允許可鋪設(shè)軌溫范圍的可行性。

考慮以下4種扣件阻力變化型式：(1)基本軌和里軌扣件阻力均采用標(biāo)準(zhǔn)阻力；(2)基本軌扣件阻力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)阻力增大20%,里軌扣件阻力采用標(biāo)準(zhǔn)阻力；(3)基本軌扣件阻力采用標(biāo)準(zhǔn)阻力,里軌扣件阻力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)阻力增大20%；(4)基本軌扣件阻力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)阻力增大20%,同時(shí)里軌扣件阻力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)阻力也增大20%。

以尖軌跟端隔枕跨設(shè)置3組不等間隙限位器結(jié)構(gòu)(限位值依次為7.0、6.5、6.0 mm)和尖軌跟端隔枕跨設(shè)置3組間隔鐵結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行計(jì)算比較。軌溫變化幅度取60 ℃。

3.2 主要計(jì)算結(jié)果比較

各種扣件阻力型式下,采用上述2種尖軌跟端結(jié)構(gòu)型式的道岔的主要計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知,尖軌跟端隔枕跨設(shè)置3組不等間隙限位器結(jié)構(gòu)(限位值依次為7.0、6.5、6.0 mm)時(shí),相對(duì)扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)條件下,基本軌最大附加溫度力增大0.51%,尖軌尖端位移減小0.29%；扣件阻力型式(3)條件下,基本軌最大附加溫度力減小9.39%,尖軌尖端位移減小1.75%；扣件阻力型式(4)條件下,基本軌最大附加溫度力減小9.03%,尖軌尖端位移減小1.98%。

表1 各扣件阻力型式條件下道岔主要計(jì)算結(jié)果

由表1還可知,尖軌跟端隔枕跨設(shè)置3組間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí),相對(duì)扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)條件下,基本軌最大附加溫度力增大2.41%,尖軌尖端位移減小0.96%；扣件阻力型式(3)條件下,基本軌最大附加溫度力減小4.38%,尖軌尖端位移減小0.95%；扣件阻力型式(4)條件下,基本軌最大附加溫度力減小1.69%,尖軌尖端位移減小1.71%。

綜上所述,扣件阻力型式(3)較優(yōu),其尖軌和心軌尖端位移較小,基本軌最大附加溫度力、尖軌跟端和翼軌末端單個(gè)傳力部件受力的最大值最小。

3.3 可鋪設(shè)軌溫范圍比較

以ZK標(biāo)準(zhǔn)活載(運(yùn)行速度按350 km/h考慮)作為檢算條件確定可鋪設(shè)軌溫范圍,荷載圖示依據(jù)客運(yùn)專線相關(guān)規(guī)定選取[11]。各扣件阻力型式下,采用上述2種尖軌跟端結(jié)構(gòu)型式的道岔的可鋪設(shè)軌溫范圍見表2。

表2 各扣件阻力型式條件下道岔可鋪設(shè)軌溫范圍

由表2可知,尖軌跟端隔枕跨設(shè)置3組不等間隙限位器結(jié)構(gòu)(限位值為7.0、6.5和6.0 mm)時(shí),相對(duì)扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)條件下,最大軌溫變化幅度不變或減小1 ℃；扣件阻力型式(3)條件下,最大軌溫變化幅度不變或增大1 ℃；扣件阻力型式(4)條件下,最大軌溫變化幅度不變或增大1 ℃。

由表2還可知,尖軌跟端隔枕跨設(shè)置3組間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí),相對(duì)扣件阻力型式(1)：扣件阻力型式(2)條件下,最大軌溫變化幅度不變；扣件阻力型式(3)條件下,最大軌溫變化幅度增大1 ℃；扣件阻力型式(4)條件下,最大軌溫變化幅度不變。

綜上所述,扣件阻力型式(3)最優(yōu),其最大升溫幅度和降溫幅度均最大。

3.4 小結(jié)

經(jīng)過比較分析可知,在本文所述參數(shù)條件下,在條件允許時(shí),可適當(dāng)增大里軌扣件阻力,以利于控制無(wú)縫道岔的受力與變形。

4 翼軌末端間隔鐵數(shù)量影響分析

4.1 主要計(jì)算工況

以鋼軌升溫60 ℃時(shí)為例,計(jì)算尖軌跟端采用隔枕跨2組限位器結(jié)構(gòu)(限位值依次為7.0和6.5 mm)和尖軌跟端采用隔枕跨2組長(zhǎng)大間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí)的主要計(jì)算結(jié)果,翼軌末端分別按每側(cè)設(shè)置3組、4組和5組間隔鐵考慮。

4.2 主要計(jì)算結(jié)果比較

上述計(jì)算條件下,翼軌末端設(shè)置不同數(shù)量間隔鐵時(shí)的道岔的主要計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同翼軌末端間隔鐵數(shù)量條件下道岔主要計(jì)算結(jié)果

由表3可知,采用不同數(shù)量的翼軌末端間隔鐵,對(duì)于道岔的尖軌尖端位移、基本軌附加溫度力以及尖軌跟端單個(gè)傳力部件所受力的影響很小,可以不予考慮。這是由于客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔長(zhǎng)度較長(zhǎng),翼軌末端間隔鐵位置距離尖軌尖端和跟端較遠(yuǎn),而道岔的基本軌附加溫度力主要是由尖軌跟端傳力結(jié)構(gòu)傳遞給基本軌的,因此翼軌末端間隔鐵的數(shù)量對(duì)于上述結(jié)果影響不大。同樣可知,不同的尖軌跟端結(jié)構(gòu)型式對(duì)翼軌末端間隔鐵的受力和螺栓相對(duì)錯(cuò)動(dòng)量基本上也沒有影響。

當(dāng)翼軌末端間隔鐵的數(shù)量增加時(shí),翼軌末端單組間隔鐵所受最大力有所降低。當(dāng)每側(cè)間隔鐵分別由3組增加至4組和由4組增加至5組時(shí),翼軌末端單組間隔鐵所受最大力分別降低19.5%和14.6%。

由此可見,增加翼軌末端每側(cè)間隔鐵的數(shù)量對(duì)其受力與變形都是有利的?？紤]到翼軌末端間隔鐵的布置空間有限,建議仍采用當(dāng)前方案,即翼軌末端每側(cè)布置4組間隔鐵。

4.3 翼軌末端單組間隔鐵受力比較

由上文中分析可知,尖軌跟端結(jié)構(gòu)型式對(duì)翼軌末端間隔鐵的受力基本上沒有影響。因此,軌溫變化幅度為升溫60 ℃時(shí),尖軌跟端采用隔枕跨2組限位器結(jié)構(gòu)(限位值依次為7.0、6.5 mm)或隔枕跨2組長(zhǎng)大間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí)不同間隔鐵數(shù)量的道岔的翼軌末端各組間隔鐵受力見表4。

表4 翼軌末端各組間隔鐵受力 kN

翼軌末端分別按每側(cè)設(shè)置3組、4組和5組間隔鐵考慮,相應(yīng)的間隔鐵編號(hào)見圖4所示。

圖4 翼軌末端間隔鐵號(hào)碼圖示

由表4可知,隨著翼軌末端每側(cè)設(shè)置的間隔鐵數(shù)量的增加,翼軌末端單組間隔鐵受到的溫度力最大值變小。

4.4 翼軌末端間隔鐵設(shè)置分析

在道岔翼軌末端設(shè)置不同數(shù)量的間隔鐵的條件下,比較單側(cè)間隔鐵受力之和。考慮到理論計(jì)算與實(shí)際受力的差異,計(jì)算結(jié)果乘以1.2的安全系數(shù)。

由上文中分析可知,尖軌跟端結(jié)構(gòu)型式對(duì)翼軌末端間隔鐵的受力基本上沒有影響,因此尖軌跟端采用隔枕跨2組限位器結(jié)構(gòu)(限位值依次為7.0、6.5 mm)或隔枕跨2組長(zhǎng)大間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí)的單側(cè)翼軌末端間隔鐵受力之和相同,計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 單側(cè)翼軌末端間隔鐵受力之和比較 kN

由表5計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)尖軌跟端采用隔枕跨2組限位器結(jié)構(gòu)(限位值依次為7.0、6.5 mm)或隔枕跨2組長(zhǎng)大間隔鐵結(jié)構(gòu)時(shí),翼軌末端傳力部件受力總和均可按不大于1 150 kN設(shè)計(jì)。

對(duì)于目前已采用的方案,即翼軌末端采用每側(cè)4組間隔鐵的情況?？紤]到同側(cè)不同間隔鐵之間螺栓扭矩不同等因素(假定有一個(gè)間隔鐵未傳遞溫度力時(shí),間隔鐵受力增大33%),同側(cè)單個(gè)間隔鐵受力最大值還應(yīng)乘以1.33的不均勻系數(shù)。則兩側(cè)單組間隔鐵受力最大值分別為：直側(cè)391.4 kN、曲側(cè)391.2 kN。

由間隔鐵單根螺栓剪力的檢算條件

(1)

式中，T為間隔鐵螺栓承受剪力；T′為間隔鐵摩阻力；n為間隔鐵螺栓根數(shù)；d為間隔鐵螺栓直徑,取d=27mm。

得到3根M27高強(qiáng)螺栓的間隔鐵的最大受力限值為(3根螺栓、螺栓扭矩為1 100N·m的單個(gè)間隔鐵的摩阻力為108kN)

3×10-3+108=561.5kN

(2)

因此,翼軌末端間隔鐵受力滿足檢算要求,安全富余量約為30.3%。

5 結(jié)論和建議

通過對(duì)采用不同扣件阻力和道岔翼軌末端間隔鐵數(shù)量的時(shí)速350km客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的研究分析,在本文所述的參數(shù)條件下得出以下結(jié)論和建議。

(1)當(dāng)基本軌扣件阻力或里軌扣件阻力增大時(shí),尖軌尖端相對(duì)位移減小,有利于控制尖軌尖端的卡阻現(xiàn)象。同時(shí),里軌通過尖軌跟端傳力部件傳遞到基本軌上的附加力減小,相應(yīng)的基本軌最大溫度力降低；并且尖軌跟端和翼軌末端單個(gè)傳力部件的受力也減小。

(2)道岔扣件阻力應(yīng)滿足道岔設(shè)計(jì)的要求；建議在條件允許時(shí),增大里軌扣件阻力,以利于控制無(wú)縫道岔的受力與變形。

(3)采用不同數(shù)量的翼軌末端間隔鐵,對(duì)于道岔的尖軌尖端位移、基本軌附加溫度力以及尖軌跟端單個(gè)傳力部件所受的力的影響很小。同時(shí),在相同的翼軌末端間隔鐵的設(shè)置數(shù)量條件下,不同的尖軌跟端結(jié)構(gòu)型式的客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔的翼軌末端間隔鐵受力基本相同。

(4)增加翼軌末端單側(cè)間隔鐵的數(shù)目對(duì)其受力與變形都是有利的。考慮到翼軌末端間隔鐵的布置空間有限,客運(yùn)專線42號(hào)無(wú)砟軌道無(wú)縫道岔翼軌末端傳力部件建議采用當(dāng)前方案,即翼軌末端每側(cè)布置4組間隔鐵,受力總和可按不大于1150kN設(shè)計(jì)。當(dāng)前采用的翼軌末端傳力部件方案滿足檢算要求,在本文所述的參數(shù)條件下得出安全富余量約為30.3%。

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