道岔搗固車起道作業(yè)對道岔受力和變形的影響

楊榮山，潘國瑞，曹世豪，劉學毅

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

20世紀60年代以前，我國的鐵路養(yǎng)護維修作業(yè)主要依靠人力。隨著技術(shù)水平的提高，鐵路工務段開始配備小型養(yǎng)路機械進行養(yǎng)護，提高了作業(yè)效率，減輕了勞動強度。進入90年代后，隨著我國鐵路技術(shù)的快速發(fā)展，手工和小型養(yǎng)路機械難以滿足日益提高的養(yǎng)護維修要求，機械化維修已成為我國鐵路線路養(yǎng)護維修的主要模式。特別是近十年來，我國對國外大型養(yǎng)路機械進行了引進、消化吸收及國產(chǎn)化，使鐵路工務系統(tǒng)的作業(yè)方式和維修體制發(fā)生了根本性變革，大型養(yǎng)路機械已成為確保線路安全運營必不可少的現(xiàn)代裝備[1-2]。

在道岔機械化養(yǎng)護維修方面，我國從奧地利PLASSER公司引進的CDC-16型道岔搗固車具有起道、撥道、抄平、道砟搗固和自動修正軌道偏差等多種綜合作業(yè)能力。該車在道岔維修中采用三軌起道、四軌搗固作業(yè)原理，作業(yè)效率高、質(zhì)量好，能夠有效延長道岔的維修周期[3-5]。雖然大型機械有上述優(yōu)點，但大型機械作業(yè)引起的過大軌道幾何形位改變也會對軌道結(jié)構(gòu)的正常工作狀態(tài)造成影響。尤其是道岔區(qū)，因其結(jié)構(gòu)復雜、維修作業(yè)難度大、精度要求高，在采用大型機械作業(yè)時，更應注意其對道岔本身的影響。為此，以CDC-16型道岔搗固車在岔區(qū)作業(yè)為例，進行其對道岔受力和變形影響的研究，并據(jù)此提出合理的起道方式和單次起道量建議。

1　道岔搗固車的結(jié)構(gòu)及作業(yè)類型

1.1　道岔搗固車的基本結(jié)構(gòu)

CDC-16型道岔搗固車的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中車輛定距14 m，固定軸距1.8 m，前轉(zhuǎn)向架空車軸重17.435 t，后轉(zhuǎn)向架空車軸重22.25 t，作業(yè)裝置位于兩轉(zhuǎn)向架之間靠后轉(zhuǎn)向架一側(cè)，各部件的具體尺寸見圖1。

1.2　作業(yè)類型

1.2.1搗固、夯實作業(yè)

該道岔搗固車的搗固裝置和夯實裝置是同步作業(yè)的。搗固裝置用于搗固鋼軌兩側(cè)的枕底道砟，提高枕底道砟的密實度，并與起撥道裝置相配合，消除軌道的高低不平順，增強軌道的穩(wěn)定性。夯實裝置安裝于后轉(zhuǎn)向架上，通過對道床肩部石砟進行夯實，提高道床肩部的石砟密實度，以增大道床的橫向阻力。

道岔搗固車既可進行常規(guī)的兩軌搗固，又可把4個搗固框架滑移、旋轉(zhuǎn)到道岔另一股線路上，完成四軌搗固。在對道岔的轍叉、尖軌曲向可彎部分作業(yè)時，應適當增加搗固次數(shù)；對受條件限制不能同時搗固的曲股，可采用小型機械搗固相配合。搗固、夯實作業(yè)主要對道床的縱、橫向阻力影響較大，對道岔結(jié)構(gòu)的受力和變形影響在軌道結(jié)構(gòu)的承載能力以內(nèi)[6-9]。

圖1　道岔搗固車的基本結(jié)構(gòu)(單位：mm)

1.2.2撥道作業(yè)

起、撥道裝置由左、右2套夾軌鉗、2套提軌鉤以及2組撥道輪組成，分別作用于正線的兩軌上，完成起、撥道作業(yè)，消除軌道的方向、水平偏差，確保行車安全。起、撥道裝置雖可單獨進行起道或撥道作業(yè)，但實際作業(yè)中，為減小撥道阻力，在無起道量的單項撥道時，也要設(shè)置約10 mm的起道量，且岔區(qū)單次撥道量不超過20 mm。因此，撥道作業(yè)所需的撥道力較小，對道岔結(jié)構(gòu)的受力和變形影響不大，故本文不對撥道作業(yè)進行研究。

1.2.3起道作業(yè)

搗固車在道岔直股作業(yè)時，可用起道夾鉗夾住軌頭，或在轉(zhuǎn)轍器區(qū)域、轍叉區(qū)域用起道鉤鉤住基本軌或翼軌底部施加起道力，提起軌排，該方式被稱為正線起道。

第3軌輔助起道裝置位于正線起道裝置前方1 696～1 880 mm范圍，由可調(diào)節(jié)的伸縮臂和夾軌鉗組成，作業(yè)時其伸縮臂外伸到道岔側(cè)股的第3軌或第4軌對其施加起道力。該裝置可在離正線線路中線1 750～3 300 mm范圍內(nèi)作業(yè)，在12號、18號和30號右開道岔的具體作業(yè)范圍，如圖2所示。

圖2　第3軌起道裝置作業(yè)范圍(單位：mm)

圖中岔枕編號順序是以岔前軌縫后第1根岔枕開始，每根岔枕的平均間距為600 mm，道岔號碼越大，岔枕越多。利用第3軌起道裝置配合正線起道裝置共同完成起道作業(yè)的方式被稱為三軌起道方式。

在搗固車完成起道作業(yè)較為困難的區(qū)域，可在正線起道裝置右側(cè)第4軌的相應位置人工使用液壓起道器施加起道力，配合搗固車正線的起道作業(yè)，該方式被稱為人工輔助起道。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，CDC-16型道岔搗固車在岔區(qū)作業(yè)時，存在起道設(shè)備動力不足、起道作業(yè)方式僅憑現(xiàn)場人員的經(jīng)驗選取等問題。因此，基于有限元法，分別建立起道時12號、18號和30號道岔的受力分析模型，計算搗固車在岔區(qū)不同枕位以不同起道方式進行作業(yè)所需的起道力，分析不同起道方式對道岔受力和變形的影響，為現(xiàn)場起道方式的選擇提供理論參考。由于12號和18號道岔為最常見道岔，文中做了較詳細的分析，并且因本文篇幅所限，對30號道岔僅給出了相關(guān)的計算結(jié)果。

2　道岔相關(guān)參數(shù)及起道計算模型

2.1　道岔相關(guān)參數(shù)

根據(jù)12號、18號提速改進型單開道岔和時速250 km的60 kg·m-1鋼軌30號單開道岔設(shè)計圖，確定岔區(qū)的轍叉型式、導曲線半徑、間隔鐵數(shù)量及位置等結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，鋼軌類型為60 kg·m-1，扣件為彈條Ⅱ型扣件，其垂向受壓剛度取70 kN·mm-1，垂向受拉剛度約12 kN·mm-1，混凝土岔枕間距600 mm，岔枕頂寬260 mm、底寬300 mm、高220 mm。起道時，隨著起道裝置對軌排的提升，岔枕與道砟的接觸面減小，位移超過2 mm時，道砟與岔枕之間的側(cè)面摩阻力對起道作業(yè)影響不大，可近似忽略其影響。因此，地基彈簧受拉剛度取受壓剛度的百分之一，超過2 mm部分剛度趨于0，受壓剛度取道床對岔枕的支承線剛度120 MN·m-1·m-1。

2.2　計算模型

根據(jù)道岔中鋼軌與岔枕的結(jié)構(gòu)特點，考慮軌道結(jié)構(gòu)的自重，建立搗固車起道時的道岔受力分析模型。其中，鋼軌和岔枕用梁單元模擬，以扣件位置為節(jié)點劃分鋼軌與岔枕單元，扣件采用非線性彈簧模擬，枕下道床視為等效地基彈簧，道床阻力用非線性彈簧進行模擬。為減小邊界效應的影響，道岔模型在岔前和岔后均延伸60 m。起道作業(yè)的力學模型如圖3所示。圖中：ErIr，EsIs分別為鋼軌、岔枕的垂向抗彎剛度，Kc與Kb分別為扣件和道砟的垂向剛度，F(xiàn)i(i=1，2，3，4)代表搗固車轉(zhuǎn)向架的輪重，a為鋼軌起道量，F(xiàn)a為起道裝置提供的起道力。沿線路前進方向，左側(cè)為直股，右側(cè)為側(cè)股。圖中力、位移和彈簧的方向均為z方向。

圖3　起道力學模型

3　不同起道方式的起道力

為保證線路狀況的連續(xù)性和道砟搗固的效果，起道量較大時可采用分次起道。道岔維修搗固作業(yè)技術(shù)規(guī)定：作業(yè)范圍包括岔區(qū)及其前后各50 m的線路，一次起道量應控制在10～50 mm間[10]。分別以50和30 mm為起道量，12號和18號道岔在右開道岔不同枕位以正線起道、三軌起道和人工輔助起道3種起道方式作業(yè)所需的起道力如圖4、圖5和圖6所示。由圖4和圖5可見，在搗固車起道作業(yè)中，隨著起道點下方岔枕長度的增加，右開道岔岔枕的重心從正線線路的中線逐漸向右移，因此右側(cè)起道力明顯大于左側(cè)。

因文中計算了不同的道岔，為明確計算點位置，計算結(jié)果圖中橫坐標為岔枕位置編號，具體位置可根據(jù)岔枕編號和岔枕間距計算得到。

由圖4可見，搗固車采用正線起道方式作業(yè)、起道量為50 mm時，12號道岔的65#—74#岔枕和18號道岔的93#—107#岔枕的長度較長，為4.4～4.8 m，軌道結(jié)構(gòu)自重較大，且岔枕受力不對稱較嚴重，導致右側(cè)所需起道力超過起道設(shè)備的動力上限250 kN；起道量為30 mm所需的起道力小于50 mm對應的起道力，且未出現(xiàn)超過起道裝置動力上限的情況。

由圖5可見，第3軌起道裝置作用于側(cè)線配合正線作業(yè)，可有效緩解長岔枕受力不對稱的情況。因此，三軌起道方式所需起道力小于正線起道方式，起道量為50和30 mm時，左右兩側(cè)起道力均小于250 kN，第3軌起道力也在第3軌起道設(shè)備動力上限80 kN以內(nèi)。

圖4　正線起道的起道力

圖5　三軌起道的起道力

圖6　人工輔助起道的起道力

由圖6可見，使用人工輔助起道方式起道可使岔枕受力均勻，所需起道力小于前兩者。

30號道岔起道力的變化規(guī)律與12號、18號道岔大致相同。起道量為50 mm，采用正線起道方式時，30號道岔的165#—182#岔枕(岔枕長度4.5～4.72 m)右側(cè)起道力大于250 kN，其余工況所需起道力均在起道設(shè)備動力上限以內(nèi)。

綜上，起道力隨著起道量的增大而增大。人工輔助起道方式所需起道力最小，三軌起道方式次之，這2種起道方式所需起道力均在起道設(shè)備動力上限以內(nèi)。因此，單次起道量控制在50 mm以下時，采用合理的起道方式可避免現(xiàn)有起道設(shè)備動力不足的問題。

4　不同起道方式對道岔結(jié)構(gòu)的影響

起道作業(yè)對道岔的受力和變形影響較大，可能會超出道岔所能承受的強度。因此，有必要對起道過程中道岔各部件的受力和變形情況進行分析，防止起道作業(yè)對道岔造成破壞。

4.1　對鋼軌的影響

起道作業(yè)使鋼軌發(fā)生垂向彎曲。如果鋼軌容許應力取352 MPa，則鋼軌垂向彎曲所能承受的最大彎矩為119 kN·m。

起道量分別取50和30 mm，在12號和18號道岔的不同枕位以不同起道方式作業(yè)時，沿線鋼軌的最大負彎矩如圖7所示。由圖7可見，在起道量為50和30 mm的情況下，采用這3種起道方式鋼軌承受的最大彎矩均在其可承受范圍內(nèi)，30號道岔亦如此；鋼軌承受的彎矩主要由起道量控制，受起道方式的影響不大。

圖7　鋼軌最大負彎矩

4.2　對岔枕的影響

與提速道岔配套的混凝土岔枕通常為單一截面形狀，無軌下、中間截面之分，因此結(jié)合岔枕主要參數(shù)，根據(jù)式(1)和式(2)可計算出岔枕的受彎極限承載能力，正彎矩為37.08 kN·m，負彎矩為30.15 kN·m[11-13]。

(1)

(2)

不同起道方式條件下岔枕的正彎矩如圖8所示。由圖8可見：在轍叉分岔后第3和第4根直股短軌枕，即12號道岔的78#—79#岔枕(長2.45 m)和18號道岔的111#岔枕(長2.45 m)進行起道作業(yè)時，若對側(cè)股短軌枕進行人工輔助起道，會使最后一根長岔枕(12號道岔的75#岔枕和18號道岔的108#岔枕)產(chǎn)生較大的正彎矩，但并未超過岔枕的承載能力；除此之外，在其他枕位采用這3種起道方式進行作業(yè)，岔枕承受的正彎矩均較小。

圖8　岔枕最大正彎矩

起道量為50 mm時，不同起道方式下的岔枕負彎矩如圖9所示。由圖9可見：在轉(zhuǎn)轍器和連接部分進行起道作業(yè)時，由于岔枕較短，產(chǎn)生的負彎矩較??；在轍叉區(qū)域長岔枕和岔后直股短軌枕區(qū)域，即12號道岔的67#—76#岔枕和18號道岔的97#—109#岔枕(長枕長4.5～4.8 m，短枕長2.45 m)處進行正線起道作業(yè)時，長岔枕左側(cè)在起道力作用下提升，右側(cè)需克服自重和側(cè)線鋼軌重力才能提升，這種不均勻的受力情況會使長岔枕中部產(chǎn)生極大的負彎矩，導致岔枕上側(cè)開裂；采用三軌起道方式可緩解岔枕受力不對稱的情況，但在12號道岔的75#岔枕(長4.8 m)和76#岔枕(長2.45 m)與18號道岔的108#岔枕(長4.8 m)和109#岔枕(長2.45 m)仍存在岔枕負彎矩超限的情況；人工輔助起道可使岔枕受力均勻，避免了岔枕負彎矩超限的問題。

圖9　岔枕最大負彎矩(a=50 mm)

起道量為30 mm時，不同起道方式下的岔枕負彎矩如圖10所示。由圖10可見：采用正線起道方式在12號道岔的71#—76#岔枕(長4.7～4.8和2.45 m)與18號道岔的106#—109#岔枕(長4.8和2.45 m)起道時，長岔枕中部承受的最大負彎矩超過岔枕承載能力；其他區(qū)域采用3種起道方式作業(yè)時岔枕承受的負彎矩均在岔枕承載能力以內(nèi)。

圖10　岔枕最大負彎矩(a=30 mm)

30號道岔岔枕承受彎矩的變化規(guī)律與12號和18號道岔大致相同，各種工況下最大正彎矩均未超過岔枕承載能力范圍。起道量為50 mm時，由于轍叉區(qū)域的岔枕較長，30號道岔的171#—186#岔枕(長4.5～4.72和2.41 m)在正線起道作業(yè)方式下會導致長岔枕因承受的負彎矩較大而開裂；起道量為30 mm時，30號道岔的181#—186#岔枕(長4.72和2.41 m)在正線起道作業(yè)方式下，會導致岔枕承受的負彎矩超過岔枕承載能力。三軌起道方式可使岔枕承受的負彎矩減小，但仍有部分區(qū)域需人工輔助起道才能保證將其控制在岔枕承載能力以內(nèi)，如起道量為50 mm時，30號道岔的185#岔枕(長4.72 m) 和186#岔枕(長2.41 m)。因此，岔枕承受的負彎矩受起道量和起道方式的影響較大，應正確選取起道方式以保證岔枕不被破壞。

4.3　對扣件的影響

起道作業(yè)會使部分扣件承受上拔力，其中右側(cè)起道點下方的扣件所受上拔力最大。按設(shè)計規(guī)范彈條Ⅱ型扣件的連接件抗拔力不小于60 kN。

當起道量為50 mm時，扣件承受的最大上拔力如圖11所示。由圖11可見：在12號道岔的74#—76#岔枕(長4.8和2.45 m)及18號道岔的108#岔枕(長4.8 )和109#岔枕(長2.45 m)進行正線起道作業(yè)時，道岔分岔區(qū)域岔枕的長度最長，軌道結(jié)構(gòu)自重大，易導致起道過程中扣件受到的上拔力大于60 kN而造成連接件破壞；采用三軌起道方式作業(yè)，或人工輔助起道，岔枕受力較為均勻，可將扣件最大上拔力控制在強度范圍內(nèi)。

圖11　扣件最大上拔力(a=50 mm)

起道量為30 mm時，扣件承受的最大上拔力如圖12所示。由圖12可見：在12號道岔的75#岔枕(長4.8 m)和18號道岔的108#岔枕(長4.8 m)進行正線起道作業(yè)時，扣件上拔力超過連接件抗拔力。

30號道岔采用正線起道方式作業(yè)時，在183#—187#岔枕(長4.72和2.41 m)區(qū)域起道50 mm或在185#岔枕(長4.72 m)起道30 mm時扣件承受的上拔力大于60 kN，其余工況的扣件上拔力均在承載能力60 kN以下。綜上，起道作業(yè)對扣件上拔力的影響與對岔枕負彎矩的影響相似。因此，應正確選取起道方式以保證扣件不被破壞。

圖12　扣件最大上拔力(a=30 mm)

5　合理起道方式的選取

經(jīng)對比，三軌起道方式所需的起道力及對道岔結(jié)構(gòu)受力和變形的影響均小于正線起道方式，道岔側(cè)線處于第3軌起道裝置作業(yè)范圍內(nèi)時，建議優(yōu)先采用三軌起道方式。人工輔助起道方式受力較為均勻，但其耗費人力、耽誤作業(yè)時間，應盡量避免使用。為將起道作業(yè)對道岔結(jié)構(gòu)的強度影響控制在可承受范圍內(nèi)并留有一定的安全余量，考慮起道力大小，兼顧搗固車作業(yè)效率，起道量分別為50 和30 mm時，12號、18號和30號道岔起道作業(yè)方式的選取建議見表1和表2。

隨著起道量的減小，起道作業(yè)對道岔結(jié)構(gòu)受力和變形的影響也顯著減小。為保證起道作業(yè)不會造成軌道結(jié)構(gòu)的破壞，建議現(xiàn)場起道作業(yè)所需起道量較大時，采用分次起道，并適當降低單次起道量。

6　結(jié)　論

(1)單次起道量為50 mm時，因道岔轉(zhuǎn)轍器和連接部分的岔枕較短，所以采用正線起道方式即可完成起道作業(yè)；因轍叉區(qū)域的岔枕較長、鋼軌零部件較多、軌道結(jié)構(gòu)自重較大，應使用三軌起道方式；因分岔區(qū)域的岔枕長度最長，為避免長岔枕受力不對稱而承受較大負彎矩和扣件上拔力超限的問題，必須使用人工輔助起道；在短岔枕逐漸過渡為普通線路區(qū)域，用正線起道方式即可。

表1　道岔起道方式的選取建議(a=50 mm)

表2　道岔起道方式選取建議(a=30 mm)

(2)單次起道量為30 mm時，在道岔轉(zhuǎn)轍器和連接部分應采用正線起道方式；在轍叉區(qū)域和分岔區(qū)域采用三軌起道方式即可完成起道作業(yè)，無需人工輔助起道。此外，當起道量較大時可采用分次起道，適當降低單次起道量。

(3)采用較小的單次起道量雖然可以緩解搗固車作業(yè)能力不足和軌道部件承載能力不足的問題，但會降低作業(yè)效率，因此推薦單次起道量為15～30 mm。

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