重载铁路12号固定辙叉道岔轨道刚度变化分布研究.docx

文 章 编 号 : 1003 -1995 ( 2012 ) 02 -0087 -03重 载 铁 路 12 号固定辙叉道岔轨道刚度变化分布研究 孙 加 林 ，刘磊( 中国铁道科学研究 院 铁道科学技术研究发展中心 ，北京 100081 )摘 要 : 本 文 通 过 建 立 重 载 12 号 固 定辙叉道岔整体有限元分析模 型 ，计算了岔区轨道刚度的分布特征 。研 究结果表明 : 道岔区 轨道刚度不平顺问题较为 严 重 ，基本轨刚度转 辙 器 区 要 大 于 连 接 部 分 和 辙 叉 区 ，里 轨 刚 度 辙 叉 区 最 大 ，转 辙 器 次 之 ，连 接 部 分 最 小 。关 键 词 : 重 载 铁 路 固 定 辙 叉 轨 道 刚 度中 图 分 类 号 : u213. 2 + 2 ; u213. 6文 献 标 识 码 : a轨道刚度 是影响轨道振动与 变 形的重要 参 数 之一 ，国 内外对 轨道刚度问题 非常重视 ，进行了大量轨道 刚 度 合 理 值 及 部 件 刚 度 合 理 匹 配 关 系 的 研 究 。道 岔 区 是 轨 道 刚 度 发 生 突 变 的主要区 域 ，轮 轨冲击荷载对道 岔 结 构 的 破 坏 程 度 与 轨道 刚度有着 密不可分的联系 。 道 岔 使 用 寿 命 短 、零部件损 坏严重 ，主要原因就是由于 轨 道 刚 度 不 满 足 要 求 致 使 轮 轨 相 互 作 用 加 剧 而 造 成 的 。本 文 拟 结 合 道 岔 区 复 杂 的 轨 道 结 构 特 点 ，分 析 影 响 轨 道 刚 度 的 因 素 ，建 立道岔区轨道 刚度仿真计算模 型 ，对 道岔区 轨道刚度的分 布变化规律进行研究 。后 与板下胶垫刚度串联得到 。道 床 支 承 刚 度 一 般 采 用半 根轨枕的道床支承刚度 ，由于道 砟 颗 粒 的离散 性 ，道 床 刚 度 不 易 控 制 ，一 般 约 为 100 140 kn / mm，但 如 果 出 现板结等病害后 ，刚度 会 显著 增大 。一 般 区 间 轨 道 刚度理论同样适用于道岔 区 ，但又 有 所 区 别 : 道 岔 区 转 辙 器尖轨和辙叉心轨 采 用变截 面 钢 轨 。两 根 钢 轨 共 用 铁 垫 板 ，当 轮 载 作 用 钢 轨 压迫 铁垫板下移时 ，铁 垫 板 上的非轮载作用钢 轨 会限制 铁 垫 板 的 下 移 ，从 而起到帮轨的作用 。 道 岔 区 轨 枕 长 度 不 一 ，道 床 支 承刚度换算为支承线刚度 。 基 本轨 与 尖 轨 、心 轨 与 翼 轨 通 过 间 隔 铁 、顶 铁 等 部 件 联 结 后形 成一个框架体系 ，多根 钢 轨共 同承受车轮荷 载 作用， 产 生部件辅助刚度 。1道岔区轨道刚度影响因素分析 根 据弹性地基 梁 理论轨道 刚 度主要取决于钢轨抗 弯 刚 度 和 支 点 刚 度 ，轨 道 刚 度 k 计 算道岔区轨道刚度仿真模型 242. 1钢 轨 模 型 ( 见 图 1 )基 本 轨 为 60 kg / m 钢 轨 ，钢 轨 的 弹 性 模 量 e = 2063k = 槡64 e iu式 中 ，ei 为 钢 轨 抗 弯 刚 度 ，对 于 60 kg / m 钢 轨 ，ei =6. 76 1012 nmm2 ; u 为 钢 轨 基 础 弹 性 模 量 ，等 于 钢 轨支 点 刚 度 d 与 轨 枕 间 距 l 的 比 值 。钢 轨 支 点 刚 度 包 括 扣 件 系 统 刚 度 、轨 枕 刚 度 和 道 床 支 承 刚 度 。对 于 混凝土轨枕 线路 ，由于混凝土轨枕 自 身 刚 度 很 大 ，挠 曲 系 数 接 近 1 ，因 此 ，无 论 是 理 论 分 析 还 是 实 际 应 用 都 可 以忽 略混凝土 轨枕的挠曲变 形 ， 将 其 视 为 刚 体 。这 时 ，钢 轨 支 点 刚 度 d 可 由 扣 件 系 统 刚 度 d1 和 道 床 支 承 刚 度 d2 表 示3gpa，泊 松 比 = 0. 3 ，质 量 密 度 为7 698 kg / m 。尖 轨 采用 矮 型 特 种 断 面 钢 轨 ( 简 称 at 轨 ) 刨 切 制 成 ，依 靠 其被 刨尖的一端与 基 本 轨密贴 ，将列车引入正线或侧线 方 向 。为 了 保 护 尖 轨不被车轮轧 伤 ，在轨头下 颚轨距 线 以 下 作 1 3 的 斜 切 ，使尖轨尖端藏于基本 轨 的轨距 线 下 ，形成藏尖式结构 。2. 2 扣 件 系 统 模 型 ( 见 图 2 )在 模 型 中 ，钢 轨 扣件为连接在钢轨底和铁垫板之 间 的无质量线性 弹 簧 ，刚度为扣压件和轨下胶垫的并 联 刚 度 ，板 下 胶 垫 模 型 通 过联结铁垫板和轨 枕 节点的 弹 簧 单 元 形 成 。2. 3 轨 枕 模 型轨 枕 混 凝 土 强 度 等 级 c60 ，弹 性 模 量 e 为 36 gpa，d1 d2d =d1 + d2扣 件 系 统 刚 度 由 扣压件与 轨下胶垫刚度并 联 ，然收 稿 日 期 : 2011 -11 -01 ; 修 回 日 期 : 2011 -11 -15作 者 简 介 : 孙 加 林 ( 1974 ) ，男 ，内蒙古通辽人 ，助理研究员 ，硕士 。kg / m3 ，枕 底 宽 为泊 松 比 为 0. 2 ，质 量 密 度 为 2 500铁道 建 筑february，201288图 1钢 轨 仿 真 模 型图 2 扣 件 模 型300 mm，顶 宽 为 260 mm，高 为 220 mm，道 床 对 轨 枕 的支 承 线 刚 度 约 为 76. 9 107. 7 kn / mm / m，模 型 截 面 如图 3 所 示 。道 岔 区 轨 枕 长 度 各 不 相 同 ，参 照 设 计 图 纸 ，仿 真 模 型 共 有 轨 枕 63 根 ，轨 枕 长 度 和 数 量 如 表 1 所示 。道 岔区轨道刚 度 仿真计算 模 型主要包括钢轨变截 面 模 型 、扣 件 系 统 刚 度 模 型 和 轨 枕 模 型 ，道 岔 区 轨 道 刚 度 仿 真 计 算 模 型 见 图 4 。图 4 道岔区轨道刚度仿真计算模型 3计算结果与分析 利 用 已 建 立 的 道岔区轨道刚度仿真计算模 型 ，分别 计算道岔直向轨道刚度和 侧 向 轨 道刚 度 。根 据 道 岔 结 构 的 特 点 ，将 计 算 结 果 按 照 转 辙 器 、连 接 部 分 和 辙 叉 区 进 行 分 析 ，仿 真 计 算 统 计 结 果 如 表 2 所 示 。3. 1 转 辙 器 区 计 算 结 果 分 析转辙器是引导 机 车 车 辆 沿 主 线 方 向 或 侧 线 方 向 行 驶的线路设备，由两根基本轨、两根尖轨、各种联结零件 及道岔 转 换 设 备 组 成。 转辙器部分计算刚度见图 5。 由分析可知转辙器部分两根基本 轨 、两 根 尖 轨 的 轨 道 刚 度分布规律总 体 一 致; 基 本 轨 刚 度 变 化 不 大，刚 度 值 主 要分布在 80 100 kn / mm; 轨 道 刚 度 横 向 不 平 顺，尖 轨 刚度大于基本 轨，原 因 是 基 本 轨 和 尖 轨 共 用 铁 垫 板，对 尖轨有帮轨作 用，并 且 尖 轨 为 变 截 面 钢 轨; 轨 道 刚 度 最 大值为 128. 2 kn / mm，位于尖轨变截面终点处。3. 2 连 接 部 分 结 果 分 析连 接 部 分 是 转 辙器和辙叉之间的连接线 路 ，包括 直 向 连 接 线 和 侧 向 连 接 线 ( 亦 称 为 导 曲 线 ) 。 直 向 连 接 线由直向基本轨和直向里 轨 组 成 。侧 向 连 接 线 由 侧 向 基 本 轨 和 侧 向 里 轨 组 成 ，平 面 形 式 为 圆 曲 线 。 连 接 部 分 计 算 刚 度 见 图 6 。 由 分 析 可 知 ，连 接 部 分 起 点 处 基 本轨和里轨共用铁垫板 ，帮轨作 用 使 轨 道刚度 增 大， 随 着导曲线延伸 ，基本轨 与 里轨 分离 ，帮 轨作 用逐渐减 小 ，此后轨道刚度在 80 90 kn / mm 之 间 。图 3 轨 枕 截 面表 1 轨枕长度和数量 序 号 轨 枕 长 / m数 量序 号 轨 枕 长 / m数 量1 2. 60 1222. 70 632. 80 442. 90 652. 95 263. 00 473. 10 483. 20 293. 30 210 3. 40 211 3. 50 212 3. 60 213 3. 70 214 3. 80 215 3. 90 216 4. 00 217 4. 10 218 4. 20 219 4. 30 220 4. 40 12012 年 第 2 期重 载 铁 路 12 号固定辙叉道岔轨道刚度变化分布研究 89表 2道岔各位置刚度仿真计算结果统计 kn / mm区域项 目转 辙 器 ( 4 16 m)连 接 部 分 ( 16 28 m)辙 叉 区 ( 28 38 m)基 本 轨尖 轨基 本 轨里 轨基 本 轨里 轨最 大 值最 小 值 平 均 值107. 683. 496. 2128. 292. 8114. 3113. 177. 187. 3118. 779. 296. 686. 572. 579. 8162. 286. 3124. 9直 向最 大 值最 小 值 平 均 值102. 080. 396. 0126. 176. 5111. 2108. 174. 986. 0113. 379. 393. 683. 269. 576. 9160. 079. 6121. 8侧 向图 7辙 叉 部 分 刚 度图 5 转辙器部分刚度 影 响道岔区轨道刚度发生变化 。2 ) 直 向 轨 道刚度与 侧向轨道刚 度分布规律基本 相 同 ，由于转辙器区基 本 轨 和尖 轨共用铁垫板 ，基本轨 刚 度转辙器区要 大 于 连接部分和辙叉 区 ; 由于 心轨与 翼 轨 有 间 隔 铁 联 结 ，里 轨 刚 度 辙 叉 区 最 大 ，转 辙 器 次 之 ，连 接 部 分 最 小 。3 ) 道 岔 区 轨 道 刚 度不平顺问题 较 为 严 重 ，包 括 沿 线 路方向的纵向不平顺以及 基 本 轨 和里 轨刚 度的横向 不 平顺 ，工程上易于实 现 的 是通 过合理设置胶 垫 刚度， 改 善道岔区轨道刚度的平顺性 。图 6 连 接 部 分 刚 度3. 3辙 叉 区 结 果 分 析辙 叉 由 叉 心 、翼 轨 和 联 结 零 件 组 成 ，是 使 车 轮 由 一 股 钢 轨 越 过 另 一 股 钢 轨 的 设 备 。辙叉部分刚度计算结 果 如 图 7 所 示 。 由 分 析 可 知 ，基 本 轨 刚 度 为 80 kn / mm，且 变 化 不 大 ; 辙 岔 轨 道 刚 度 较 大 ，主 要 是 因 为 心 轨 与 两 翼 轨 有 间 隔 铁联结 ，间隔铁 使轨道之间有着 较 强 的 帮 轨 作 用 ，辙 岔 轨 道 刚 度 最 大 值 为 162. 2 kn / mm; 轨 道 刚 度 沿 线 路 纵 向 和 横 向 不 平 顺 问 题 均 较 为 严 重 。参 考 文 献1中国铁道科学研究院 车 辆 、线 路 、道 岔 、桥 梁 系 统 的 仿 真 动力 分 析 的 研 究r 北京: 中国铁道科学研究院 ，2006 2傅 一 帆 ，罗 雁 云 道岔轨下刚度不均匀对轮轨系统 动 力 特 性的 影 响 分 析j 铁 道 建 筑 ，2011 ( 4 ) : 139 -141 3中国铁道科学 研