（道路与铁道工程专业论文）大号码无缝道岔纵向力和位移的有限元计算.pdf

铁道科学研究院学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：必橱倒嗍：蟛年年月 n r _ 、 铁道科学研究院硕士学位论文 摘要 跨区间无缝线路是轨道结构技术进步的重要标志，也是高速和重载轨道结构的 优先选择，它以无可争议的优越性为各国所承认。在跨区间无缝线路穿越车站时， 道岔两端必须与k 轨条焊接或胶结在一起，使道岔成为跨区间无缝线路的一部分。 当轨温变化时，道岔将承受巨大温度力，使无缝道岔钢轨受力与位移发生复杂变化， 这一特点是无缝线路设计、铺设和养护维修的难点。研究并掌握无缝道岔钢轨纵向 力和位移在道岔范围内的分布规律、随温度的变化以及关键部件的受力是设计、铺 设和养护维修无缝道岔的前提和基础。 在对无缝道岔的纵向力传递机理进行研究的基础上，基于杆件有限单元法理 论，本文提出一种无缝道岔计算方法，即应用有限元程序a n s y s 建立无缝道岔有 限元模型，进行纵向力与位移分析。应用该模型并选取切合实际的计算参数对秦沈 客运专线1 8 号和3 8 号无缝道岔进行纵向力与位移的理论计算，对计算结果进行了 分析，得出了无缝道岔钢轨纵向力与位移的分布规律。将计算结果和现场测试结果 比较，二者甚为接近。证明了有限元方法的可行性和正确性。 应用该方法，对影响无缝道岔纵向力与位移的各种因素进行了分析，指出，轨 温变化幅度、道岔尺寸、道岔在无缝线路中的焊连形式、道床阻力、扣件阻力及限 位器限位量是影响无缝道岔纵向力与位移的主要因素。并对各个因素的作用规律及 影响程度进行了分析和总结。最后，根据计算结果和实验数据，对无缝道岔的设计 和铺设提出了一些建议。 关键词：无缝道岔；有限元模型；纵向力和位移 a b s t r a c t c o n t i n u l o u sw e l d e dt u r n o u t sa r ei m p o r t a n tf o rc w rt r a c kt h r o u g ht h er a i l w a y s t a t i o n w h e nt u r n o u t sa ts t a t i o n sa r ew e l d e dw i t hr a i l s ，b e f o r ea n da f t e rt h et u r n o u t ，a n u n b a l a n c e dr a i ll o n g i t u d i n a lf o r c ei sg e n e r a t e d ，w h i c hb r i n gc h a n g e st ot h el o a da n d d e f o r m a t i o no ft h et u r n o u t s ，a n df u r t h e rb r i n gm u c hm o r ed i f f i c u l t i e sf o rt h ed e s i g n i n g a n dm a i n t a i n i n go fc w rt r a c k t h em a i np u r p o s eo ft h ed e s i g n i n gt h e o r yo fw e l d e d t u r n o u t si st oc a l c u l a t et h ee x p a n d i n ga n dt h ec o n t r a c t i n gd i s p l a c e m e n t so ft h ei n n e rr a i l s ， t h ea d d i t i o n a lt e m p e r a t u r ef o r c e so ft h es t o c kr a i l s ，a n dt og u a r a n t e et h e s ev a l u e sa r e w i t h i nt h ea l l o w a b l el i m i t t h e r e f o r e ，t h ea n a l y s i so fr a i ll o n g i t u d i n a lf o r c ea n d d i s p l a c e m e n tb e c o m eo n eo f t h ei m p o r t a n ti s s u e si nt h er a i l w a yt r a c kf i e l d b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tp r i n c i p l ea n ds t u d y i n go nt h et e m p e r a t u r ef o r c e sp a s s i n g p r i n c i p l e so fc o n t i n u o u sw e l d e dt u r n o u t sw i t hm o v a b l ep o i n tf r o g ，t h ea r t i c l ep r o p o s ea n e w c a l c u l a t i n gt h e o r yf o rc o n t i n u o u sw e l d e dt u m o u t sa n d m a k e saf i n i t ee l e m e n tm o d e l b yu s i n ga n s y s t oa n a l y z et h ef o r c e sa n dd e f o r m a t i o n t h em o d e lh a sb e e na p p l i e dt o t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no nt w ok i n d so fw e l d e dt u r n o u t s _ n o 18t u r n o u ta n dn o 3 8 t u r n o u to nt h eq i n h u a n g d a o - - s h e n y a n gd e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e f r o mt h a tc a l c u l a t i o n r e s u l ts o m en e wi m p o r t a n tc o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w n i na d d i t i o n ，t h ed a t ac o l l e c t e d o ns i t ei sb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h a to ft h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n i ti sp r o v e dt h a tt h e c a l c u l a t i o nt h e o r yi sc o r r e c t s o m ei n f l u e n c e so nt h et e m p e r a t u r ef o r c e s a n d d i s p l a c e m e n t s o fd i f f e r e n t r e s i s t a n c e so ft h ew e l d e dt u r n o u t sa r ei n v e s t e d t h ea d d i t i o n a lt e m p e r a t u r ef o r c e so ft l l e s t o c kr a i l sa n dt h ei n n e rr a i ld i s p l a c e m e n t sw i l li n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fb a l l a s t r e s i s t a n c e t h ei n n e rr a i ld i s p l a c e m e n t sa n dt h es h e a rf o r c e sa c t e do nt h eb o l t so fs p a c e r a th e e lw i l li n c r e a s ew i t hd e c r e a s eo ff a s t e n i n gr e s i s t a n c e t h u si nt h ed e s i g n i n ga n d m m m e n a n c eo fc o n t i n u o u sw e l d e dt u r n o u t ，s p e c i a la t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt og o o d q u a l i t yo ft a m p i n go fb l a s t ，t h et i g ；】a t n e s s o ff a s t e n i n g t h ei n n e rr a i ld i s p l a c e m e n tw i l l i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fg a pl i m i to fs p a c e rp i e c e sa th e e l ，a n ds h e a rf o r c ei n c r e a s e w i t ht h ed e c r e a s eo ft h a t t h e r e f o r e ，t h eg a pl i m i to fs p a c e rp i e c e sa th e e ls h o u l db e 2 铁道科学研究院硕上学位论文 a p p r o p r i a t e a l lt h er e s u l t sc a nb eu s e dt og u i d et h es t r u c t u r ed e s i g na n d t h em a i n t e n a n c e o f c o n t i n u o u sw e l d e dt u r n o u t k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sw e l d e dt u r n o u t s ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ；l o n g i t u d i n a lf o r c ea n d d e f o r m a t i o n 3 铁道科学研究院硕士学位论文 第一章绪论 本章介绍国内外铁路无缝道岔的发展状况，回顾了国内外无缝道岔纵向力和位 移的研究状况及存在的某些问题，阐述了本文的研究目的和应用意义，简要概括了 论文的主要研究内容。 1 1 研究目的及意义 无缝线路在完善了桥上无缝线路、高强度胶结绝缘接头、无缝道岔和无缝线路 施工方法等多项技术后，把闭塞区间的接头( 包括绝缘接头) 乃至整个区间，甚趸 几个区间( 包括道岔、桥梁、隧道等) 都焊接在一起，取消了缓冲区，成为跨区问 无缝线路。跨区间无缝线路既是轨道结构技术进步的重要标志，也是高速和重载轨 道结构的优先选择，它以无可争议的优越性为各国所承认，各国铁路竞相发展跨区 间无缝线路。早在7 0 年代，发达国家的无缝线路就向跨区间超长方向发展。在一 些轨温差较小的国家，有些铁路全线都铺设成无缓冲区的无缝线路。发展无缝线路 最早的德国在2 0 世纪9 0 年代已焊成十余万组无缝道岔，绝大部分的轨道都铺设了 跨区间无缝线路。据资料统计，各国已建成的高速铁路为4 8 6 0 千米( 复线) ，在建 的高速铁路为1 8 4 0 千米( 复线) ，总延展长度合计1 3 4 0 0 千米，都是无缝线路或跨 区间无缝线路。 跨区间无缝线路的优点十分明显：无缝线路的长轨条贯通区间，并与车站道岔 焊连，取消了缓冲区，彻底实现了线路的无缝化，全面实现了线路的平顺性和整体 强度：取消了缓冲区后，轨件损耗和养护工作量进一步减少，可显著地延长设备使 用寿命和节约劳动力；钢轨接头的消灭，进一步改善了列车运行条件。伸缩区与固 定区交界处因温度循环而产生的应力峰以及伸缩区过量伸缩不能复位而产生的温 度力峰，都由于伸缩区的消失而消失；跨区间无缝线路的防爬能力强，纵向力分布 比较均匀，锁定轨温容易保持，线路的安全性和可靠性提高。鉴于此，我国铁路 主要技术政策提出：“高速与重载要优先发展跨区间超长无缝线路技术”。 我国跨区间无缝线路自1 9 9 3 年开始铺设试验段，1 9 9 4 年扩大铺设以来，至2 0 0 3 年底，已累计铺设超过1 0 8 5 4 千米【甜，以其较彻底的实现无缝化，在提速中发挥了 不可替代的作用，深受工务和运输管理部门的欢迎，这也标志着我国跨区间无缝线 路技术正在走向成熟。2 0 0 3 年开始运营的秦沈客运专线全长4 0 4 6 5 1 千米，一次性 4 铁道科学研究院硕士学位论文 铺成跨区间无缝线路，其正线轨道由三段长轨条( 含与正线焊接的无缝道岔) 组成， 氏度分别为2 0 0 9 1 8 k m 、2 8 0 5 7 k m 、1 4 6 6 2 5 k m 3 】，秦沈客运专线的建成标志着我国 跨区间无缝线路技术达到世界先进水平。 无缝道岔是跨区问无缝线路的技术难点之一，跨区间无缝线路在世界各圈的推 广和应用是在克服了以无缝道岔为代表的一系列技术难题才发展起来的。众所周 知，道岔是轨道的三大薄弱环节之一，道岔作为机车车辆转线的铁路设备，型式繁 杂，组成部件多，因而其受力与变形比较复杂。为了减少列车施加给道岔的冲击和 震动，把道岔内的接头焊接或胶接起来，消除了钢轨接头，简化了道岔结构，增加 了运行的平顺性，同时也延长了各个部件的使用寿命，减少了维修费用。理论和实 践都证明，把道翁的接头焊接或胶接起来，尢疑是有利的。在跨区间无缝线路铺设 道岔时，道岔两端还必须与长轨条焊接或胶接在一起，使无缝道岔成为跨区间无缝 线路的一部分。这时的道岔受力状况将发生变化，道岔将承受巨大温度力，影响整 个无缝道岔的受力和变形。无缝道岔的定义是：不但道岔内钢轨接头被焊接或胶接 起来，而且道岔两端要与无缝线路长轨条焊接在一起，形成直股或直侧股无一轨缝 的道岔【。其中只有直股与长轨条焊连的型式称为半焊无缝道岔( 图1 2 ) ，直股与 侧股均与长轨条焊连的型式称为全焊无缝道岔( 图1 1 ) 。其中r 表示长轨条温度力， 表示焊接或胶接接头，i 表示普通接头。 p * 一一i _ 、 p 1 j 乒= 一r 一 ：二、2 乏i 三 xp t 、奠：。 一研 、 o t 图1 1 p i 争 一二= 二= 【二二= 一二二二二= i 一* 一 p l p l 一一 图1 2 p i p h d h 铁道科学研究院硕+ 学位论文 从( 图1 1 ) 和( 图1 2 ) 可以看出，无缝道岔不但承受巨大的温度力，而且里 侧轨线两端的受力不同，一端承受温度力，一端没有。这种温度力的不平衡状态使 无缝道岔钢轨的受力与变形发生变化，这一特点是无缝线路设计、铺设和养护维修 的难点。 研究无缝道岔就是弄清其纵向力和位移在道岔范围内的分布和随温度的变化， 以及关键部件承受的作用力，为设计、铺设和养护维修提供理论依据，弥补既有理 论的不足，解决现场出现的问题。 1 2 国内外研究现状 无缝道岔纵向力和位移的研究多通过理论分析和现场试验。随着无缝道岔技术 的发展，国内外学者提出了各自的计算理论，同时，通过现场试验、观测验证计算 理论及分析结果。 1 2 1 无缝道岔的理论研究 在国外，道翁焊接技术虽已广泛采用，但介绍无缝道岔纵向力和位移计算方法 的文献资料甚少。德国铁路对道岔区纵向力计算仅采取简单地将附加纵向力与温度 力叠加，认为叠加后的纵向力为温度力的两倍。日本铁道综合技术研究所进行了温 度力作用下道岔区纵向力分布试验，提出了计算模型和计算方法。 从上个世纪9 0 年代初，国内的一些专家、学者和教授对无缝道岔的纵向力和 位移进行了研究，相继提出了各自的理论和方法。如北京交通大学范俊杰教授提出 了当量阻力系数法【7 1 8 】，铁道科学研究院铁建所马战国副研究员提出了两轨相互作 用理论 9 - 1 ”，西南交通大学蔡成标教授提出了解析法【”“”，兰州铁道学院许实儒 教授提出了超静定结构二次松弛法【”】，西南交通大学王平教授提出了有限元法，并 编制了专门求解无缝道岔受力与变形的有限元程序，在此基础上研究了无缝道岔的 诸多问题，如不同结构无缝道岔的纵向力传递机理、无缝道岔侧股焊接形式的选择 与分析等1 6 _ 2 州。其中有些理论在北京、郑州等路局跨区问无缝线路的设计和铺设 中被试用，取得了一定的经验。综观这些计算方法，有优点，也有其自身的缺陷和 不足，因此，无缝道岔纵向力和位移的计算到目前为止尚无统一的方法。 1 2 2 无缝道岔的试验研究 欧洲国家铺设了大量无缝道岔，但在无缝道岔的实验分析方面至今未见完整可 靠的资料发表。日本铁道综合技术研究所从1 9 8 4 年开始进行了温度力作用下道岔 6 铁道科学研究院硕士学位论文 区纵向力分布试验，并以此为依据在1 9 8 9 年提出了计算模型和计算方法。 1 9 9 4 至1 9 9 5 年，铁道部试铺超长无缝线路，铁道科学研究院对无缝道岔的温 度力和变形进行了研究，主要研究内容有：对无缝道岔的计算参数进行了实验室和 现场测定，提出了计算无缝道岔纵向力和变形的两轨相互作用理论，并于1 9 9 6 年 进行了无缝道岔纵向力现场测试 2 1 , 2 2 】。 1 9 9 7 年至1 9 9 9 年，北京交通大学承担了铁道部科研项目“无缝道岔的计算理 论与实验分析研究”，对无缝道岔计算参数进行了测试研究，提出了无缝道岔的计 算理论，按设计理论设计了无缝道岔，并进行了无缝道岔纵向力现场测试1 2 3 , 2 4 。 2 0 0 1 至2 0 0 2 年，铁道科学研究院承担了秦沈客运专线综合实验科技攻关项目 “道床质量状态参数测试和无缝道岔纵向力实验研究”的科研工作，在此期问进行 了道床纵向阻力的测试，2 0 0 2 年5 月至7 月，在绥巾北站进行了1 8 号和3 8 号无缝 道岔纵向力测试 2 5 j 。 通过室内和现场测试，不仅得到了无缝道岔的计算参数，而且掌握了无缝道岔 纵向力的实际分布，这些试验结果为验证计算理论，评价道岔结构特点，优化道岔 结构设计，促进无缝道岔技术发展发挥了重要作用。 1 3 存在问题 从国内外的应用经验来看，无缝道岔存在下面一些问题： 1 ) 传递纵向力的翼轨末端间隔铁因强度不够，在温度力的作用下被剪切破坏； 无缝道偷限位器承受剪力较大，而自身结构不够强大，以致限位器破坏、变形或螺 栓被剪弯例。 2 ) 因钢轨件和岔枕位移的影响，转辙器或可动心轨辙又心轨不能顺利转换， 产生卡阻现象【6 l 。 3 ) 对大号码无缝道岔的纵向力和位移了解得不够。 4 ) 对影响无缝道岔纵向力和位移的因素及其影响的程度研究不够。 5 ) 德国发生过因岔区无缝线路胀轨跑道而导致列车脱轨事故。 6 1 我国将要修建的客运专线其区间优先采用无碴轨道，道岔区也将优先采用无 碴轨道，无碴轨道上的无缝道岔钢轨纵向力、位移及钢轨件承受的作用力的研究还 是一片空白，既无理论支持，又无实验数据。 7 铁道科学研究院硕士学位论文 7 ) 无缝道岔位于桥上时，无缝道岔和桥上无缝线路相结合，使得求解无缝道 岔纵向力和位移更为复杂。德国和我国台湾的工程师在修建台湾高速铁路时就遇到 了这样的技术难题。 1 4 本文主要研究内容 求解无缝道俞纵向力和位移是一个超静定问题，且有很强的非线性，为避免求 解方法中有过多的假定和简化，本文选择了有限元法。随着计算技术的发展，有限 元软件逐渐走向成熟并且被人们接受和掌握，目前己能被用于建立无缝道岔的有限 元模型并计算其纵向力和位移。作者在研究上述方法的基础上，拟提出一种利用有 限元软件计算无缝道岔纵向力和位移的仿真方法，旨在获得更接近实际的计算结 果。 论文包含以下内容： 第一章：介绍了国内外铁路无缝道岔的发展，回顾了圈内外无缝道岔纵向力和 位移的研究状况及存在的某些问题，阐述了本文的研究目的和应用意义，简要概括 了本论文的主要研究内容。 第二章：介绍了无缝道岔的结构形式和特点，在此基础上重点分析了秦沈客运 专线1 8 号和3 8 号可动心轨无缝道岔的纵向力传递机理。简单介绍了已有的几种主 要国内外计算方法，最后对无缝道岔这一技术难题的求解方法进行总结，指出运用 有限元通用软件建立无缝道岔有限元模型求解其纵向力和位移是正确合理的选择。 第三章；无缝道岔有限元模型的原理是材料非线性有限单元法，简单介绍了非 线性有限单元法的数学和物理学原理。详细阐述了将框架结构的无缝道岔力学模型 转化为有限元模型的方法和步骤。根据算例的实际情况，结合北京交通大学和铁道 科学研究院的大量试验室与现场试验研究结果，选取了合理的计算参数。 第四章：应用建立的1 8 号可动心轨无缝道岔和3 8 号可动心轨无缝道岔有限元 模型，计算了在升温1 9 ( 2 、2 2 c 、4 5 c 和降温5 5 c 情况下钢轨的纵向力和位移，对 计算结果进行了详细分析，将其和铁道科学研究院在绥中北站对1 8 号和3 8 号无缝 道岔纵向力的测试结果进行了比较。最后，对影响无缝道岔纵向力和位移的各种因 素进行了分析，提出一些建议。 第五章：对建立无缝道岔有限元模型，计算其纵向力和位移这一理论方法进行 铁道科学研究院硕士学位论文 了分析和总结，根据计算和试验结果对无缝道岔的设计、铺设及养护维修提出了一 些建议，指出有限单元法可用来解决无缝线路其它技术问题。 9 铁道科学研究院硕士学位论文 第二章无缝道岔纵向力传递机理和计算方法介绍 本章介绍了无缝道岔的结构形式和特点，在此基础上重点分析了秦沈客运专线 1 8 号和3 8 号可动心孰无缝道岔的纵向力传递机理。简单介绍了国内外几种主要计 算方法，最后对无缝道岔这一技术难题的求解方法进行了总结。 2 1 无缝道岔的结构形式和特点 2 1 1 无缝道岔的结构形式 目前铺设的无缝道岔分为连续里侧钢轨结构无缝道岔和非连续里侧钢轨结构 无缝道岔，具有连续里侧钢轨结构的无缝道岔包括固定型无缝道岔和长翼轨与可动 心轨胶接的可动心轨无缝道岔( 较少采崩) ，具有非连续里侧钢轨结构的无缝道岔 主要指氏翼轨与可动心轨栓接的无缝道岔【2 “。连续里侧钢轨结构的意义是指：对固 定型无缝道岔而言( 见图2 1 、2 2 ) ，长轨条、固定辙叉和导轨的各个接头焊接或胶 接在一起，在温度力的作用下不会产生相对位移，保持结构的连续性；对长翼轨和 可动心轨胶接的无缝道岔而言，长轨条和翼轨之间除了通过间隔铁进行连接以外， 还通过其它措施加强两者的结合，使得两者之间的结合近似于焊接或胶接，从而不 会发生相对位移。非连续里侧钢轨结构的意义是指：对长翼轨和可动心轨检结的无 缝道岔而言( 见图2 3 、2 4 ) ，长轨条和翼轨通过间隔铁联结，在较大温度力的作用 下会产生相对位移，失去结构的连续性。 在第一章中，根据无缝道岔侧股是否和长轨条相连接把无缝道岔划分为半焊无 缝道岔和全焊无缝道岔，图2 1 、2 _ 3 为全焊无缝道岔，图2 2 、2 4 为半焊无缝道岔。 半焊和全焊决定了无缝道岔作为一个整体在跨区间无缝线路中的受力状况，而连续 里侧钢轨结构无缝道岔和非连续里侧钢轨结构无缝道岔则决定了温度力在道岔内 部的传递和分布，全面考虑上述两个方面的因素，我国正在应用的无缝道岔可划分 为固定型全焊无缝道岔( 见图2 1 ) 、固定型半焊无缝道岔( 见图2 2 ) 、可动心轨全 焊无缝道岔( 见图2 - 3 ) 和可动心轨半焊缝道岔( 见图2 4 ) 四种类型。 本文以下的内容中将根据无缝道岔的结构形式和特点，重点对大号码可动心轨 全焊无缝道岔和半焊无缝道岔进行分析，建立秦沈客运专线1 8 号和3 8 号可动心轨 无缝道岔有限元模型，求解其纵向力和位移。 为了分析和计算的方便，对可动心轨无缝道岔的各个组成部分和构件进行了明 1 0 铁道科学研究院颁士学位论文 确的划分和命名，把可动心轨无缝道岔划分为直基本轨、曲基本轨、长轨条( 直股， 侧股) 、翼轨( 直股，侧股) 、心轨、导轨( 直股，曲股) 、尖轨( 直，曲) 十一个 部分。( 见图2 3 、2 4 、2 5 ) 。 p p 间隔铁( 或限位器)固定辙叉焊接接头 a 1 _ a3 一直毕本轨 a2 一a4 一曲摹本轨 b 1 - b 3 ，b2 一b4 一长轨条 p i - - 温度力 p p b3 一b5 一b4 一b 6 一固定辙岔 b5 一b7 ，b6 一b8 一导轨 b 7 一b9 ，b8 - b 10 一尖轨 图2 1固定型全焊无缝道岔 a 1 _ i _ _ _ 口a 舌口：= 】_ = - e ， - _ i ： 盯赫一忤斗池彳 ， h 。b i 蹲 。一时 钔u t 刑。埘一壮斗l 工苗 同盎 爸f 二 j 1 dv且垫平￥坩坩u 4 - u 口凹止懈【巳 ar苣“hch7h 日ha 一旦轴 b 1 - b3 ，b 2 一b4 一长轨条 d i 一温度力 p p b 7 - b 9 ，b8 - b 1 0 - 尖轨 d h 一接头阻力 图2 2 固定型半焊无缝道岔 限位器可动心轨辙叉焊接接头 盘，几几几几几彳几n几几 几，石几- _几a3 一 喊尉州h h 划丝。u u _ 。b - a ：uuu 圳叫刈、l 随鹄滩 七p - t b 3 b 5 b 4 b 6 可动心轨辙叉 b 5 b 7 ，b 6 b 8 一导轨 b 7 b 9 ，b 8 b 10 一尖轨 图2 3 可动心轨全焊无缝道岔 条轨氏 轨轨一本本一 基基州打 埴岫蛇度 一一，温 3 4 3 一 a a b - 卜 卜卜 a a b p 铁道科学研究院硕士学位论文 a 1 一a3 - 直基小轨 a 2 - a 4 一曲基木轨 b 1 b3 ，b2 也4 - 一k 轨条 p t 一一温度儿 b3 - b 5 - b4 - b6 一可动心轨辙义 b 5 一b 7 ，b 6 - b b 一导轨 b7 _ b9 ，b8 - b 1o - 尖轨 ph 一接史m 力 图2 4 可动心轨半焊无缝道岔 ；誊粪霎： 图2 5 可动心轨示意图 2 1 2 无缝道岔的结构特点 1 ) 无缝道岔钢轨一般为6 0 k g m 及以上，道岔型号为1 2 号及以上。岔枕一般 采用抗弯刚度大的重型混凝土岔枕，以保证较大的道床纵向阻力和较大的岔枕弯曲 刚度。采用i i 型或i i i 型弹条扣件。在采用木岔枕的情况下，加大岔枕断面，采用分 开式扣件，以形成强有力的框架结构。 2 ) 道岔两端与道岔内部钢轨接头之间具有可焊性，能用已有的焊接技术把道 岔内部钢轨接头焊连起来，同时把道岔两端同无缝线路长轨条焊连在一起，也可用 冻结或胶接方式把道岔两端与长轨条连接起来。可动心轨无缝道岔的长翼轨与心轨 跟端用间隔铁联结，并采用高强度螺栓，大大增加了辙叉的稳定性。 3 ) 尖轨为弹性可弯式a t 尖轨，辙跟一般采用问限位器结构。道岔翼轨末端与 心轨后部采用间隔铁结构联结，并采用高强度螺栓，以增大其摩阻力和螺栓的抗剪 力。必要时可采取其他可行措施，强化其联结。 4 ) 采用允许纵向伸缩量较大的外锁闭装置。 铁道科学研究院硕士学位论文 5 ) 道岔及岔区内的道床饱满、密实，岔枕盒内的道碴同外侧的道碴保持同样 的厚度和密实度，使岔枕的单位道床纵向阻力均匀一致。 秦沈客运专线可动心轨无缝道俞的基本情况如下1 2 7 。8 】： 1 ) 采用限位器辙躁结构，限位量为7 m m ，1 8 号道岔在辙跟处设置一对限位 器，3 8 号道岔设置两对限位器。 2 ) 两种可动心轨辙叉均采用长翼轨结构，不同的是1 8 号道岔翼轨末端与心轨 后部用三块删隔铁相连，而3 8 号道岔翼轨末端与心轨后部用四块间隔铁相连，间 隔铁结构与1 2 号可动心轨道岔不同，每块间隔铁使用每侧两根共四根直径2 7 r a m 的高强度螺栓固定。 3 ) 区间线路为6 0 k g m 钢轨、i 】i 型混凝上轨枕和弹条型扣件。 4 ) 道岔钢轨扣件采用弹条i i l 型，型混凝土岔枕。 5 ) 1 8 号可动心轨道岔为半焊无缝道岔，即道岔直股与无缝线路长轨条焊连， 侧股末端未与长轨条焊连。3 8 号可动心轨道岔为全焊无缝道岔，直、侧股均与无缝 线路长轨条焊连。 2 2 可动心轨无缝道岔的纵向力传递机理 无缝道岔是跨区间无缝线路的组成部分，自然与无缝线路的长轨条一样要承受 温度力的作用，这是无缝道岔和普通道岔的本质区别。位于无缝道岔里侧钢轨尽头 处的尖轨尖端纵向无约束，因此无缝道岔的两根里侧钢轨，一端承受温度力，一端 不承受温度力。这种温度力的不平衡状态，将使无缝道岔钢轨纵向力和位移发生变 化。这是无缝道岔的受力特点，是必须解决的核心问题，也是无缝道岔设计、铺设 和养护维修的难点。 1 ) 可动心轨全焊无缝道岔的纵向力传递机理 根据全焊无缝道岔的构造( 图2 1 和2 3 ) ，在铺有四股轨线的岔枕上，外侧两 股钢轨即直曲基本轨与道岔前后长轨条焊连或胶接在一起，虽承受巨大温度力，但 钢轨不产生伸缩位移。里侧两股钢轨前端都是尖轨，纵向为自由端，即承受温度力 的作用，又会产生纵向位移，类似于普通无缝线路的伸缩区。在一般情况下，由于 钢轨扣件阻力大于道床纵向阻力，两里侧钢轨的伸缩将带动岔枕产生纵向位移，外 侧钢轨就成为瞬时支撑点。于是岔枕在产生弯曲变形的同时将未释放的那一部分温 铁道科学研究院硕士学位论文 度力传递给外侧基本轨，使基本轨在巨大的温度力之外还要承受岔枕传来的附加 力。里侧钢轨与基本轨在尖轨跟端通过限位器或间隔铁相连，在温度变化时，里侧 钢轨的辙跟位置首先自由伸缩，当温度继续升降，里侧钢轨和基本轨在此处的相对 位移超过限位器或间隔铁允许位移时，两里侧钢轨的伸缩将通过限位器( 此时限位 器的子母块接触) 或间隔铁带动两纂本轨一起伸缩，从而将一部分温度力传递给基 本轨。由于结构和受力的近似对称性，可认为，两基本轨的受力状态相同，两里侧 钢轨的受力状态也相同。 由于可动心轨全焊无缝道岔的结构特点( 可动心轨道岔的可动心轨辙叉简图如 图2 5 所玎) ，可动心轨可以在翼轨框架内转换，处于自由状态，其跟端与翼轨通过 问隔铁栓结，使得长轨条与翼轨“断开”，破坏了里侧钢轨的连续状态，温度力不 能像固定型无缝道岔里侧钢轨那样沿钢轨向前连续传递，而只能通过间隔铁部分地 传递到翼轨。因此道岔里侧的导轨、冀轨将只承受间隔铁传递来的部分温度力。 2 ) 可动心轨半焊无缝道岔纵向力传递机理 当无缝道岔侧股不与无缝线路长轨条相连时，道岔外侧两基本轨处于不同的受 力状态。直基本轨依然处于无缝线路的固定区，钢轨承受巨大温度力，但无伸缩位 移。曲基本轨则成为无缝线路伸缩区一部分，钢轨承受较小的温度力，但有伸缩位 移，且伸缩位移方向恰与两里侧钢轨相反。短心轨后面的钢轨不承受无缝线路温度 力的作用，只有长心轨后面的钢轨承受无缝线路长轨条传来的温度力。半焊无缝道 岔的受力与位移不具有对称性，有其不同于全焊无缝道岔的特点。 同可动心轨全焊无缝道岔一样，可动心轨半焊无缝道岔轨线在翼轨末端断开， 温度力不能像固定型无缝道岔里侧钢轨那样沿钢轨向前连续传递，而只能通过间隔 铁部分地传递到翼轨。因此道岔里侧的导轨和翼轨将只承受间隔铁传递来的部分温 度力。 2 3 无缝道岔的计算方法简介 2 3 1 国外计算方法筒介 在国外，虽然道岔焊接技术已广泛采用，但是介绍无缝道岔纵向力和变形计算 方法的文献资料很少。德国铁路对无缝道岔钢轨纵向力计算仅简单的将道岔附加力 与温度力叠加，认为叠加后的纵向力为温度力的2 倍。实践证明该计算方法过于保 守，比较粗糙。 1 4 铁道科学研究院硕士学位论文 1 9 8 9 年，日本铁道综合技术研究所线路构造研究所的柳川秀明、三浦重等在实 验的基础上提出了计算模型和方法。该方法的核心就是提出基本轨和导轨间传递力 f 的关系： f = x ( s 3 一占1 ) ( 2 1 ) 足一约束弹性模量； p 一f 2 毛一导轨纵向位移，c 3 = 蔷； ( 2 2 ) f 2 s 1 ，e 2 一基本轨变形量， 占l2 s 22 南： 2 3 ) j 4 一钢轨截面积； y 一线路纵向阻力； 运用以上所剜f 、s 、s ，三个平衡关系式，通过计算便可求解f 、。及，再 按占。= f ：及，将轨道阻力分配，u j 得道岔区钢轨纵向力及位移的分布。该方法虽然 提供了较为完备的平衡条件和计算参数，能保证计算顺利进行，但由于导轨与基本 轨之间力的传递不仅与两轨间相对位移有关，还与两轨间距有关，在两轨相对位移 一定的情况下，两轨间距越大，所传递的相互作用力越小，所以该方法对两轨间力 的传递处理不严密。 2 3 2 国内计算方法简介 1 ) 当量参数法【7 “】 当量参数法是北京交通大学范俊杰教授提出的，该方法已通过部级鉴定，并为 设计部门选用。该方法的主要思想是：温度变化时，里侧钢轨承受的温度力部分 因位移而释放，另一部分在克服道床阻力后将通过间隔铁或限位器、岔枕、扣件阻 矩而传给基本轨。岔枕因其位置的不同，有不同的道床纵向阻力，不同的扣件阻矩。 同时岔枕的弯曲变形不同，因岔枕的弯曲刚度不同而传递给基本轨的附加力也各不 相同。因此，岔枕传递给基本轨的附加力应逐根计算，分段叠加，再加上辙跟或限 位器传递的力，这一计算非常复杂。为简化计算，范俊杰教授引入了“当量参数” 来综合考虑道床纵向阻力、扣件阻矩、岔枕弯曲变形的影响。这就是当量参数法的 核心。当量参数法的优点是对温度力的传递分析得非常详尽和透彻。缺陷是在温度 铁道科学研究院硕士学位论文 力传递时视基本轨为固定不动，忽略了两者之间的耦合作用，没充分考虑道床阻力， 间隔铁阻力的非线性，四轨线岔枕下道床阻力的分配与实际情况有出入。 2 ) 两轨相互作用原理卜”1 铁道科学研究院运用两轨相互作用原理，对轨温变化引起导轨、基本轨纵向力 的变化进行了分析，建立温度力和轨道纵向阻力作用下导轨和基本轨系统的力学模 型。假设直基本轨与曲基本轨为无限长，尖轨在滑床板上自由伸缩，与其连接的导 轨为半无限长，半限长的一段随轨温变化而伸缩，因间隔铁、岔枕、扣件的约束， 导轨与基本轨进行力和位移的相互传递。 固定型无缝道岔纵向力和位移计算中共有五个未知量：基本轨最大位移量； 导轨靠近辙跟部分的最大位移量；基本轨纵向力分布；导轨纵向力分布； 间隔铁阻力；列可动心轨无缝道岔需要增加一个未知最，即导轨靠近心轨部分的最 大位移量，共六个未知量。 运片j 两轨相互作用原理建立导轨、基本轨、间隔铁力的平衡条件，并根据对现 场导轨和基本轨位移的观察实测补充导轨和基本轨的位移函数条件，即可求得无缝 道岔纵向力及位移的分布。 两轨相互作用理论的优点是考虑了道床阻力、间隔铁阻力、导轨和基本轨相互 作用力的非线性，并通过现场实测确定了力和位移曲线，位移函数也是根据现场实 测假定而来，因而具有和现场结合紧密的特点。不足之处：未考虑到到极限扣件阻 力的影响，四轨线岔枕部分各轨线道床阻力的分配处理不清晰，采用了较多的假设。 因而理论性有所下降。 3 ) 无缝道岔非线性计算理论1 6q o 】 西南交通大学的王平教授提出了基于有限单元法的无缝道岔计算理论，该计算 理论的主要思路是：以岔枕和钢轨的接触点划分钢轨和岔枕单元，将节点位移及钢 轨节点温度力视为变量。钢轨节点两端纵向力与扣件纵向阻力相平衡，钢轨两相邻 节点位移差与该钢轨释放的温度力成正比，岔枕视为侧向支撑于弹性地基梁上的有 限长梁，岔枕所受的扣件阻力与道床纵向阻力相平衡。尖轨跟端限位器或间隔铁、 长翼轨末端的间隔铁是无缝道岔中的重要传力部件，计算中其阻力与钢轨相对位移 关系采用实测值。计算中考虑无缝道岔轨道一定的计算长度，建立钢轨边界节点温 度力与位移的协调关系，可建立如下的非线性方程组： 1 6 铁道科学研究院硕士学位论文 f 眇) = p ( 2 4 ) 式中，u 为未知变量列阵，p 为荷载列阵，求解该非线性方程组，即可得铡 轨的节点位移和节点温度力。 该计算方法的优点是：引进了有限冗计算理论，建立起比较适合实际情况的无 缝道岔有限元计算模型，使得对无缝道岔钢轨纵向力和位移的分析和计算不需要过 多的假设和简化；考虑了道床阻力，扣件阻力、间隔铁阻力的1 f 线性。不足之处是： 该计算理论假设导轨和基本轨平行，而实际情况中导轨和基本轨并不平行，两者通 过岔枕( 具有定弯曲刚度) 的相互作用与四条轨线的相互位置有关，且枕下阻力 在四条轨线的分配也与其相互位置和岔枕刚度有关。且有限元程序的阅读和理解是 一件困难的事，影响了理论的推，“应用。 以上是几种主要的无缝道岔计算理论，它们各有优缺点，通过分析可知，一个 科学的无缝道岔计算理论要兼顾以下几点： 要把无缝道岔作为一个结构整体来分析，尽罱不作过多的假设，以 求真实反映其本身状况。 道岔的各部尺寸及相互位置对其受力和变形起决定作用，应避免简化这些因 素。 对导轨和基本轨的相互作用，温度力的传递及产生的位移，应分析和反映详 尽透彻。 应充分考虑道床阻力，扣件阻力、间隔铁阻力的非线性，并实测确定这些数 值。 要重视并处理好四轨线岔枕在力的传递中的作用，并对道床阻力在各轨线的 分配作合理处理。 无缝道岔的受力和变形是一个超静定问题，且有很强的非线性，必须利用计 算机求解。 方法应易于掌握和处理，有通用性，最好能够仿真，以便能直观地观察到其 受力和变形。 综合考虑以上因素，本文选择了有限单元法，以避免作过多的假定和简化，并 得到接近实际的计算结果。鉴于美国a n s y s 公司开发的大型通用有限元软件 a n s y s 具有极为强大的前后处理功能及计算分析能力，能够同时模拟结构、热、 流体、电磁、声学及多种物理场问的耦合效应，大量应用于土木工程、水利水电工 铁道科学研究院硕士学位论文 程、汽车j 程、机械、采矿、核工业和船舶等领域2 9 3 3 1 ，且最近几年a n s y s 软 件在我国得到广泛采用，已经成为工程技术人员应掌握的常用t 具，i 大ij ：l 本文尝试 利用该软件建立秦沈客运专线18 号和3 8 号无缝道岔有限元模型，求解其纵向力和 位移。 铁道科学研究院硕士学位论文 第三章无缝道岔有限元模型的建立和参数的选取 无缝道岔有限元模型的原理是杆件有限单元法，本章简单介绍了非线性杆件有 限单元法的数学和物理学原理，详细阐述了将框架结构的无缝道岔力学模型转化为 有限元模型的方法和步骤，还根据算例的实际情况，结合北京交通大学和铁道科学 研究院的大蹙试验室与现场试验研究结果，选取了合理的计算参数。 3 1 有限单元法的基本原理 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式 相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不| 司的联结方式进行组合，日单元 本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为 数值分析方法的另一个重要特点是利用在每个单元内假设的近似函数来分片地 表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数 在单元的各个节点的数值和其插值函数来表示。这样一来，一个问题的有限元分析 中，未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ， 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未 知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解 域上的近似值，显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自 由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收 敛的，近似解最后将收敛于精确解。 无缝道岔有限元模型的原理为杆件有限单元法，主要内容如下： 1 ) 将道岔结构分解为较小的单元，即所谓进行离散化。对杆件结构，一般以 一根杆件或杆件的一部份作为一个单元，结构离散化的目的是在较小的范围内分析 单元的内力与位移之间的关系，建立单元刚度方程： f 。= k 。矿 ( 3 一1 ) 式中，占8 一杆端位移列向量，f 。一杆端力列向量，k9 一单元刚度矩阵。这称 为单元分析。 2 ) 把各单元又集合成原来的结构，这就要求各单元满足原结构的几何条件( 包 括支撑条件和节点处的连续变形条件) 和平衡条件，从而建立整个结构的线性刚度 1 9 铁道科学研究院硕士学位论文 方程： f = k 6( 3 2 ) 式中，f 一为结构已知节点荷载列向量，k 一为结构刚度矩阵，占一为结构未 知节点位移。这称为整体分析。求解整体结构网4 度方程，得到原结构的位移和内力。 因为建立模型时使用了非线性弹簧单元，上述的线性结构刚度方程转化为非线 性结构刚度方程： f = k ( 8 ) 8 ( 3 3 ) 对于线性结构方程，由于k 是常数矩阵，可以直接求解。但对于非线性方程组， 由于k 依赖于未知莓j 本身不能直接求解，须采用迭代法求解， 3 ) 节点位移一旦求出，便可由单元刚度方程计算各单元的内力，至此可求得 整个结构的力与位移。 3 2 无缝道岔有限元模型的建立 3 2 1 力学模型 对于所研究的对象，进行整体考虑，具体讲，就是把一组无缝单开道岔前后一 定范围内的轨道结构看作一个由钢轨、岔枕通过扣件、间隔铁和限位器联接起来的 平面框架( 见图2 1 、2 2 、2 3 、2 4 ) ，框架结构被道床阻力所约束。当然，所研究 的对象并不局限于一组道岔，还可以扩大到与之相连接的两组道岔或多组道岔，如 单渡线等。同样可把它们看作一平面框架，进行整体研究，从而不仅可以分