時速350 km客運專線無砟道岔的合理軌道剛度研究

陳小平,王 平

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

我國《中長期鐵路網規劃》提出：到2020年,我國要建成總長1.8萬km的客運專線,共需高速道岔7 000多組,其中大部分為時速350 km客運專線無砟道岔(以下簡稱“350 km/h客運專線道岔”)[1]。軌道剛度取值合理與否,將影響列車高速過岔舒適性,道岔使用壽命和養護維修工作量[2～4],可見,對350 km/h客運專線道岔軌道剛度進行合理取值在我國客運專線建設中具有非常重要的意義。

對于軌道剛度合理取值研究,國內外主要集中在區間軌道上[5～8],對于岔區軌道剛度合理取值研究涉及較少,原因是道岔自身結構復雜、岔區的輪軌關系也較區間軌道復雜,一般的輪軌動力學方法難以分析岔區軌道剛度對列車與道岔動態相互作用的影響[9～10]。

本文針對350 km/h客運專線道岔軌道剛度合理取值這一重大技術難題,擬通過對無砟道岔軌道剛度組成特點的分析,結合軌道剛度的影響特性,提出無砟道岔軌道剛度合理取值的評判標準,并建立一套客運專線無砟道岔軌道剛度合理取值確定方法,分析我國350 km/h客運專線道岔軌道剛度的合理取值。

1 無砟道岔軌道剛度特點

對于一般區間軌道而言,其軌道整體剛度k取決于鋼軌抗彎剛度和鋼軌支點剛度,計算表達式為

(1)

式中：EI為鋼軌抗彎剛度；u為鋼軌基礎彈性模量,等于鋼軌支點剛度與軌枕間距的比值。

鋼軌支點剛度由扣件系統剛度、道床剛度串聯組成。我國有砟軌道扣件系統剛度一般為50～80 kN/mm,道床剛度一般為100～140 kN/mm,對于60 kg/m鋼軌,軌道整體剛度為90～130 kN/mm。無砟軌道的道床剛度相對其扣件系統剛度很大,幾乎不提供彈性,一般認為扣件系統剛度就等于無砟軌道的鋼軌支點剛度,我國無砟軌道扣件系統剛度一般為20～30 kN/mm,對于60 kg/m鋼軌,軌道的整體剛度為60～85 kN/mm。

道岔區的軌道整體剛度組成比區間軌道復雜,一般由鋼軌抗彎剛度、鋼軌支點剛度、部件輔助剛度組成。

道岔區的鋼軌支點剛度在某些情況下又區別于區間軌道,比如共用鐵墊板(指一塊鐵墊板上支承兩根及以上鋼軌)上的鋼軌支點剛度除受扣件系統剛度、道床剛度的影響外,還受到鐵墊板上其他鋼軌幫軌作用的影響。共用鐵墊板上鋼軌幫軌作用的產生機理是,當輪載作用鋼軌壓迫鐵墊板下移時,鐵墊板上的非輪載作用鋼軌會限制鐵墊板的下移,從而起到幫軌的作用。

部件輔助剛度是岔區軌道剛度的特有部分。岔區基本軌與尖軌、心軌與翼軌通過間隔鐵、頂鐵等部件聯結后形成一個框架體系,當輪載作用在基本軌或心軌上時,間隔鐵、頂鐵等部件把輪載傳遞一部分給尖軌或翼軌,使多根鋼軌共同承受輪載,從而提高了輪載作用鋼軌的軌道整體剛度。

由于無砟道岔的道床幾乎不提供彈性,在進行力學分析時,軌道整體剛度就只考慮鋼軌抗彎剛度、扣件系統剛度和部件輔助剛度3部分組成。

2 評判準則

高速道岔軌道剛度取值合理與否,應綜合列車運行品質、道岔應力狀態、振動水平、變形大小和部件剛度匹配5個方面來評判,合理的軌道剛度應使列車高速過岔時這5個方面均處于良好狀態。

(1)舒適性評判準則

高速道岔合理設置軌道剛度是保證列車過岔舒適性的關鍵措施。評價鐵道車輛舒適性最直接的標準就是車體振動加速度,我國規范規定：車體垂向振動加速度不超過1、1.3 m/s2和2 m/s2分別為優秀、良好和合格。

(2)變形評判準則

高速道岔作為高速鐵路的組成部分之一,必然要滿足高速鐵路對軌道高平順性的技術要求,所以必須嚴格控制道岔的動態變形。參考國外高速鐵路的經驗,并考慮到高速道岔必須具有與區間線路相同的舒適性,我國客運專線道岔的鋼軌最大撓度合理范圍可取為1.5～2.0 mm。

高速道岔軌道變形不僅在垂向有一個合理范圍,在橫向由于輪軌動力作用會導致軌距動態擴大,軌距擴大不僅會影響列車橫向運行穩定性,加劇列車蛇形運動,嚴重時還可能會帶來列車掉道脫軌的危險。根據文獻[11]的研究成果,對我國高速道岔剛度合理取值進行評判時,可取動態軌道擴大不超過4 mm作為評判指標。

(3)振動強度評判準則

道岔振動強度越高,道岔的幾何狀態越難保持,合理的軌道剛度應使道岔各部件的振動強度處于一個較低的水平,以便道岔幾何狀態保持良好,養護維修工作量顯著減少。可通過道岔各部件的振動加速度比較軌道的合理剛度值。

(4)應力評判準則

道岔由各部件構成一個承力、傳力體系,其應力狀態是否良好關系到道岔能否長期穩定地發揮其功能。軌道剛度作為一個影響道岔各部件應力的主要指標,其值應確保道岔各部件的應力不超限,即道岔各部件在列車荷載作用下產生的最大應力應在容許應力范圍內。

對高速道岔,鋼軌件作為直接承受列車荷載的部件,其彎曲應力可作為衡量軌道強度的主要指標。我國客運專線道岔基本軌采用與區間線路相同的標準60 kg/m鋼軌制造,尖軌和心軌采用60D40鋼軌制造。我國客運專線道岔鋪設技術條件中規定,允許的鋼軌最大降溫幅度為60 ℃,對應的鋼軌應力為148.8 MPa,扣除溫度應力后,我國客運專線道岔鋼軌允許的動彎應力為202.2 MPa。

(5)部件剛度匹配合理準則

部件剛度合理匹配是為了使道岔各個部分的動力性能最佳,高速道岔軌道剛度合理匹配問題主要分為兩個方面：一方面是扣件系統剛度與道床剛度合理匹配問題,另一方面是扣件系統的軌下膠墊剛度和板下膠墊剛度合理匹配問題。

可從合理分配軌道變形的角度確定岔區軌道剛度。扣件系統剛度與道床剛度的合理匹配,應保證車輛動力作用低,道岔鋼軌及下部基礎變形均勻。扣件系統的軌下膠墊剛度和板下膠墊剛度的合理匹配,應保證道岔某些部件的變形不會改變道岔另一些部件的正常受力狀態。

3 確定方法

軌道剛度對高速車輛和道岔的影響是多方面的,如何確定高速道岔的合理軌道剛度是一項系統工程。本文在充分吸收國外成熟、先進經驗的基礎上,結合我國的工程實際提出如下確定高速道岔軌道剛度合理取值的方法。

(1)通過對高速道岔運營條件進行分析,結合國外成熟、先進的經驗,確定出一個大致的軌道剛度合理取值范圍。

(2)運用高速車輛-道岔空間耦合動力分析理論,計算出剛度范圍內不同剛度下車輛運行品質、道岔鋼軌件及關鍵部件的動應力、道岔動態變形及振動強度。

(3)由于車輛-道岔耦合動力分析理論計算出的鋼軌橫向變形為鋼軌中性軸上的變形,并不能準確反映出鋼軌頭部的動態軌距變化情況,因此,需要根據車輛-道岔耦合動力計算出的鋼軌動態橫向力,在考慮扣件抗扭剛度的基礎上,進行軌道動態軌距擴大計算。

(4)將各剛度下的車輛運行品質、道岔動態應力、動態變形、振動強度及動態軌距擴大與本文提出的高速道岔軌道剛度合理取值評判準則進行評判,從中確定出合理的軌道剛度取值及部件剛度匹配關系。

高速道岔軌道剛度合理取值確定方法的核心技術是車輛-道岔空間耦合動力計算和動態軌距擴大計算。運用車輛-道岔空間耦合動力學計算剛度影響的具體方法可參考文獻[11],軌道動態軌距擴大可按下式進行計算

(2)

式中，Kw為鋼軌扣件和墊層產生的分布扭轉剛度；G為鋼軌材料剪切模量；Jw為鋼軌截面扭轉慣性矩；M為外荷載扭矩。

4 軌道剛度合理取值分析

無砟道岔軌道剛度主要由扣件系統剛度、鋼軌抗彎剛度和部件輔助剛度3部分組成,由于鋼軌抗彎剛度和部件輔助剛度是道岔自身結構決定的,無法通過對二者的剛度調整實現道岔軌道剛度合理取值,因此,實際工程中的無砟道岔合理軌道剛度只能通過扣件系統剛度合理取值實現。

法國高速鐵路鋼軌支點剛度為33.3～48.4 kN/mm,德國高速道岔的扣件系統靜剛度為17.5 kN/mm。參考國外的成熟經驗,本文將15～40 kN/mm的扣件系統剛度作為我國350 km/h客運專線道岔軌道剛度合理取值的分析范圍,運用本文建立的高速道岔軌道剛度合理取值確定方法,研究我國350 km/h客運專線道岔的軌道剛度合理值及部件剛度合理匹配。

表1為動車組以350 km/h的速度直向通過道岔時的動力響應結果,表2為輪緣貼靠側、非貼靠側鋼軌外翻值及動態軌距擴大量,動態軌距擴大量為輪緣貼靠側和非貼靠側鋼軌外翻值的和。鋼軌外翻計算所用的荷載為車輛-道岔空間耦合動力分析結果：輪緣貼靠側輪軌垂向力為85 kN,輪軌橫向力為50 kN；非貼靠側輪軌垂向力為85 kN,輪軌橫向力為17 kN。

表1 動車組以350 km/h速度直向過岔時的動力響應

表2 鋼軌外翻及動態軌距擴大量 mm

從表1和表2可看出：

扣件系統剛度增大對于直、側向過岔舒適性不利。當扣件系統剛度在25 kN/mm及以下時,動車組350 km/h直向過岔的垂向加速良好,表明350 km/h客運專線道岔扣件系統剛度25 kN/mm可保證動車組較好的過岔舒適性。

扣件系統剛度小于25 kN/mm時,隨著扣件系統剛度降低,尖軌和心軌的應力增大較快；扣件系統剛度大于25 kN/mm時,隨著扣件系統剛度增大,尖軌和心軌應力下降幅度減小。從增大扣件系統剛度對鋼軌應力的降低效果看,350 km/h客運專線道岔的扣件剛度取為25 kN/mm最合理,這樣既可以有效降低鋼軌應力強度,又可以較好地發揮扣件系統減緩輪軌沖擊的作用。

扣件剛度在25 kN/mm及以上時,鋼軌最大垂向位移在2 mm以內,有利于保持軌道幾何形位,減少養護維修工作量。因此從鋼軌變形的角度看,350 km/h客運專線道岔的扣件系統剛度應在25 kN/mm及以上。

動態軌距擴大隨著扣件系統剛度的降低而增大,當扣件系統剛度在25 kN/mm以下時,道岔動態軌距擴大量超過4 mm限值要求。因此,從動態軌距擴大的角度看,350 km/h客運專線道岔的扣件系統剛度應控制在25 kN/mm及以上。

以基本軌相對于尖軌的豎向位移不宜大于0.5 mm的原則，可確定軌下膠墊與板下膠墊的剛度匹配關系。當扣件系統剛度為25 kN/mm時,軌下膠墊剛度取為300 kN/mm較為合理,對應的板下膠墊剛度取為27 kN/mm。

綜合車輪運行安全性、舒適性、鋼軌動態應力、動態位移、加速度及動態軌距擴大來看,我國350km/h客運專線道岔的扣件系統剛度合理取值應為25 kN/mm。

5 結論

(1)從車輛運行舒適性、道岔的應力、變形、振動強度和部件剛度匹配這5個方面建立客運專線道岔軌道剛度合理取值評判準則,并通過車輛-道岔空間耦合振動分析可以確定客運專線道岔的合理軌道剛度。

(2)我國350 km/h客運專線道岔的扣件剛度合理取值為25 kN/mm,軌下膠墊剛度的合理取值為300 kN/mm。考慮到膠墊材料性能的離散性,道岔的鋪設環境的差異性,工程實踐中扣件系統及軌下膠墊剛度可有10%的變化,則我國350 km/h客運專線道岔的合理剛度及部件剛度匹配為：22.5～27.5 kN/mm的扣件系統剛度,270～330 kN/mm的軌下膠墊剛度,24～30 kN/mm的板下膠墊剛度。

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