60kg/m鋼軌、12號固定岔心半焊無縫道岔應力分析及檢算

趙寧寧 上海鐵路局寧波工務段

隨著社會經濟的日益發展，鐵路也在發展中不斷跨越，在新設備、新技術不斷運用于高鐵建設的同時，既有線也在逐步地更新設備、自我提升，以取得更大的運力、運能來適應鐵路的快速發展。新設備、新技術不斷涌現，要求工務技術人員必須更深層次地了解、掌握新設備、新技術，做到知己知彼，百戰不殆。

蕭甬線為適應杭深線客運專線開通要求，將部分區段的正線道岔改鋪為半焊式無縫道岔，實現跨區間無縫線路，增加了列車運行的平順性，也使部分區段允許速度提升至160km/h。為進一步了解無縫道岔，現以蕭甬線慈城站2#道岔為例，對60kg/m、12號固定岔心半焊無縫道岔的內部應力狀態、位移、強度及穩定性進行分析檢算。

1 設備概況

慈城站位于寧波市江北區慈城鎮，該地區歷史最高軌溫62℃，最低軌溫-8℃，鋪設60kg/m鋼軌無縫線路區段設計鎖定軌溫為32±5℃；動車車型為CRH1、CRH2型、普通客車為東風Ⅺ型，貨車為東風Ⅳ型；混凝土Ⅱ型軌枕，1840根/km；Ⅱ型彈條扣件；碎石道床，道碴質量好，石碴飽滿，道床斷面大。正線道岔為限位器結構60kg/m、12號曲線尖軌、固定岔心直線單開半焊砼枕道岔。

2 應力分析

跨區間無縫線路，顧名思義，即在區間無縫線路的基礎上，由無縫道岔將區間無縫線路長軌條焊聯在一起，從而形成幾十、幾百千米的長軌條。跨區間無縫線路不但長軌條穿越站區，與道岔連焊在一起，而且道岔本身也為無縫道岔。跨區間無縫線路的受力與變形將在岔區發生變化，從圖1可以看出半焊無縫道岔基本軌溫度力是自行平衡的，而道岔里軌只在一端承受溫度力，該力將使道岔里股鋼軌產生伸縮位移，同時一部分力也將通過道岔有關聯接零件傳給基本軌形成基本軌附加力。

圖1

平衡道岔里軌溫度力 ，阻止道岔里股鋼軌產生位移的作用力主要有以下幾個方面：

2.1 轍根阻力Pm

轍根結構是道岔尖軌與基本軌之間的重要聯接零件，所處位置相當于無縫線路的接頭位置，慈城站正線道岔采用限位器結構，原則上限位器字母塊不密貼，不限制鋼軌伸縮，故轍根阻力Pm=0。

2.2 無縫道岔道床縱向阻力Pa與橫向阻力Q

眾所周知，道岔中岔枕長度各不相同，故每根枕木的縱向阻力也不相同，為計算及使用方便，采用單位岔枕長的道床縱向阻力作為計算參數(砼岔枕 γ0=32N/cm)，Pa=γ0l。

通過研究發現2.6m長岔枕橫向道床阻力最小，偏于安全計算，均以2.6m長岔枕的橫向阻力檢查無縫道岔穩定性：

2.3 扣件推移阻力Pc與扣件阻矩M

當里軌發生位移時鋼軌扣件將產生推移阻力，實驗得知：Ⅱ型扣件扭矩達到120N·m時扣件推移阻力Pc=10.5KN/軌，鋼軌與軌枕間的相互轉角達0.004rad時，扣件阻距M=1020N·m。

2.4 基本軌附加力ΔP

里軌承受無縫線路溫度力的同時，通過岔枕、扣件等聯接零件逐點將溫度力傳遞給基本軌，形成基本軌附加溫度力，也就是說基本軌在承受兩側無縫線路溫度力的同時還要承受附加溫度力的作用。因此，在對道岔強度及穩定性進行檢算前要求出最高及最低軌溫時基本軌最大附加溫度力。

2.4.1 各岔枕處基本軌附加溫度力ΔPt

⑴岔枕的彎曲剛度阻力：道岔里軌通過四軌線岔枕的彎曲剛度來實現溫度力的傳遞，受力情況如圖2所示。

圖2 四軌線岔枕受力示意圖

式中f為岔枕里軌鋼軌處彎曲矢度，可根據公式：

通過編程得出各岔枕里軌鋼軌處彎曲矢度。

2.4.2 基本軌最大附加溫度力

基本軌處于無縫線路固定區，當承受附加溫度力時，固定區鋼軌將產生拉壓變形，由于固定區鋼軌總長不能改變，因此拉、壓變形應相等，互相抵消。由此在消除道床阻力后可畫出每根岔枕傳遞給基本軌的附加溫度力圖（詳見圖3）：

圖3 基本軌附加溫度力圖

由溫度力可得出：

n：參與傳力的四軌線岔枕根數； a：岔枕間距；

i：轍跟后岔枕序號； Pm：轍跟結構阻力；

P0：伸縮區范圍內基本軌單位道床縱向阻力平均值；

ΔPi：第i序號岔枕傳力的附加應力：

通過編程可計算出軌溫最高、最低時基本軌最大附加溫度力：

3 位移、強度、穩定性檢算

為確保無縫道岔結構的安全、穩定，我們需要在最高、最低軌溫時對鋼軌位移、強度、穩定性進行檢算。

無縫線路最高軌溫時鋼軌溫度力：

最低軌溫時鋼軌溫度力：

3.1 位移檢算

阻止道岔里股鋼軌伸縮的主要因素有三個：道床阻力、扣件阻距、岔枕剛度。由于道岔枕木長度不同，為方便計算，將上述三種阻力均換算成單位當量阻力：

道床阻力P0、岔枕阻力Pa和扣件阻距Pb。其單位當量阻力P為：P=P0+Pa+Pb

Ⅱ型彈條扣件推移阻力Pc=10.5kN/軌，其作用在鋼軌上的單位扣件推移阻力Pc=17.5N/mm，只有在P>Pc時鋼軌才會產生位移。由于混凝土岔枕剛度較大，造成Pa值較大，P值常大于Pc，故假設混凝土岔枕道岔里軌伸縮區范圍內單位當量縱向阻力為Pc。

半焊形式無縫道岔里軌所受的最大溫度力為無縫線路溫度力的一半，即Ptmax/2。當伸縮區長度l'小于道岔里軌轍跟至最后一根長岔枕的距離為lm時，即l'≤lm=28200mm時，鋼軌僅受單位扣件推移阻力Pc影響，溫度力圖如圖4-a所示；當 l'≥lm=28200mm時，超過l'范圍時鋼軌還將另外受到四軌線岔枕阻力P'影響，溫度力圖4-b所示：

圖4 道岔里軌伸縮區內溫度力圖

假設最高、最低軌溫時伸縮區長度l'均小于lm，即l'≤lm=28200mm，由溫度力圖可求得，最高、最低軌溫時伸縮區長度分別為：

均小于lm，故假設成立。

里股鋼軌在轍跟處產生最大伸縮位移分別為：

軌溫最高、最低時尖軌最大伸縮量：

軌溫最高、最低時尖軌尖端的最大伸縮位移分別為：

限位器子母塊最大間隙7mm，溫度最高或最低時限位器均不密實，尖軌尖端位移均未超過規范規定允許值20mm，故無縫道岔鋼軌各處位移檢算合格。

3.2 強度檢算

軌溫降低時道岔內部處于受拉狀態，基本軌轍跟處除受到兩側無縫線路拉力外還受到最大溫度附加拉力的影響，因此此處以東風Ⅺ型內燃機車時速160km/h為例對轍跟處鋼軌強度進行檢算。

3.2.1 鋼軌靜彎矩Mj

DFⅪ型內燃機車前后兩轉向架間的距離超過5m，影響可以忽略不計。兩轉向架各車輪軸距、軸重相同，且轉向架中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ輪的凈重（112.8KN）、間距（2000mm）相同，因此只要計算Ⅰ、Ⅱ輪放在計算截面產生的不同的Mj，即可從中找出最不利輪位時的Mjmax，計算結果見表1。

表1 ΣPμ計算表

從計算可知引起ΣPμ最大的都是Ⅰ輪，Ⅰ輪為最不利輪位。最大靜彎矩：

鋼軌的剛比系數k=1.166×10-3。/mm 。

3.2.2 最大動彎矩Md

機車行駛時將受到各動力方面的影響，影響系數如下：

(2)偏載系數β：道岔處于直線段，故β=0；

(3)橫向水平系數f：列車行駛時將產生微小的左右橫向搖擺，取橫向水平系數數f=1.25；

鋼軌的最大動應力彎矩：

3.2.3 鋼軌強度檢算

在對鋼軌進行強度檢算時，需對動彎應力、溫度應力、附加溫度應力及附加制動應力等方面進行考慮。

基本軌動彎應力σd：

基本軌最大溫度拉應力σt：

最低軌溫時在轍跟處最大溫度附加拉應力：

轍跟處基本軌總應力σ總：

焊接接頭允許強度[σ]：

故動應力檢算合格，無縫道岔鋼軌強度符合規范要求。

3.3 穩定性檢算

軌溫升高時道岔內部處于受壓狀態，最高軌溫時基本軌轍跟處除受到兩側無縫線路壓力外受到最大溫度附加壓力對道岔的影響，需對最高軌溫時轍根處穩定性進行檢算。

此道岔位于直線段，即1/R=0；f=0.2cm，彈性處彎foe=0.3cm；塑性初彎fop=0.3cm；β=2；單根軌枕的橫向阻力Q=87N/cm；安全系數K=1.25。

計算溫度壓力：

故溫度壓力檢算合格，無縫道岔鋼軌穩定性滿足規范要求。

4 結束語

在日常工作中要加強無縫道岔的檢查與養護，做好位移觀測記錄工作；做好薄弱地段的拆檢工作；注意檢查頂鐵密貼性，避免頂鐵不靠、頂死造成假軌距、突變點；注重道岔與道岔、道岔與線路的整體性，單元化管理；加強對各類數據的分析，時刻注意線路狀況變化，確保列車以規定速度安全、平穩、不間斷運行。