基于ANSYS的無縫渡線道岔有限元分析研究

葉慶發 ，唐進鋒 ，尤瑞林 ，于 雷

（1.廣州鐵路（集團）公司綜合計劃處，廣州510000；2 .中南大學土木建筑學院， 長沙410075）

無縫道岔是發展跨區間無縫線路的關鍵技術之一， 但道岔無縫化后, 道岔鋼軌不僅要承受巨大的溫度力，而且需承受由于里側軌線一端承受溫度力，另一端不承受溫度力導致的溫度力不平衡所引起的無縫道岔鋼軌受力和變形位移的變化，這將直接影響道岔的強度和穩定性, 以及行車的安全。車站中道岔組合的受力與變形與單開道岔受力變形的區別主要體現在：

（1） 道岔的連接鋼軌在每組道岔的傳力過程中作用不同，使得岔區軌道的傳力機理更加復雜；

（2）道岔連接時隨著道岔之間夾直線長度的改變，道岔相互之間影響的程度不同，不能簡單地簡化為單開道岔進行分析計算；

（3）道岔的伸縮區相互影響，導致岔區軌道的溫度附加力和伸縮變形的量值產生了變化，可能對軌道的強度和穩定性產生不利的影響。

鑒于以上因素，建立了組合道岔的通用有限元分析模型，以12號固定轍叉和9號固定轍叉為例，應用有限元軟件對渡線道岔進行整體研究，分析組合道岔與單開道岔的區別，研究不同夾直線長度對無縫渡線道岔受力和變形的影響。

1 無縫（渡線）道岔計算模型

以目前我國普遍使用的固定轍叉單開道岔為例，其分析模型如圖1。圖中尖軌跟端為限位器結構。計算中各鋼軌編號如表1，岔枕位置處直基本軌的節點定為坐標原點，X軸正方向沿直基本軌道岔分股的方向，Y軸正方向垂直于直基本軌（向上）。

表1 固定轍叉無縫道岔模型中鋼軌編號

具體建模思路如下：

圖1 固定轍叉單開無縫道岔計算模型

（1）將鋼軌簡化成與60軌截面相同的梁；鋼軌按其實際岔枕的位置，通過坐標讀入的方式建立鋼軌節點，并通過離散的梁單元生成道岔中每股鋼軌；在轍叉跟端通過導軌末端節點與心軌始端節點的耦合來模擬固定轍叉；

（2）將軌枕（岔枕）簡化為梯形截面梁，建軌枕單元時在每股鋼軌下生成軌枕節點，其余位置按0.1 m長度劃分軌枕單元；

（3）在軌枕位置，連接對應鋼軌節點和軌枕節點生成扣件彈簧單元；

（4）將軌枕的所有節點復制一次，在對應位置生成路基節點，連接路基節點和軌枕節點生成道床彈簧單元；

（5）轉轍器跟端限位器，通過尖軌跟端節點與對應基本軌節點連接彈簧單元模擬。

模型中只考慮縱向變形，路基節點按固定端進行約束；軌枕兩端按固定端約束；各股鋼軌不考慮橫向和垂向變形。渡線道岔以左側的右開道岔為1號道岔，其1號岔枕位置處直基本軌的節點定為坐標原點，坐標軸的方向與單開道岔相同。右側的道岔為2號道岔，其相應的鋼軌編號以R’表示。渡線道岔的計算模型如圖2。

圖2 無縫渡線道岔計算模型

2 基本參數選取

無縫道岔溫度力及位移計算中將用到的計算參數：鋼軌重60 kg/m；鋼軌截面積：A為77.45 cm2；各股鋼軌的彈性模量：E為2.1×1011N/m2；鋼軌線膨脹系數：α為11.8×10－6°C；岔枕間距：0.6m；岔枕型式：混凝土岔枕截面頂寬260 mm，底寬300 mm，高220 mm，對垂直軸的慣性矩為5.03×10－4m4，混凝土的彈性模量為34.5×109N/m2，道岔型式尺寸按標準圖選取；道床縱向阻力取值采用常量阻力，以普通枕長2.6 m換算成岔區道床，縱向阻力[6]p為32 N/cm。扣件縱向阻力值按常阻力取為16 kN，限位器子母塊間隙取為7mm。

2.1 12號無縫渡線道岔分析計算

12號渡線道岔中間夾直線長度取為12m，溫差為40 ℃時，道岔基本軌和里軌的溫度力圖形如圖3，基本軌、里軌位移圖形如圖4。由于渡線中的每一組道岔曲基本軌都與另一組道岔的里軌相連接，圖中僅以一個名稱表示。

圖3 12號無縫渡線道岔鋼軌的溫度力圖

圖4 12號無縫渡線道岔鋼軌的位移圖

在站場中的無縫渡線道岔，兩者之間有一定長度的夾直線，需要分析道岔之間不同夾直線長度對溫度力和伸縮位移的影響。

當道岔之間夾直線長度從12 m增至24 m時，對道岔區軌道的溫度力和伸縮位移的影響如表2，為了增強對比性，把夾直線長度為∞時（即單開道岔的情形）也加入到分析中。

由表2可以看出，與單組單開道岔相比，12號渡線的兩組道岔的溫度力是對稱的，位移是反對稱的；同單組單開道岔相比，對于兩組12號固定轍叉渡線道岔，基本軌的最大附加拉力，最大附加壓力、拉力的增幅、壓力的增幅、尖軌尖端的位移以及相對位移基本都沒有改變，且夾直線長度變化的影響不大。

表2 12號無縫渡線道岔夾直線長度的影響分析

2.2 9號無縫渡線道岔分析計算

9號無縫渡線道岔，中間夾直線長度取為12m，在溫差為40 °C時，道岔基本軌和里軌的溫度力圖形如圖5，基本軌和里軌位移圖形如圖6。

圖5 9號無縫渡線道岔鋼軌的溫度力圖

圖6 9號無縫渡線道岔鋼軌的位移圖

當道岔之間夾直線長度從12 m增至∞時，對9號渡線道岔的道岔區軌道的溫度力、伸縮位移的影響如表3。

由表3可以看出，與12號道岔相似 ，9號渡線道岔兩組道岔的溫度力是對稱的，位移是反對稱的；9號渡線道岔軌道的基本軌最大附加拉力、最大附加壓力、拉力的增幅和壓力的增幅與單組單開道岔相比有所減小，且隨夾直線長度縮短而減小的幅度增加；與單組單開道岔相比，對于兩組9號固定轍叉渡線道岔時，尖軌尖端的位移、以及相對位移改變不顯著。

表3 9號無縫渡線道岔夾直線長度的影響分析

3 結束語

無縫渡線道岔中一組道岔的曲基本軌與另一組道岔的里軌相連接，由于兩組道岔導軌的伸縮方向相反，兩者相互作用可抵消一部分伸縮位移，曲基本軌的溫度力減小，曲基本軌的最大伸縮附加拉力相對單組道岔時也相應減小；12號渡線道岔直基本軌的附加力值與單開道岔相比基本沒有改變；9號渡線道岔直基本軌的附加拉力和附加壓力較單開道岔有所減小，且夾直線長度越短，減小的幅度越大。

由于渡線的每一組道岔曲基本軌都是與另一組道岔的里軌相連接，因此其伸縮位移較大，所以對于渡線的曲基本軌的穩定性應該引起足夠的重視；渡線的尖軌尖端伸縮位移隨著夾直線長度改變的變化幅度不明顯。

[1] 廣鐘巖，高慧安．鐵路無縫線路[M] ．4版. 北京：中國鐵道出版社，2005．

[2] 蔡成標，翟婉明，王其昌. 無縫提速道岔鋼軌溫度力與位移計算[J ] . 西南交通大學學報，1997， 32 （5） ：513 -517.

[3] 徐慶元. 用有限元法分析無縫道岔的受力與變形[J ] . 中國鐵道科學，2003，12 （6）：36-40.

[4] 范俊杰，谷愛軍，陳岳源. 無縫道岔的理論與實驗研究[J ] .鐵道學報，2000，22（2）：55-59.

[5] 王平，黃時壽. 可動心軌無縫道岔的非線性計算理論研究[J ] . 中國鐵道科學，2001，22 （1）：84-91.

[6] 王平，劉學毅. 無縫道岔計算理論與設計方法[M] . 成都：西南交通大學出版社，2007，12.