有軌電車6號道岔尖軌跟端形式對尖軌轉換的影響分析

馬曉川，王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

有軌電車6號道岔尖軌跟端形式對尖軌轉換的影響分析

馬曉川，王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

為研究有軌電車6號道岔尖軌跟端不同形式對尖軌轉換計算的影響問題，基于變分形式的最小勢能原理，建立尖軌轉換的有限元仿真模型，研究了不同尖軌跟端形式對尖軌轉換的影響規律。結論是不可更換尖軌平直接頭焊接形式的尖軌跟端穩定性最好，但轉換較困難；可更換尖軌帶卡槽抖接頭形式的尖軌，結構穩定性較好，但轉換也較困難；可更換尖軌抖接頭形式的尖軌，穩定性較差，但轉換最容易。選用不同的尖軌跟端形式需配置不同功率的轉轍機才能滿足尖軌轉換的要求。

有軌電車；道岔；尖軌跟端；有限元

現代有軌電車是一種設計新穎、經濟實用的新型交通運輸方式。有軌電車道岔系統作為有軌電車從一股軌道轉入或越過另一股軌道的線路設備,是有軌電車軌道系統的重要組成部分［1]。現階段有軌電車道岔尖軌跟端形式分為3種,分別是可更換尖軌斜接頭形式、可更換尖軌帶卡槽斜接頭形式以及不可更換尖軌平直接頭焊接形式。

有軌電車道岔轉換設備設計選型時,首先需考慮轉轍機自身功率能否滿足尖軌轉換的需要,而尖軌轉換所需轉換力與尖軌的跟端形式有直接關系,本文使用有限元仿真尖軌轉換的過程,計算分析3種尖軌跟端形式對尖軌轉換計算的影響,分析3種尖軌跟端形式的優缺點,以選擇尖軌跟端合適的形式方案,為轉轍設備選型提供理論支持。

1 尖軌跟端形式介紹

(1)可更換尖軌斜接頭形式

尖軌跟端與導軌以斜接頭的形式連接在一起,跟端側邊加一扣板約束,尖軌與導軌沒有焊接在一起,結構形式如圖1所示。

圖1 可更換尖軌斜接頭形式

(2)可更換尖軌帶卡槽斜接頭形式

尖軌跟端與導軌以斜接頭的形式連接在一起,跟端側邊加一扣板約束,尖軌與導軌沒有焊接在一起,尖軌跟端設置一卡槽,結構形式如圖2所示。

(3)不可更換尖軌平直接頭焊接形式

尖軌跟端與導軌以平直接頭焊接的形式連接在一起,跟端側邊加一扣板約束,結構形式如圖3所示。

圖2 可更換尖軌帶卡槽斜接頭形式

圖3 不可更換尖軌平直接頭焊接形式

2 尖軌轉換模型

(1)主要計算參數

軌距:1 435 mm,軌距測量點距軌頂面14 mm,曲股不設軌距加寬。

導曲線半徑:R=50 m,采用單圓曲線。

尖軌采用相離半切線型,半切點在33.8 mm斷面。

基本軌在密貼段范圍進行2 mm刨切。

岔枕間距一般按600 mm布置,牽引點處岔枕間距加寬至650 mm。采用長岔枕形式,牽引點兩側設置短枕。岔枕按垂直于道岔直股布置,叉后設置扭轉短枕。

道岔尖軌設一個牽引點,牽引點距尖軌尖端450 mm,距彈性可彎中心2700 mm。牽引點設計動程50 mm,尖軌尖端開口58 mm,尖軌轉化的最小輪緣槽寬度為36 mm。

(2)尖軌計算模型

從彈性力學的角度分析,尖軌轉換的位移邊界條件由尖軌跟端約束以及尖軌與基本軌的相對位置決定,力的邊界條件由牽引力、密貼力以及滑床臺摩擦力決定。使用有限元軟件建立尖軌轉換的有限元模型［2- 7]如圖4所示。

圖4 尖軌轉換的有限元模型

鋼軌視為截面線性變化的歐拉梁,采用二維梁單元(beam3)模擬；扣件和扣板視為可提供橫向阻力和橫向扭轉阻力的作用,采用(beam3)單元模擬；密貼段鋼軌之間的相互作用采用非線性彈簧(combin39)單元模擬；牽引連桿連接曲尖軌和直尖軌,采用(link1)單元模擬。

3 尖軌轉換結果及分析

根據有軌電車道岔尖軌跟端的3種形式,利用有限元軟件分別建立了尖軌轉換的有限元仿真模型,其他條件保持不變,可更換尖軌斜接頭形式(形式一)、可更換尖軌帶卡槽斜接頭形式(形式二)以及不可更換尖軌平直接頭焊接形式(形式三)3種尖軌轉化結果如表1所示。

表1 3種尖軌跟端形式的尖軌轉換結果

根據3種尖軌跟端形式的尖軌轉換結果匯出轉換力、不足位移和最小輪緣槽寬度的變化分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 3種尖軌跟端形式的尖軌轉換力變化

圖6 3種尖軌跟端形式的尖軌轉換不足位移變化

由3種有軌電車道岔尖軌跟端形式的轉換結果比較可見,可更換尖軌斜接頭形式的尖軌轉換所需的轉換力最小,不足位移最小,但最小輪緣槽寬度則相對較小；可更換尖軌帶卡槽斜接頭形式的尖軌轉換所需的轉換力次之,不足位移和最小輪緣槽寬度位于可更換尖軌斜接頭形式和不可更換尖軌平直接頭焊接形式之間；不可更換尖軌平直接頭焊接形式的尖軌轉換所需的轉換力最大,不足位移最大,且最小輪緣槽寬度較大。

圖7 3種尖軌跟端形式的尖軌轉換最小輪緣槽變化

4 結論與建議

(1)從結構穩定性來看,不可更換尖軌平直接頭焊接形式的尖軌跟端與導軌直接焊接在一起,因而穩定性最好；其次是可更換尖軌帶卡槽斜接頭形式的尖軌,尖軌跟端有卡槽固定,限制了尖軌跟端橫向移動以及扭轉,因此結構穩定性較好；最后是可更換尖軌斜接頭形式的尖軌,尖軌跟端沒有設置固定裝置,因而穩定性較差。

(2)從尖軌轉換分析結果來講,最有利于尖軌轉換的是可更換尖軌斜接頭形式的尖軌；其次是可更換尖軌帶卡槽斜接頭形式的尖軌；最后是不可更換尖軌平直接頭焊接形式的尖軌。

(3)若工程設計轉轍機額定功率為1 500 N,則道岔尖軌的結構設計需采用可更換尖軌斜接頭形式的尖軌；若采用可更換尖軌帶卡槽斜接頭形式的尖軌或采用不可更換尖軌平直接頭焊接形式的尖軌,則道岔尖軌轉轍機的額定功率至少應達到2 500 N才能滿足轉換條件。

參考文獻：

［1] 王平.高速鐵路道岔設計理論與實踐［M].成都:西南交通大學出版社,2011.

［2] 沈長耀,王明治,蔣慧娟.彈性可彎尖軌扳動力計算［J].城市交通,鐵道標準設計,1991(4):1-13.

［3] 薛美根,楊立峰,程杰.現代有軌電車主要特征與國內外發展研究［J].城市交通,2008(11):88-96.

［4] 蔡小培,李成輝,王平.滑床板摩擦力對尖軌不足位移的影響［J].中國鐵道科學:2007(1):8-12.

［5] 井國慶,李成輝.18號可動心軌道岔不足位移的ANSYS仿真分析［J].鐵道建筑,2007(4):108-110.

［6] 蔡小培.高速道岔尖軌與心軌轉換及控制研究［D].成都:西南交通大學,2008.

［7] 蔡小培,李成輝.高速道岔心軌扳動力和不足位移控制研究［J].鐵道學報,2008(4):48-51.

［8] 劉語冰.彈性可彎尖軌雙牽引點的扳動力計算［J].鐵道標準設計,1993(1):12-18.

［9] 錦州局彰武工務段技術室.道岔支距簡易計算方法［J].鐵道標準設計,1972(12):35-43.

［10]何樂平,李成輝.滑床臺摩擦系數對雙肢彈性可彎心軌扳動力及不足位移影響的計算分析［J].鐵道建筑,2006(6):88-90.

［11]李向國,鮑懷義,岳渠德.提速道岔轉換力計算機模擬研究［J].石家莊鐵道學院學報,2002(9):53-55.

［12]高江寧.Translohr有軌電車軌道結構［J].城市軌道交通研究, 2012(10):98-101.

Analysis on Switching Force Influenced by Different Forms of Rear End of Switch Rail of Turnout No.6 on Tramway Track

MA Xiao-chuan,WANG Ping
(Ministry of Education's Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

To ascertain the influence on switching force caused by different forms of rear end of switchrail of turnout No.6 on tramway track,this paper established a finite element simulation model of the switch rail based on minimum potential energy principle,and researched the influence on switching force caused by different forms of rear end of switch rail.Then this paper come to the conclusions:(a)by contrast,the switch rail,which is with the rear end in the form of non-replaceable welded straight connector,has the best stability but is not easy to be switched；(b)the switch rail,which is with the rear end in the form of replaceable oblique grooved connector,has a better stability but is also not easy to be switched；(c)the switch rail,which is with the rear end in the form of replaceable oblique connector,has a worse stability but is most easy to be switched.Finally,it is suggested in this paper that different forms of rear end of switch rail should be matched with different powers of switching machine,so as to meet the switching force requirement of switch rail.

tramway；turnout；rear end of switch rail；finite element

U239.5；U213.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.009

1004-2954(2014)07-0038-03

2013-10-23；

2013-10-28

國家自然科學基金(51078320)

馬曉川(1990―),男,博士研究生,E-mail:mxc_rw@163.com。