高速道岔尖軌轉換鎖閉力計算分析

于 浩,王 平,徐井芒,錢 瑤,孫曉勇

(1.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；2.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司,北京 100166)

高速道岔是機車車輛從一股軌道轉入或越過另一股軌道的線路設備，其輪軌接觸關系復雜，對行車的平穩與安全產生了嚴重的影響。道岔尖軌轉換是影響高速道岔平順性的關鍵一環，但在實際運營過程中道岔轉換卡阻問題時有出現。故為保證列車過岔的安全性與平穩性尖軌轉換設計計算尤為重要。

國內學者一直以來都在對道岔轉換扳動力的計算進行研究。有學者首先提出建立一端為固定端，另一端為活動端的彈性可彎尖軌雙牽引點的數學模型計算扳動力，真實地模擬了尖軌的彈性變形受力[1-2]。在此基礎上，逐漸將扳動力、摩擦力、密貼力、反彈力等因素考慮到模型中，并完善了多點牽引時彈性可彎尖軌、單肢及雙肢彈性可彎心軌扳動力計算理論，為多點牽引的轉換扳動力計算建立了基礎[3-6]。隨著彈性道岔鋼軌扳動力計算理論的發展，人們開始研究滑床板摩擦系數、不足位移、夾異物、扣件剛度等對不同道岔轉換的影響[7-12]。道岔轉換扳動力計算的方法雖然在逐步發展，并且將越來越多道岔轉換的影響因素考慮到轉換模型中，但與實際測得的扳動力仍有較大差距。實際工程中道岔轉換扳動力是由測量儀器對轉轍機的輸出力監測所得，而轉轍機的輸出力直接作用于鎖閉桿上通過鎖閉裝置對尖軌進行牽引。李方太等[13]通過建立鎖閉裝置的有限元模型，對其施加靜態的列車荷載對鎖閉裝置的強度進行了分析。徐井芒等[14-16]通過對道岔鋼軌和轉換鎖閉裝置的橫向耦合，得到了鎖閉結構的動態受力性能。既有研究的尖軌轉換扳動力計算主要側重于扣件橫向剛度、頂鐵反力、滑床板摩擦力等對道岔轉換的影響[17-18]，其計算所得尖軌轉換力實際為轉換過程中尖軌軌腰處受到的作用力，而實際轉換扳動力為鎖閉桿受到的轉轍機牽引力。因此本文提出鎖閉裝置中的鎖閉桿受到的鎖閉力，其可更精確的表示尖軌轉換扳動力。

以18號高速道岔及新外鎖閉裝置為研究對象，分別建立尖軌軌腰力計算模型和外鎖閉裝置受力計算模型，提出高速道岔尖軌轉換鎖閉裝置鎖閉力的計算方法，探究鎖閉裝置對尖軌轉換計算的影響，揭示尖軌轉換鎖閉力隨夾異物大小、夾異物位置變化的規律。

1 計算模型

道岔尖軌轉換鎖閉力由尖軌彈性變形產生的恢復力、道岔其他各部件的阻力和鎖閉裝置共同決定。分別建立尖軌轉換軌腰力計算模型和鎖閉裝置受力計算模型。首先得到牽引點處的尖軌軌腰處作用力，將其作為初始荷載施加于鎖閉裝置受力計算模型中，最終得到尖軌牽引點處鎖閉力。

1.1 尖軌轉換軌腰力計算模型

基于有限元理論，建立尖軌轉換軌腰力計算模型如圖1所示。建模過程參考文獻[7]，模型中充分考慮了道岔尖軌轉轍器區結構的真實狀態，道岔尖軌采用變截面歐拉梁模擬尖軌橫向抗彎剛度產生的橫向力，在特定部位以集中力的形式模擬滑床臺板對道岔尖軌的摩擦作用，將尖基軌貼靠時產生的密貼力、頂鐵反力和扣件對模型的橫向阻力使用非線性彈簧模擬，考慮邊界效應對模型計算的影響，在尖軌根端施加固定約束。

采用變分形式的最小勢能原理求解道岔尖軌轉換力，在所有滿足邊界條件的協調位移中，滿足平衡條件的位移將使系統的總勢能成為極值，即

δU+δV=0

(1)

式中，δU、δV為系統總應變能和總勢能的一階變分。在導出各項能量的變分表達式后，即可形成系統的剛度矩陣及荷載列陣，通過在系統力學平衡方程組中補充相應的位移協調條件，最后通過迭代計算直到所求軌腰力滿足要求為止，具體過程參考文獻[19-20]。

圖1 尖軌轉換軌腰力計算模型

1.2 外鎖閉裝置受力計算模型

本文重點在于建立外鎖閉裝置受力計算模型，通過探究外鎖閉裝置的傳力機理從而對鎖閉桿鎖閉力進行求解。以18號高速道岔尖軌轉換新外鎖閉裝置為研究對象，圖2為第一牽引點處鎖閉裝置結構，鎖閉裝置由彈性輥輪、鎖閉框、尖軌連接鐵、鎖閉鉤、鎖閉桿等部件組成。其他牽引點處的轉換鎖閉裝置結構與此相同，故不再贅述。轉換過程中轉轍機首先對鎖閉桿施力；鎖閉桿將作用力通過接觸作用傳遞至鎖閉鉤；在彈性輥輪和螺栓的共同作用下鎖閉鉤將力作用于連接鐵；最后通過尖軌連接鐵對尖軌施加轉換力。當鎖閉桿向左運動時，鎖閉桿凸臺A左側斜面與鎖閉鉤B右側斜面會發生相對滑動，使得鎖閉鉤繞C處螺栓順時針轉動。左側被抬起的鎖閉鉤會使彈性滾輪及與其相連接的鎖閉框向上運動，將尖軌固定于基本軌。

圖2 新外鎖閉結構

新鎖閉裝置受力主要在與尖軌縱向垂直的平面內。鎖閉裝置實際結構比較復雜，在保證鎖閉裝置各部件接觸點位置與接觸面積不變的前提下，為便于計算，將實際三維鎖閉結構簡化為二維有限元模型。如圖3所示。

圖3 尖軌轉換鎖閉簡化結構

基于有限元理論，盡可能真實地考慮外鎖閉裝置幾何形狀，使用4節點不均勻實體單元進行計算，裝置中各部件之間采用“面-面”接觸算法進行接觸計算，使用剛度阻尼單元簡化螺栓的支承連接作用。如圖3所示，連接鐵①和連接鐵②主要通過穿插在其中的螺栓進行力的傳遞，分別將連接鐵①和連接鐵②位于螺栓兩側的部分用大剛度彈簧連接，使簡化結構中分離的連接鐵成為整體，將各部分連接鐵與螺栓重合的部分分別建立接觸單元，在連接鐵①和連接鐵②之間的間隙處存在蓋板對連接鐵①起到一定的支承作用，使用碟簧B40替代其支承作用；尖軌連接鐵與連接鐵②之間通過部件表面的接觸擠壓和螺栓的支承完成力的傳遞，使用碟簧B56代替螺栓的支承作用，同時在兩部件有可能發生接觸的位置建立接觸單元以模擬力的傳遞；為使作用力從連接鐵①傳遞至鎖閉桿，需在特定傳力位置建立其他接觸單元來模擬受力作用。此外，還需在鎖閉桿底部，尖軌連接鐵底部以及彈性滾輪質心處添加邊界條件，約束模型的運動及變形，使其符合外鎖閉裝置真實的運動狀態。

采用有限元方法離散后模型在時刻t的動力響應方程為

(2)

1.3 計算參數

尖軌轉換模型計算參數參考60 kg/m鋼軌18號單開道岔：尖軌總長22.041 m，扳動到正位時的密貼段長10.4 m，扳動到反位時的密貼段長10.4 m，尖軌跟端類型為彈性可彎。

本文采用三點分動外鎖閉的牽引方式：第1牽引點距尖軌尖端0.48 m，動程為0.22 m，牽引點運動速度為0.169 m/s；第2牽引點距尖軌尖端5.28 m，動程為0.22 m， 牽引點運動速度為0.169 m/s；第3牽引點距尖軌尖端10.68 m，動程為0.15 m，牽引點運動速度為0.115 m/s。尖軌與基本軌貼靠時，尖軌貼靠部位支撐剛度取為50 kN/mm；頂鐵支撐剛度取為基本軌橫向支撐剛度100 kN/mm；尖軌末端受扣件橫向約束，取橫向剛度為50 kN/mm。

鎖閉結構中除彈性滾輪其他材料均為鋼材，具體參數見表1。

表1 模型參數

2 尖軌轉換鎖閉力計算分析

道岔尖軌鎖閉力的大小不僅與尖軌的不足位移、滑床板的摩擦系數、扣件橫向剛度有關，外鎖閉裝置的結構與尖軌牽引點處的夾異物對其也存在顯著的影響。轉轍機輸出的鎖閉力在通過外鎖閉裝置傳遞至尖軌的過程中會受到其本身結構的影響而產生變化。夾異物的存在對鎖閉裝置運動產生較大阻礙作用，使尖軌完成鎖閉異常困難。故主要研究鎖閉力的求解方法以及在鎖閉過程中夾異物對鎖閉力的影響。

2.1 理想情況尖軌轉換鎖閉力計算

應用尖軌軌腰力計算模型，得到高速道岔尖軌轉換第一牽引點尖軌轉換力，將其作為初始激勵施加到外鎖閉裝置受力計算模型中，建立鎖閉裝置中鎖閉桿鎖閉力與尖軌軌腰力之間的映射關系，通過映射關系即可得到鎖閉桿的鎖閉力。

2.1.1 尖軌軌腰力與鎖閉力傳遞關系

在尖軌轉換過程中，外鎖閉結構各部件的位置姿態隨著鎖閉桿的移動在不斷變化，不同位置狀態的鎖閉結構傳力效率彼此不同，因此需要在時域內建立多個不同時刻的鎖閉裝置有限元模型。由于尖軌轉換模型求得的尖軌軌腰處作用力隨轉換時間不斷變化，為了提高計算效率，針對每個位置狀態下的鎖閉結構，建立尖軌軌腰力與鎖閉力的映射關系。由于外鎖閉裝置只在斥離軌解鎖階段及密貼軌鎖閉階段對鎖閉力有較為顯著的影響，加之限于篇幅，本文僅摘取尖軌第一牽引點處鎖閉裝置由定位至反位階段的關鍵數據進行分析。

圖4 尖軌作用力與鎖閉桿作用力的映射關系

為保證鎖閉裝置受到的作用力不超過轉轍機的額定牽引力4 200 N，分別對尖軌施加0～4 200 N的尖軌軌腰作用力，得到第一牽引點尖軌轉換解鎖和鎖閉過程中鎖閉結構尖軌軌腰力與鎖閉力的映射關系。計算結果見圖4。當高速道岔尖軌轉換鎖閉裝置處于解鎖階段(鎖閉桿位移0～33.6 mm)時，尖軌在鎖閉裝置的牽引下遠離密貼的基本軌，同時鎖鉤在鎖閉桿的凸臺上滑動，直至鎖鉤與鎖閉框脫離。該階段，由于鎖閉結構各部件的接觸關系變化不大，隨著鎖閉桿的移動映射關系的比例系數基本不變。在鎖閉階段(鎖閉桿位移146.5～220 mm)，此時的尖軌在鎖閉裝置的牽引作用下靠近基本軌。隨著鎖閉桿位移的增大，鎖閉桿上的鎖閉凸臺會逐漸從鎖鉤的解鎖凹槽中滑出，并抬起鎖鉤的燕尾部，使其沿鎖閉鐵的斜面上移，由于在鎖閉的過程中鎖閉桿與鎖閉鉤之間接觸的位置不斷變化，導致映射關系的比例系數隨鎖閉桿位移增加而逐漸減小，直至鎖鉤滑至鎖閉桿凸臺頂部后，比例系數維持穩定。當鎖閉桿處于解鎖階段與鎖閉階段即將結束時，鎖閉鉤均位于鎖閉桿的滑動凸臺上，因此二者鎖閉桿鎖閉力與尖軌作用力之間的映射關系近似。

由上述分析可知，尖軌軌腰力與鎖閉力的映射關系按一定的規律隨鎖閉桿位移變化，其比例系數主要受到外鎖閉裝置各部件位置狀態的傳力效率影響。因此，可以通過優化外鎖閉裝置的結構，優化轉轍機的工作效率。

2.1.2 尖軌軌腰力與鎖閉力的對比

依據最小勢能原理，得到18號高速道岔三個牽引點的尖軌轉換力時程曲線，如圖5所示。將第一牽引點尖軌軌腰力作為激勵施加在外鎖閉裝置模型中，通過尖軌軌腰力與鎖閉力的映射關系得到鎖閉桿的鎖閉力。

圖5 尖軌軌腰力隨時程曲線

圖6 鎖閉力與尖軌軌腰力時程曲線的對比

圖6中將鎖閉桿鎖閉力與尖軌軌腰力時程曲線進行對比。可以發現，鎖閉力與尖軌軌腰力在尖軌轉換的過程中變化的規律一致，當密貼尖軌開始解鎖時，鎖閉裝置各部件間力的接觸作用狀態未發生較大變化，因此二力各自以一定的比例系數均勻增大；直到解鎖完成鎖閉鉤與鎖閉桿分離，鎖閉力因鎖閉裝置內部受力情況變化而突變；在鎖閉桿帶動已解鎖的密貼尖軌向另一側移動且斥離尖軌未開始鎖閉前，鎖閉力與尖軌軌腰力相差不大；當斥離尖軌貼靠基本軌時，外鎖閉裝置開始對尖軌進行鎖閉，由于外鎖閉裝置內部結構的變化，使尖軌鎖閉進行的相對容易，此時鎖閉力逐漸減小。在鎖閉桿位移為166 mm時，尖軌軌腰力與鎖閉力均達到最大值，分別為1 006 N和796 N，最大扳動力降低約21%。由此可見，外鎖閉裝置對道岔轉換鎖閉力的影響顯著，在進行道岔尖軌轉換設計計算時，應當考慮外鎖閉裝置結構的傳力機理對鎖閉力的影響。

2.2 夾異物對尖軌轉換鎖閉力的影響

道岔通過外鎖閉裝置進行軌道轉換，保證尖軌或心軌與基本軌的密貼。當尖軌牽引點及牽引點間有異常堅硬的物體(夾異物)存在時，尖軌雖受到鎖閉裝置的牽引作用但是不能繼續向基本軌靠近，導致尖軌、基本軌不能密貼。由連接轉轍機的鎖閉桿直接通過外鎖閉裝置提供給尖軌牽引作用，因此當道岔轉換過程中存在夾異物時，外鎖閉裝置的受力與運動情況對道岔轉換力的計算存在不可忽略的影響。

同樣以18號高速道岔尖軌第一牽引點處存在夾異物為例，計算夾異物對尖軌轉換鎖閉力的影響。為盡可能真實的模擬牽引點處存在夾異物的情況，應用上述外鎖閉裝置受力計算模型，對尖軌施加橫向約束來模擬夾異物阻止尖軌向基本軌靠近的運動過程，對鎖閉桿施加橫向位移來模擬夾異物對尖軌轉換的影響。

因夾異物尺寸的大小影響鎖閉鉤與鎖閉桿接觸的初始狀態，夾異物越小則鎖閉鉤滑上鎖閉桿凸臺所需的位移越大。為保證外鎖閉裝置可以完成鎖閉動作，即鎖閉鉤沿鎖閉桿凸臺斜面上滑到頂端，如圖7所示為鎖閉桿施加位移前后鎖閉鉤與鎖閉桿的相對位置，可以發現鎖閉鉤與鎖閉桿接觸位置發生了明顯的變化，相對位置的變化基本符合真實狀態下的轉換鎖閉結構的運動狀態。

圖7 鎖閉鉤與鎖閉桿相對位置變化

為探究外鎖閉裝置存在不同尺寸夾異物的情況下鎖閉過程中鎖閉桿受力的變化趨勢，以外鎖閉裝置開始進行鎖閉動作時鎖閉桿的位置為初始狀態，再對鎖閉桿依次施加1～6 mm橫向位移。計算結果如圖8所示，可以看出當夾異物尺寸分別為1，2，4 mm時，鎖閉桿鎖閉力均呈現先增大后減小的規律，但鎖閉桿鎖閉力出現峰值的位置卻存在一定的差異。當鎖閉桿鎖閉過程中鎖閉桿作用力達到峰值時，其位移分別為2，3，5 mm，即夾異物尺寸越大外鎖閉裝置從開始鎖閉至達到最大鎖閉力所需的鎖閉桿位移越大。

圖8 鎖閉過程鎖閉力變化規律

上述存在夾異物時鎖閉力的計算僅考慮了外鎖閉裝置自身結構受到的力學響應，而未將尖軌自身因彎曲變形產生的彈性恢復力考慮其中。將尖軌受到的彈性恢復力作為外鎖閉裝置的初始激勵，求解即可建立尖軌軌腰處作用力與鎖閉裝置在鎖閉過程中鎖閉桿鎖閉力最大值的映射關系，如圖9所示。可見相同夾異物尺寸的情況下，轉換鎖閉力隨尖軌軌腰力的增大基本呈線性增加。當尖軌作用力相同時，夾異物尺寸越大，尖軌轉換鎖閉力也在逐漸增加。過大的夾異物將導致鎖閉力不能達到要求，使尖軌、基本軌無法完成密貼。

圖9 存在夾異物時尖軌作用力與鎖閉力的映射關系

由尖軌遇到夾異物時受到的尖軌軌腰力與圖9鎖閉桿鎖閉力與尖軌軌腰力的映射關系可以得出尖軌轉換最大鎖閉力數值。圖10為3個牽引點分別存在夾異物時各個牽引點最大鎖閉力的計算結果，可見牽引點處夾異物對鎖閉力影響很大，較大尺寸的夾異物會造成該處的尖軌轉換受到阻礙，導致鎖閉力增大。當夾異物位于某牽引點處時，會造成該牽引點處的鎖閉力顯著增加，而對其他牽引點處的鎖閉力卻影響較小。而夾異物尺寸越大牽引點處的鎖閉力也會隨之增大。當牽引點存在4 mm夾異物時，對應牽引點處的鎖閉力大小均大于轉轍機的額定功率4 200 N，導致尖軌無法與基本軌完成密貼。因此為了保證列車的過岔安全，要對夾異物進行定期的清理。

圖10 各牽引點處夾異物對鎖閉力的影響

3 結論與建議

以18號高速道岔尖軌轉換為例，基于有限元理論計算了新外鎖閉裝置對尖軌轉換鎖閉力的影響，得到了以下結論。

(1)本文提出的尖軌轉換鎖閉力計算模型，不僅考慮了尖軌在轉換過程中受到的摩擦力、密貼力及扣件橫向剛度等因素，還考慮了外鎖閉裝置的傳力機理對尖軌轉換的影響，可為高速道岔尖軌轉換的優化計算提供參考。

(2)尖軌轉換鎖閉力在密貼尖軌鎖閉過程中其最大鎖閉力與既有的尖軌軌腰力相比可降低21%，可見鎖閉裝置對尖軌轉換的影響頗為顯著。因此，在鎖閉結構設計時，應當注意優化其結構，提高轉轍機牽引力的傳遞效率。

(3)當牽引點處存在夾異物時，對該牽引點處的鎖閉力有明顯的影響，且隨夾異物尺寸的增加而明顯增大，但對其他牽引點的鎖閉力影響較小；夾異物尺寸越大，外鎖閉裝置從開始鎖閉至達到最大鎖閉力所需的鎖閉桿位移越大；當牽引點存在4 mm夾異物時，對應牽引點處的鎖閉力大小均大于轉轍機的額定功率4 200 N，導致尖軌無法與基本軌完成密貼。因此，對道岔夾異物進行及時的清理對車輛的行車安全有重要的意義。