高速鐵路大坡道上18號(hào)和42號(hào)有砟道岔受力分析★

張 榮 鶴

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300000)

道岔是鐵路線路的交叉點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)，因其結(jié)構(gòu)與輪軌界面的關(guān)系復(fù)雜，是影響行車平穩(wěn)性與安全性的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施[1]。跨區(qū)間無(wú)縫線路具有列車運(yùn)行平穩(wěn)、鋼軌使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的快速深入發(fā)展，無(wú)縫線路在設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)維系和管理等方面均取得了長(zhǎng)足發(fā)展[2]。無(wú)縫道岔作為跨區(qū)間無(wú)縫線路的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]，在設(shè)計(jì)理論、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、制造工藝、維護(hù)技術(shù)等方面取得了顯著的進(jìn)步[4]。但是由于環(huán)保、節(jié)約用地或者地形條件的限制，部分道岔不得不設(shè)置在坡度超過(guò)6‰的大坡道上[5]。然而，道岔設(shè)在大坡道上不利于行車的安全性和舒適性。目前，相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)坡度對(duì)于無(wú)縫道岔影響的詳細(xì)系統(tǒng)靜力學(xué)分析較少。因此，本文建立大坡道上有砟道岔靜力學(xué)模型，在考慮不同坡度的同時(shí)，分別針對(duì)18號(hào)有砟軌道無(wú)縫道岔和42號(hào)有砟軌道無(wú)縫道岔進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算分析。

1 靜力學(xué)計(jì)算模型及檢算方法

1.1 計(jì)算模型

利用有限元方法，建立了由道岔、道床、基礎(chǔ)組成的一體化有砟道岔結(jié)構(gòu)模型。計(jì)算模型中道床阻力與扣件阻力可按常量或非線性阻力考慮，計(jì)算原理參考文獻(xiàn)[6]。基于有限元計(jì)算軟件二次開發(fā)技術(shù)編制了專門用于計(jì)算無(wú)縫道岔的非線性有限元程序BTCWR，它采用Forturn語(yǔ)言來(lái)控制程序流程，可以結(jié)合有限元軟件自動(dòng)完成建模、荷載的施加、方程的求解、計(jì)算結(jié)果的提取等。建立了靜力學(xué)分析模型如圖1所示。

1.2 模型參數(shù)

模型采用國(guó)產(chǎn)18號(hào)、42號(hào)客專道岔，18號(hào)道岔全長(zhǎng)69.0 m，前長(zhǎng)a=31.729 m，后長(zhǎng)b=37.271 m。42號(hào)道岔全長(zhǎng)157.2 m，前長(zhǎng)a=60.573 m，后長(zhǎng)b=96.627 m。

道岔采用的鋼軌為U71Mn(K)，鋼軌屈服強(qiáng)度457 MPa，鋼軌容許應(yīng)力=457/1.3=351.5 MPa。每組扣件阻力：12.5 kN。單位枕長(zhǎng)阻力：3.2 kN/m。

限位器阻力參數(shù)：多項(xiàng)式表達(dá)的非線性阻力。

f(Fx)=-51.664+4.0×105y-2.834×

108y2+1.142×1011y3-2.383×

1013y4+2.482×1015y5-1.102 1×1017y6kN·m。

間隔鐵阻力參數(shù)：多項(xiàng)式表達(dá)的非線性阻力。

f(Fx)=40.488+5.8×104y-7.926×

106y2+3.975×108y3+1.105×

1011y4-7.702×1012y5kN·m。

2 靜力學(xué)特性分析

為對(duì)有砟軌道不同坡度上無(wú)縫道岔進(jìn)行受力研究，建立上述有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)受力分析。計(jì)算考慮了不同溫度條件、不同的道岔型號(hào)以及不同線路坡度等道岔范圍內(nèi)鋼軌受力、位移等的影響。

2.1 伸縮工況

計(jì)算不同的軌溫變化幅度下鋼軌伸縮力變化如圖2所示，提取鋼軌伸縮附加力極值如圖3所示。

從圖2可知，在道岔范圍內(nèi)的鋼軌伸縮力發(fā)生變化。當(dāng)軌溫變化幅度增大時(shí)，18號(hào)和42號(hào)道岔的鋼軌伸縮力均增大。且由于18號(hào)道岔尖軌跟端限位器間隙為7 mm，42號(hào)為11 mm，因此在溫變40 ℃,45 ℃時(shí)，18號(hào)道岔在限位器處由于字母塊貼靠而出現(xiàn)傳力，42號(hào)道岔由于字母塊間隙較大，在溫變較高的50 ℃時(shí)出現(xiàn)傳力。由圖3可知，在溫變較小，限位器處未開始傳力時(shí)，42號(hào)道岔的伸縮附加力小于18號(hào)道岔，開始傳力時(shí)則大于18號(hào)道岔，說(shuō)明道岔內(nèi)部傳力會(huì)引起鋼軌附加力的增大，不利于鋼軌受力。

2.2 制動(dòng)工況

制動(dòng)力是列車通過(guò)輪軌接觸將力傳至鋼軌，然后通過(guò)扣件、軌枕、道砟等結(jié)構(gòu)將其向下傳遞。制動(dòng)荷載可通過(guò)荷載集度施加于軌面，荷載集度可表示為列車設(shè)計(jì)荷載與輪軌粘著系數(shù)的乘積，可表示為：

q=μ×Q。

其中，輪軌粘著系數(shù)μ取0.164(參照《鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》)。

為模擬車輛在長(zhǎng)大坡度道岔上制動(dòng)，制動(dòng)荷載應(yīng)考慮車輛ZK活載的坡道分力。在計(jì)算中通過(guò)將坡道上的制動(dòng)荷載轉(zhuǎn)化為等效輪軌粘著系數(shù)μ0實(shí)現(xiàn)。在圖4中，設(shè)計(jì)荷載為Q，平行于軌道的分力F2即為坡道分力：

F2=Q×sinα。

因?yàn)棣两且话愫苄。瑂inα值近似等于tanα，因此F2=Q×tanα，而線路坡度i=H/L=tanα，故F2=Q×i。因此，長(zhǎng)大坡道上的荷載集度可表示為q=(0.164+i)×Q。

為探究坡度對(duì)列車通過(guò)道岔的影響，分別計(jì)算了18號(hào)、42號(hào)道岔鋪設(shè)在平坡及5‰,10‰,15‰,20‰,25‰,30‰的坡道上時(shí)，列車分別在上坡、下坡方向通過(guò)時(shí)的制動(dòng)工況，并提取了不同坡度下計(jì)算的列車上坡、下坡的鋼軌制動(dòng)力極值，結(jié)果如圖5所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，列車在大坡度道岔上制動(dòng)時(shí)，在上坡方向制動(dòng)力隨坡度增大而減小，在下坡方向，制動(dòng)力隨坡度增大而增大。

坡度為30‰時(shí)，18號(hào)道岔在上坡方向因列車制動(dòng)產(chǎn)生的鋼軌力比平坡時(shí)減小了11.29%，在下坡方向增大了10.73%；42號(hào)道岔在上坡方向因列車制動(dòng)產(chǎn)生的鋼軌力比平坡時(shí)減小了11.30%，在下坡方向增大了10.72%。因此可知在下坡方向制動(dòng)會(huì)引起鋼軌力的增大，且18號(hào)、42號(hào)道岔的增大幅度均在10.7%左右，可能引起在長(zhǎng)大坡道上的鋼軌爬行，不利于有砟道岔區(qū)軌道幾何形位的保持，不利于軌道結(jié)構(gòu)安全。

2.3 鋼軌強(qiáng)度檢算

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)鋼軌強(qiáng)度進(jìn)行檢算。鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力根據(jù)線路條件計(jì)算為141.37 MPa。考慮取最不利溫度工況，溫變60 ℃，計(jì)算不同坡度下的鋼軌應(yīng)力值如表1所示。由結(jié)果可知，鋼軌應(yīng)力隨坡度增大而增大，說(shuō)明線路坡度會(huì)增大鋼軌應(yīng)力水平，不利于軌道結(jié)構(gòu)安全，但總體上看，坡度引起的應(yīng)力增大幅度較小，30‰相較于平坡工況增大了約1 MPa。此外，各坡度下42號(hào)道岔鋼軌應(yīng)力大于18號(hào)道岔，但鋼軌強(qiáng)度均滿足限值要求。

表1 鋼軌強(qiáng)度檢算 MPa

2.4 道岔尖軌、心軌相對(duì)位移、傳力部件縱向力

表2為各溫變幅度時(shí)道岔尖軌、心軌的相對(duì)位移。可知各溫度工況下42號(hào)道岔的尖軌尖端相對(duì)于基本軌伸縮位移和心軌尖端相對(duì)于翼軌伸縮位移均大于18號(hào)道岔的計(jì)算結(jié)果，且42號(hào)道岔在溫變60 ℃時(shí)尖軌尖端相對(duì)于基本軌伸縮位移超過(guò)限值40 mm，考慮42號(hào)道岔鋪設(shè)允許最大溫降為55 ℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)的尖軌相對(duì)位移為36.901 mm，能夠滿足規(guī)范限值要求。因此18號(hào)、42號(hào)道岔的尖軌、心軌相對(duì)位移均滿足規(guī)范要求。

表2 道岔尖軌、心軌的相對(duì)位移 mm

由表3可知，各工況下18號(hào)、42號(hào)道岔的傳力部件縱向力均小于限值。在溫變幅度較低時(shí)，42號(hào)道岔尖軌跟端限位器(間隙11 mm)未貼靠，其縱向力為0，當(dāng)溫變幅度較高時(shí)，42號(hào)道岔尖軌跟端限位器縱向力增幅較大，明顯大于18號(hào)道岔，說(shuō)明當(dāng)溫度變化幅度較大時(shí)，42號(hào)道岔的限位器處的尖軌、基本軌傳力更為明顯。

表3 道岔傳力部件縱向力 kN

2.5 道岔穩(wěn)定性分析

由計(jì)算可知，18號(hào)、42號(hào)道岔在溫變60 ℃時(shí)，鋼軌伸縮壓力分別為1 395.20 kN，1 420.20 kN，大于限值1 366 kN。而在考慮18號(hào)、42號(hào)道岔的設(shè)計(jì)最大允許溫升分別為49 ℃，45 ℃，對(duì)應(yīng)的鋼軌伸縮壓力小于限值1 366 kN，滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)不同坡道有砟軌道上鋪設(shè)18號(hào)和42號(hào)無(wú)縫道岔進(jìn)行靜力學(xué)分析，具體結(jié)論如下：1)經(jīng)計(jì)算，鋼軌強(qiáng)度、道岔尖軌、心軌相對(duì)位移、傳力部件縱向力及岔區(qū)穩(wěn)定性均滿足限值要求。且相同鋪設(shè)條件下42號(hào)道岔的各項(xiàng)指標(biāo)均大于18號(hào)道岔。2)道岔通過(guò)限位器、間隔鐵傳力會(huì)引起鋼軌力增大，不利于鋼軌受力。在下坡方向制動(dòng)會(huì)引起鋼軌力、鋼軌應(yīng)力的增大，其中18號(hào)、42號(hào)道岔的鋼軌力增大幅度均在10.7%左右，可能引起在長(zhǎng)大坡道上的鋼軌爬行，不利于軌道結(jié)構(gòu)安全。