地鐵用9號無縫道岔計算及限位器間隙設計

柴 文 博

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

1 概述

60 kg/m鋼軌9號單開道岔是地鐵線路中常用的道岔型號，多用于正線及折返線。該型號道岔前長一般為13 m左右，后長為15 m左右，全長在27 m～30 m之間；尖軌采用60AT1鋼軌制造，跟端設置彈性可彎段，轉轍器設置兩個牽引點；轍叉多采用固定型高錳鋼轍叉。道岔軌下基礎為混凝土整體道床或碎石道床，為適應無縫線路的要求，岔內多采用凍結接頭，并在尖軌跟端與基本軌之間設置限位器以傳遞溫度力。

本文以某地鐵用60 kg/m鋼軌9號單開道岔為例，分別計算道岔軌下基礎為碎石道床和整體道床的情況下，限位器間隙為7 mm和10 mm時的道岔溫度力及位移隨軌溫變化情況，為地鐵用60 kg/m鋼軌9號無縫道岔的設計提供參考。

2 計算條件

某地鐵用60 kg/m鋼軌9號單開道岔前長12.57 m，后長15.73 m，全長28.3 m，導曲線半徑200 m；尖軌長10.684 m，跟端采用限位器式傳力機構，轍叉為高錳鋼整鑄轍叉；道岔采用Ⅱ型彈條扣件，軌下基礎有混凝土整體和碎石道床兩種。

利用有限元軟件ANSYS建立60 kg/m鋼軌9號單開道岔的計算模型如圖1所示，其中鋼軌的彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比0.3，線膨脹系數11.8×10-6/℃；混凝土岔枕的彈性模量為34.5×109Pa；鋼軌和岔枕采用Beam188單元模擬，扣件、道床阻力、限位器均采用Combin39單元模擬，為充分消除邊界效應的影響，道岔模型前后各加長50 m。

在建模及計算時，道岔區Ⅱ彈條扣件的縱向阻力特性按表1取值[1]。由于區間線路和道岔扣件系統的軌下部分剛度不同，從而導致相同類型的扣件產生不同的縱向阻力，道岔兩端普通無縫線路部分扣件縱向阻力特性，當鋼軌位移小于2 mm時取20 kN/mm，當鋼軌位移大于2 mm時，鋼軌和軌枕之間發生滑動，阻力不再變化[2]。

表1 道岔扣件縱向阻力

碎石道床的縱向阻力特性按表2取值，整體道床的縱向阻力視為無窮大。

表2 道床縱向阻力

限位器的縱向阻力特性按表3取值[3]，表3中相對位移是指限位器子塊和母塊接觸后基本軌與尖軌的相對位移，在此之前限位器的阻力為零。

表3 限位器阻力特性

3 計算結果及分析

對建立的60 kg/m鋼軌9號地鐵無縫道岔模型，分別計算軌下基礎為碎石道床和混凝土整體道床，限位器間隙為7 mm和10 mm時，不同軌溫變化條件下，道岔基本軌最大溫度力、尖軌尖端位移、限位器間隙變化及溫度力等無縫道岔參數。

3.1 碎石道床計算結果

當軌下基礎為碎石道床時，計算限位器間隙分別為7 mm和10 mm時，在不同軌溫變化量下，基本軌內部最大溫度力如圖2所示，尖軌尖端位移、限位器間隙變化如圖3所示，限位器所受溫度力如圖4所示。圖3中限位器間隙大于7 mm或10 mm后的數值表示限位器處尖軌與基本軌之間的相對位移。

根據計算結果，在軌下基礎為碎石道床的情況下，限位器設計間隙為7 mm時，限位器子母塊在軌溫變化量為40 ℃時相互接觸；設計間隙為10 mm時，子母塊在軌溫變化量為50 ℃時相互接觸。在軌溫變化量為40 ℃之前，兩者基本軌最大溫度力、尖軌尖端位移一致。在限位器子母塊接觸前，基本軌內最大溫度力、尖軌尖端位移、限位器間隙隨軌溫變化的趨勢基本呈線性，當限位器子母塊接觸后呈非線性變化。隨著軌溫變化量的增加，限位器間隙為7 mm時 的道岔基本軌內最大溫度力、限位器所受溫度力均比限位器間隙為10 mm時的大，尖軌尖端位移和限位器處尖、基軌相對位移則相對較小。

3.2 整體道床計算結果

軌下基礎為整體道床的情況下，限位器間隙分別為7 mm和10 mm時，基本軌內部最大溫度力，尖軌尖端位移、限位器間隙變化，限位器所受溫度力如圖5～圖7所示。

由圖5～圖7可以看出，當軌下基礎為整體道床時，不同限位器間隙下，基本軌最大溫度力、尖軌尖端位移、限位器間隙變化、限位器溫度力隨軌溫變化的規律與碎石道床時一致。

與碎石道床的計算結果相比，限位器間隙7 mm時，子母塊在軌溫變化量為45 ℃時相互接觸；間隙10 mm時，在軌溫變化量為60 ℃時相互接觸。同時，各計算值均小于碎石道床的情況。這是因為整體道床比較穩定，計算時忽略了道床的縱向變形，道岔在軌溫變化時，鋼軌伸縮不會帶動道床產生位移，相對碎石道床，鋼軌伸縮時不需要克服道床阻力帶動岔枕移動，僅需克服扣件系統的縱向阻力。因此，基本軌內最大溫度力、尖軌尖端位移、限位器間隙及溫度力均比碎石道床時的計算結果小。

4 結論

1)以尖軌尖端位移作為限制條件時，采用7 mm間隙的限位器與10 mm間隙限位器相比，能適應更大的軌溫變化幅度，但同時，道岔基本軌、限位器所受溫度力相對增大，在應用于碎石道床時，需考慮轍跟部位較大的溫度力對道岔穩定性的影響[4]。

2)在轉換設備適應尖軌伸縮量允許的條件下，采用10 mm間隙的限位器具有較小的溫度力，安全性較高。

3)在道岔軌下基礎為整體道床的情況下，采用7 mm和10 mm間隙的限位器，均比軌下基軌為碎石道床能夠適應更大的軌溫變化幅度。

4)限位器間隙的選擇還應考慮限位器子母塊相接處時的軌溫變化幅度，綜合考慮本文計算的限位器子母塊接觸時的軌溫變化幅度，對于碎石道床60 kg/m鋼軌9號單開道岔，當軌溫變化幅度小于100 ℃時，宜采用7 mm間隙限位器，大于100 ℃時，宜采用10 mm間隙限位器；對于整體道床60 kg/m鋼軌9號單開道岔，軌溫變化幅度在120 ℃以下，宜采用7 mm間隙限位器，120 ℃以上宜采用10 mm間隙限位器。